6G通信感知一体化测试解决方案

作者：朱轶智,付国映（罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司）时间：2024-04-13 来源：EEPW

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编者按：通信感知一体化是6G的研究热点之一，它是指通信和感知的融合。从通信产业来讲，它是指在现今丰富的无线通信系统上如何加上感知的功能。目前研究的痛点之一在于没有真实的被测件，业界对感知能力的技术验证和测试大多依赖于外场实际物体，测试场景有限、模拟目标的数量单一并且设置不灵活，研究人员无法做更多算法的仿真和实验。

摘要：罗德与施瓦茨公司创新性地提出基于目标模拟器R&S^® AREG800A和5G毫米波射频前端R&S^® FE44S的通感一体化实验室测试解决方案，该方案可模拟目标参数灵活多变，速度、RCS、距离均可设置，可设置多目标，是全球仪表产商及设备商首次搭建成功通感一体化的实验室测试方案，该成果已于2023年2月展示于2023巴塞罗那MWC(世界移动通信大会)、2023年6月展示于2023上海MWC(世界移动通信大会)、2023年10月份6G 通感一体化学术论坛，并已成功经应用于产业界的6G研究，极大的解决了6G通感一体化测试的难题，加速了6G产业链的研究效率。

本文引用地址：//www.cazqn.com/article/202404/457578.htm

图1 通信感知一体化的概念^[1]

1 通信感知一体化概述

通信感知一体化Integrated sensing and communication(ISAC)，简称通感一体化，是第6代移动通信技术( 以下简称“6G”) 的研究热点之一，顾名思义就是通信和感知进行融合。通信行业的从业者对通信都有比较深的认知，而感知是指获得外界物体的信息，包括但不限于位置、大小、速度、组成、形状等等。感知可分为两种，即被动感知和主动感知。被动感知是指设备不发射信号，只接收目标对象发射的电磁波进行感知，也叫无源感知，比如天文学中的射电望远镜，感知天体发射的微弱电磁波，转化成可识别的信号。主动感知最著名的技术就是通常意义上的雷达，设备发射电磁波，经过目标对象反射后，接收回波进行感知，即雷达类的感知技术。

对于在通信系统中加入感知功能，其初衷有三点：一是无线频谱资源受限，下一代感知系统希望能够复用无线通信系统的频段，实现感知和通信频谱共享，提高频谱利用率。二是雷达系统和通信系统是非常类似的，有非常多的共同之处，例如硬件架构、信号处理等方面都原理相通。这就为融入提供了可能，并且希望能够不改动或者少改动现有系统。如果考虑要商用，这是无法避免的一个成本话题。这种一体化的设计能够获得“集成增益”；三是希望通信与感知系统能够互惠互利，例如车联网场景中，利用通信提供感知服务，利用感知辅助通信，利用雷达回波做跟踪等，从而获得一体化系统的“协作增益”。本文重点讨论的即是在通信系统中加入感知功能的测试方案。

当然在雷达产业界，也有学者提出雷达通信一体化的概念，即在雷达系统里面加上通信的功能，也可实现雷达系统中的互联互通，尤其是在雷达广泛应用的抗震救灾、目标监测、地形测绘等领域都非常有意义^[2]。图2是一种用于救灾的雷达通信一体化系统示意图，飞机平台搭载可以用于探测成像的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)，在探索地形的同时与地面救援车辆保持通信，及时传输探测结果。如果雷达与通信系统各自分立，没有进行一体化设计实现良好的兼容性，不仅会增加飞行平台的载荷重量，还可能发生两种功能互相干扰的情形，导致系统的整体性能下降。

图2 雷达通信一体化系统用于救灾

2 通信感知一体化目前的研究成果和测试痛点：

3GPP Release 19 已经立项了对通感一体化的可行性研究，并于2022 年5 月发布了3GPP TR 22.837 技术报告的第一版，其中第5 节介绍了通感一体化的应用场景，列举如表1：

表1 3GPP TR 22.837 v0.1.0

第5节：通感一体化应用场景

本节简要介绍几个应用场景，其他不一一展开。目前开展研究最多的是针对无人机的感知，轨迹跟踪和碰撞避免，即上表中的5.10，5.12 和5.13。而国内华为已经在北京IMT-2020 怀柔外场完成面向5G-Advanced无人机通信感知一体技术的测试验证^[4]，成功验证了通感一体在低空无人机探测的应用，华为的测试采用毫米波频段的3GPP 5G 信号，测试结果表明，基站探测无人机的最远距离超过1200米；相对无人机系统的定位值，感知精度达到分米级，能够对直飞、小角度转弯、悬停回转、环绕飞行等动作下的无人机实现精准跟踪，感知结果与无人机系统的结果高度匹配，能稳定跟踪，其报道结果如图4 所示，实现了通感一体化的外场测试的良好结果。

图3 5G系统实现无人机入侵感知^[3]

但就目前来说，测试痛点在于，不可能每次测试或者算法验证都在外场进行，而且业界对感知能力的技术验证和测试大多基于实际物体，测试场景有限、模拟目标的数量单一并且设置不灵活。算法的完善、硬件的完善、信道模型的建设甚至更多实验的进行，都还依赖于实验室模拟环境的搭建。通感一体化应用中最重要的场景是实现定位的功能，尤其是对目标物体的定位，实现多个目标物体的距离、方位、速度等方面的探测。如果考虑到目标物体没有通信功能，移动特征又不相同，实现起来更加困难。这就需要一个功能强大，稳定性、精度等性能可以满足需求的测试方案，匹配真实场景对实现方案进行评估。针对不同的频段，通感一体机可能具有不同的应用场景。只支持单一频段的测试方案将大大增加研发成本。这就需要一套统一的感知测试方案，例如核心设备不变，配套设备可以灵活地根据频段需求进行配置。另外，针对毫米波或者太赫兹频段，传统的传导方式不再适用，即使是对感知功能的测试，也需要在暗室进行OTA测试。这也势必需要一个全新的暗室方案，针对通感一体化的需求进行测试。

图4 华为和IMT-2020(5G)推进组完成5G-Advanced无人机通感一体技术外场验证^[4]

因此建设适合实验室测试环境的通感一体化解决方案就提上日程。作为全球领先的测试厂商，罗德与施瓦(Rohde&Schwarz，以下简称R&S) 公司专注于测试与测量领域90多年，对于6G预研的测试环境搭建也责无旁贷，从2021年12月份开始和中国移动研究院研究如何在实验室搭建符合当前通感一体化预研需求的测试平台。经过大半年的尝试与努力，罗德与施瓦茨公司向中国移动研究院提供了全球第一套用于通感一体化测试的实验室原型机系统^[5]，双方借助在各自领域的优势，共同开展通感一体化技术研究和验证，并取得了一定成果。

3 通感一体化实验室测试方案

前述研究成果表述，目前国内通感一体化集中研究的频段在5G通信的毫米波频段即26GHz频段左右，该频段是3GPP中标准的5G FR2频段，国内还未开始商用。针对雷达目标模拟，R&S 司最新的动态目标模拟器R&S^® AREG800A可以生成多个具有不同距离、大小、径向速度和角方向的动态目标，并且可以通过增加前端数以实现更多目标的模拟。搭配适合不同频段的射频前端模块，可以实现基于Sub-6G、毫米波甚至太赫兹频段的通感一体化测试，同时需要把射频前端模块的变频损耗、变频时延、以及相位变化对目标模拟的影响考虑进去，在目标模拟器中做好相应的补偿。

R&S公司的动态目标模拟器R&S^® AREG800A是专门的目标模拟器，可轻松根据个人定制需求，满足当今和未来的测试要求，得益于其灵活的软件定义配置概念，R&S^®AREG800A可产生多个复杂的可变距离目标、具有径向速度和RCS的物体。它配合射频前端R&S®AREG8-24S/-24D可支持24 GHz汽车雷达频段，配合射频前端R&S^®AREG8-81S/-81D 或R&S^®QAT100先进天线阵列可支持 77 GHz/79 GHz 的，确保与未来的短程雷达传感器兼容及其应用，例如在避免碰撞方面系统。

R&S^®AREG800A满足苛刻的所有要求有目标回波的应用，例如在早期研发、芯片组开发期间模拟具有动态距离变化的物体，在ADAS/AD期间的硬件在环（HiL）测试用例功能和算法开发，具有真实驾驶的车辆在环（ViL）测试用例用于车辆认证的压路机测功机上的场景和认证，最先进的4D成像雷达传感器对雷达测试设备要求高，模拟角回波分布或多个来自单个方向的回波。可以生成多个复杂的目标的回波，可单独改变距离、径向速度和物体适用于高级汽车雷达测试用例的尺寸（RCS），与R&S^®QAT100 先进天线阵列配合使用，生成具有单个角度的人造物体基于ADAS/AD场景的测试方向。标准模拟目标距离范围一直可以远至几千米，最小目标距离可缩短至<4m，具有可选的内部模拟步进延迟线路，例如用于自动紧急制动（AEB）测试；专为场景生成而设计，模拟多达8个具有单独距离、物体大小的目标，径向速度和方位角方向当与R&S^®QAT100 一起使用。具有单独的距离，物体大小和径向速度与四个一起使用时最多32 个目标模拟^[6]。

图5 R&S公司的动态目标模拟器R&S^® AREG800A及其界面

R&S^®AREG800A支持输入的中频频率为0.7GHz to 5.7GHz，支持的最宽瞬时信号带宽是4GHz。由于移动通信的5G FR2毫米波频段在26 GHz频段和39 GHz频段左右，因此我们建议R&S^®AREG800A配合R&S公司射频前端FE44S使用，R&S^®FE44S毫米波前端支持24 GHz到44 GHz，宽带信号带宽目前支持到1 GHz，中频输入输出支持到4.1 GHz to 5.5 GHz。它既可以配置成中频到射频的变频发射，也可以配置成射频到中频的变频接收^[7]。

图6 R&S公司的射频前端R&S^® FE44S正面及背面

在使用R&S公司动态目标模拟器R&S^® AREG800A配合射频前端FE44S组成的通感一体化测试平台，连接如图7所示，使用一台AREG800A，配合两台FE44S，一个充当发射，一个充当接收，两个FE44S的10MHz参考通过功分器都连接到AREG800A的参考输出。下图中我们是使用信号源R&S^®SMA200A和频谱分析仪R&S^®FSW当作雷达，一发一收来模拟带感知功能的雷达的。我们可以使用信号源R&S^®SMA200A发射宽带的5G信号或者自定义的OFDM信号，频谱分析仪R&S^®FSW 来接收经过目标模拟器R&S^®AREG800A之后回来的回波信号，可以采集IQ数据进行算法的分析，得到目标具体、速度等，感知目标特征。同时，当信号源发CW信号时，还可以从频率仪读出多普勒频偏，如果有网络分析仪，还可以使用矢量网络分析仪测量出雷达发出信号和雷达收到信号之间的时延差。表上图8 是在2023 年巴萨罗那通信展上R&S 公司展出的通感一体化测试方案。

图7 R&S公司通感一体化测试方案连接示意图

为了能够更加真实评价通感一体化的性能指标，第一、需要考虑通信能力中的吞吐率、通信质量，各项射频指标；第二、是感知能力中的距离、速度、大小、精度和分辨率等指标；第三、需要验证整个系统的鲁棒性，此时需要可增加增加一台干扰源来模拟其他基站其他方向过来的干扰。

为了对设备进行详尽的验证，要求动态目标模拟器可以生成多个具有不同距离、大小、径向速度和角方向的动态目标，模拟4米至大于1000米距离的动态目标，信号带宽支持超宽带宽5GHz，满足6G测试需求。并且每组前端可同时配置多达八个独立的目标，并且可以通过增加前端数以实现更多目标的模拟。搭配不同的变频器模块，可以实现基于Sub-6G、毫米波甚至太赫兹频段的通感一体化测试。除此之外，通过增加矢量信号源以及信号与频谱分析仪，可以为通感一体化提供干扰叠加模拟与信号分析等验证能力。

图8 R&S公司在2023巴萨罗那通信展上展示6G通感一体化测试方案

4 结束语

R&S公司采用最新的R&S^® AREG800A作为目标模拟器，配合不同频段的射频前端模块，同时把射频前端模块的变频损耗、变频时延、以及相位变化对目标模拟的影响设计到系统里面去，构建了全球第一套商业化的通信感知一体化测试解决方案，实现了对目标对象距离，角度，速度等参数的模拟，从而验证了被测系统高精度定位目标对象的能力，该成果公开展示于2023 年巴萨罗那MWC 通信展、2023 年上海MWC 通信展、2023年10月份6G 通感一体化学术论坛等。后续的研究项目还在如火如荼的进行，采用不同波形感知的结果有何不同，适用于那种场景的感知，雷达回波的算法该采取何种算法才能有效提取出回波的信息，等等各种研究都可以采用该方案来更快、更有效率的加速通感一体化的研发进程，为6G 产业落地奠定基础。