6G通信感知一體化測試解決方案

摘要：羅德與施瓦茨公司創(chuàng)新性地提出基于目標(biāo)模擬器R&S^? AREG800A和5G毫米波射頻前端R&S^? FE44S的通感一體化實驗室測試解決方案，該方案可模擬目標(biāo)參數(shù)靈活多變，速度、RCS、距離均可設(shè)置，可設(shè)置多目標(biāo)，是全球儀表產(chǎn)商及設(shè)備商首次搭建成功通感一體化的實驗室測試方案，該成果已于2023年2月展示于2023巴塞羅那MWC(世界移動通信大會)、2023年6月展示于2023上海MWC(世界移動通信大會)、2023年10月份6G通感一體化學(xué)術(shù)論壇，并已成功經(jīng)應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界的6G研究，極大的解決了6G通感一體化測試的難題，加速了6G產(chǎn)業(yè)鏈的研究效率。

圖1 通信感知一體化的概念^[1]

1 通信感知一體化概述

通信感知一體化Integrated sensing and communication(ISAC)，簡稱通感一體化，是第6代移動通信技術(shù)( 以下簡稱“6G”) 的研究熱點之一，顧名思義就是通信和感知進行融合。通信行業(yè)的從業(yè)者對通信都有比較深的認知，而感知是指獲得外界物體的信息，包括但不限于位置、大小、速度、組成、形狀等等。感知可分為兩種，即被動感知和主動感知。被動感知是指設(shè)備不發(fā)射信號，只接收目標(biāo)對象發(fā)射的電磁波進行感知，也叫無源感知，比如天文學(xué)中的射電望遠鏡，感知天體發(fā)射的微弱電磁波，轉(zhuǎn)化成可識別的信號。主動感知最著名的技術(shù)就是通常意義上的雷達，設(shè)備發(fā)射電磁波，經(jīng)過目標(biāo)對象反射后，接收回波進行感知，即雷達類的感知技術(shù)。

對于在通信系統(tǒng)中加入感知功能，其初衷有三點：一是無線頻譜資源受限，下一代感知系統(tǒng)希望能夠復(fù)用無線通信系統(tǒng)的頻段，實現(xiàn)感知和通信頻譜共享，提高頻譜利用率。二是雷達系統(tǒng)和通信系統(tǒng)是非常類似的，有非常多的共同之處，例如硬件架構(gòu)、信號處理等方面都原理相通。這就為融入提供了可能，并且希望能夠不改動或者少改動現(xiàn)有系統(tǒng)。如果考慮要商用，這是無法避免的一個成本話題。這種一體化的設(shè)計能夠獲得“集成增益”；三是希望通信與感知系統(tǒng)能夠互惠互利，例如車聯(lián)網(wǎng)場景中，利用通信提供感知服務(wù)，利用感知輔助通信，利用雷達回波做跟蹤等，從而獲得一體化系統(tǒng)的“協(xié)作增益”。本文重點討論的即是在通信系統(tǒng)中加入感知功能的測試方案。

當(dāng)然在雷達產(chǎn)業(yè)界，也有學(xué)者提出雷達通信一體化的概念，即在雷達系統(tǒng)里面加上通信的功能，也可實現(xiàn)雷達系統(tǒng)中的互聯(lián)互通，尤其是在雷達廣泛應(yīng)用的抗震救災(zāi)、目標(biāo)監(jiān)測、地形測繪等領(lǐng)域都非常有意義^[2]。圖2是一種用于救災(zāi)的雷達通信一體化系統(tǒng)示意圖，飛機平臺搭載可以用于探測成像的合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)，在探索地形的同時與地面救援車輛保持通信，及時傳輸探測結(jié)果。如果雷達與通信系統(tǒng)各自分立，沒有進行一體化設(shè)計實現(xiàn)良好的兼容性，不僅會增加飛行平臺的載荷重量，還可能發(fā)生兩種功能互相干擾的情形，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能下降。

圖2 雷達通信一體化系統(tǒng)用于救災(zāi)

2 通信感知一體化目前的研究成果和測試痛點：

3GPP Release 19 已經(jīng)立項了對通感一體化的可行性研究，并于2022 年5 月發(fā)布了3GPP TR 22.837 技術(shù)報告的第一版，其中第5 節(jié)介紹了通感一體化的應(yīng)用場景，列舉如表1：

表1 3GPP TR 22.837 v0.1.0

第5節(jié)：通感一體化應(yīng)用場景

本節(jié)簡要介紹幾個應(yīng)用場景，其他不一一展開。目前開展研究最多的是針對無人機的感知，軌跡跟蹤和碰撞避免，即上表中的5.10，5.12 和5.13。而國內(nèi)華為已經(jīng)在北京IMT-2020 懷柔外場完成面向5G-Advanced無人機通信感知一體技術(shù)的測試驗證^[4]，成功驗證了通感一體在低空無人機探測的應(yīng)用，華為的測試采用毫米波頻段的3GPP 5G 信號，測試結(jié)果表明，基站探測無人機的最遠距離超過1200米；相對無人機系統(tǒng)的定位值，感知精度達到分米級，能夠?qū)χ憋w、小角度轉(zhuǎn)彎、懸停回轉(zhuǎn)、環(huán)繞飛行等動作下的無人機實現(xiàn)精準(zhǔn)跟蹤，感知結(jié)果與無人機系統(tǒng)的結(jié)果高度匹配，能穩(wěn)定跟蹤，其報道結(jié)果如圖4 所示，實現(xiàn)了通感一體化的外場測試的良好結(jié)果。

圖3 5G系統(tǒng)實現(xiàn)無人機入侵感知^[3]

但就目前來說，測試痛點在于，不可能每次測試或者算法驗證都在外場進行，而且業(yè)界對感知能力的技術(shù)驗證和測試大多基于實際物體，測試場景有限、模擬目標(biāo)的數(shù)量單一并且設(shè)置不靈活。算法的完善、硬件的完善、信道模型的建設(shè)甚至更多實驗的進行，都還依賴于實驗室模擬環(huán)境的搭建。通感一體化應(yīng)用中最重要的場景是實現(xiàn)定位的功能，尤其是對目標(biāo)物體的定位，實現(xiàn)多個目標(biāo)物體的距離、方位、速度等方面的探測。如果考慮到目標(biāo)物體沒有通信功能，移動特征又不相同，實現(xiàn)起來更加困難。這就需要一個功能強大，穩(wěn)定性、精度等性能可以滿足需求的測試方案，匹配真實場景對實現(xiàn)方案進行評估。針對不同的頻段，通感一體機可能具有不同的應(yīng)用場景。只支持單一頻段的測試方案將大大增加研發(fā)成本。這就需要一套統(tǒng)一的感知測試方案，例如核心設(shè)備不變，配套設(shè)備可以靈活地根據(jù)頻段需求進行配置。另外，針對毫米波或者太赫茲頻段，傳統(tǒng)的傳導(dǎo)方式不再適用，即使是對感知功能的測試，也需要在暗室進行OTA測試。這也勢必需要一個全新的暗室方案，針對通感一體化的需求進行測試。

圖4 華為和IMT-2020(5G)推進組完成5G-Advanced無人機通感一體技術(shù)外場驗證^[4]

因此建設(shè)適合實驗室測試環(huán)境的通感一體化解決方案就提上日程。作為全球領(lǐng)先的測試廠商，羅德與施瓦(Rohde&Schwarz，以下簡稱R&S) 公司專注于測試與測量領(lǐng)域90多年，對于6G預(yù)研的測試環(huán)境搭建也責(zé)無旁貸，從2021年12月份開始和中國移動研究院研究如何在實驗室搭建符合當(dāng)前通感一體化預(yù)研需求的測試平臺。經(jīng)過大半年的嘗試與努力，羅德與施瓦茨公司向中國移動研究院提供了全球第一套用于通感一體化測試的實驗室原型機系統(tǒng)^[5]，雙方借助在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，共同開展通感一體化技術(shù)研究和驗證，并取得了一定成果。

3 通感一體化實驗室測試方案

前述研究成果表述，目前國內(nèi)通感一體化集中研究的頻段在5G通信的毫米波頻段即26GHz頻段左右，該頻段是3GPP中標(biāo)準(zhǔn)的5G FR2頻段，國內(nèi)還未開始商用。針對雷達目標(biāo)模擬，R&S 司最新的動態(tài)目標(biāo)模擬器R&S^? AREG800A可以生成多個具有不同距離、大小、徑向速度和角方向的動態(tài)目標(biāo)，并且可以通過增加前端數(shù)以實現(xiàn)更多目標(biāo)的模擬。搭配適合不同頻段的射頻前端模塊，可以實現(xiàn)基于Sub-6G、毫米波甚至太赫茲頻段的通感一體化測試，同時需要把射頻前端模塊的變頻損耗、變頻時延、以及相位變化對目標(biāo)模擬的影響考慮進去，在目標(biāo)模擬器中做好相應(yīng)的補償。

R&S公司的動態(tài)目標(biāo)模擬器R&S^? AREG800A是專門的目標(biāo)模擬器，可輕松根據(jù)個人定制需求，滿足當(dāng)今和未來的測試要求，得益于其靈活的軟件定義配置概念，R&S^?AREG800A可產(chǎn)生多個復(fù)雜的可變距離目標(biāo)、具有徑向速度和RCS的物體。它配合射頻前端R&S?AREG8-24S/-24D可支持24 GHz汽車雷達頻段， 配合射頻前端R&S^?AREG8-81S/-81D 或R&S^?QAT100先進天線陣列可支持 77 GHz/79 GHz 的，確保與未來的短程雷達傳感器兼容及其應(yīng)用，例如在避免碰撞方面系統(tǒng)。

R&S^?AREG800A滿足苛刻的所有要求有目標(biāo)回波的應(yīng)用，例如在早期研發(fā)、芯片組開發(fā)期間模擬具有動態(tài)距離變化的物體，在ADAS/AD期間的硬件在環(huán)（HiL）測試用例功能和算法開發(fā)，具有真實駕駛的車輛在環(huán)（ViL）測試用例用于車輛認證的壓路機測功機上的場景和認證，最先進的4D成像雷達傳感器對雷達測試設(shè)備要求高，模擬角回波分布或多個來自單個方向的回波?？梢陨啥鄠€復(fù)雜的目標(biāo)的回波，可單獨改變距離、徑向速度和物體適用于高級汽車雷達測試用例的尺寸 （RCS）， 與R&S^?QAT100 先進天線陣列配合使用，生成具有單個角度的人造物體基于ADAS/AD場景的測試方向。標(biāo)準(zhǔn)模擬目標(biāo)距離范圍一直可以遠至 幾千米， 最小目標(biāo)距離可縮短至<4m，具有可選的內(nèi)部模擬步進延遲線路，例如用于自動緊急制動（AEB）測試；專為場景生成而設(shè)計，模擬多達8個具有單獨距離、物體大小的目標(biāo)，徑向速度和方位角方向當(dāng)與R&S^?QAT100 一起使用。具有單獨的距離，物體大小和徑向速度與四個一起使用時最多32 個目標(biāo)模擬^[6]。

圖5 R&S公司的動態(tài)目標(biāo)模擬器R&S^? AREG800A及其界面

R&S^?AREG800A支持輸入的中頻頻率為0.7GHz to 5.7GHz，支持的最寬瞬時信號帶寬是4GHz。由于移動通信的5G FR2毫米波頻段在26 GHz頻段和39 GHz頻段左右，因此我們建議R&S^?AREG800A配合R&S公司射頻前端FE44S使用，R&S^?FE44S毫米波前端支持24 GHz到44 GHz，寬帶信號帶寬目前支持到1 GHz，中頻輸入輸出支持到4.1 GHz to 5.5 GHz。它既可以配置成中頻到射頻的變頻發(fā)射，也可以配置成射頻到中頻的變頻接收^[7]。

圖6 R&S公司的射頻前端R&S^? FE44S正面及背面

在使用R&S公司動態(tài)目標(biāo)模擬器R&S^? AREG800A配合射頻前端FE44S組成的通感一體化測試平臺，連接如圖7所示，使用一臺AREG800A，配合兩臺FE44S，一個充當(dāng)發(fā)射，一個充當(dāng)接收，兩個FE44S的10MHz參考通過功分器都連接到AREG800A的參考輸出。下圖中我們是使用信號源R&S^?SMA200A和頻譜分析儀R&S^?FSW當(dāng)作雷達，一發(fā)一收來模擬帶感知功能的雷達的。我們可以使用信號源R&S^?SMA200A發(fā)射寬帶的5G信號或者自定義的OFDM信號， 頻譜分析儀R&S^?FSW 來接收經(jīng)過目標(biāo)模擬器R&S^?AREG800A之后回來的回波信號，可以采集IQ數(shù)據(jù)進行算法的分析，得到目標(biāo)具體、速度等，感知目標(biāo)特征。同時，當(dāng)信號源發(fā)CW信號時，還可以從頻率儀讀出多普勒頻偏，如果有網(wǎng)絡(luò)分析儀，還可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量出雷達發(fā)出信號和雷達收到信號之間的時延差。表上圖8 是在2023 年巴薩羅那通信展上R&S 公司展出的通感一體化測試方案。

圖7 R&S公司通感一體化測試方案連接示意圖

為了能夠更加真實評價通感一體化的性能指標(biāo)，第一、需要考慮通信能力中的吞吐率、通信質(zhì)量，各項射頻指標(biāo)；第二、是感知能力中的距離、速度、大小、精度和分辨率等指標(biāo)；第三、需要驗證整個系統(tǒng)的魯棒性，此時需要可增加增加一臺干擾源來模擬其他基站其他方向過來的干擾。

為了對設(shè)備進行詳盡的驗證，要求動態(tài)目標(biāo)模擬器可以生成多個具有不同距離、大小、徑向速度和角方向的動態(tài)目標(biāo) ，模擬4米至大于1000米距離的動態(tài)目標(biāo)，信號帶寬支持超寬帶寬5GHz，滿足6G測試需求。并且每組前端可同時配置多達八個獨立的目標(biāo)，并且可以通過增加前端數(shù)以實現(xiàn)更多目標(biāo)的模擬。搭配不同的變頻器模塊，可以實現(xiàn)基于Sub-6G、毫米波甚至太赫茲頻段的通感一體化測試。除此之外，通過增加矢量信號源以及信號與頻譜分析儀，可以為通感一體化提供干擾疊加模擬與信號分析等驗證能力。

圖8 R&S公司在2023巴薩羅那通信展上展示6G通感一體化測試方案

4 結(jié)束語

R&S公司采用最新的R&S^? AREG800A作為目標(biāo)模擬器，配合不同頻段的射頻前端模塊，同時把射頻前端模塊的變頻損耗、變頻時延、以及相位變化對目標(biāo)模擬的影響設(shè)計到系統(tǒng)里面去，構(gòu)建了全球第一套商業(yè)化的通信感知一體化測試解決方案，實現(xiàn)了對目標(biāo)對象距離，角度，速度等參數(shù)的模擬，從而驗證了被測系統(tǒng)高精度定位目標(biāo)對象的能力，該成果公開展示于2023 年巴薩羅那MWC 通信展、2023 年上海MWC 通信展、2023年10月份6G 通感一體化學(xué)術(shù)論壇等。后續(xù)的研究項目還在如火如荼的進行，采用不同波形感知的結(jié)果有何不同，適用于那種場景的感知，雷達回波的算法該采取何種算法才能有效提取出回波的信息，等等各種研究都可以采用該方案來更快、更有效率的加速通感一體化的研發(fā)進程，為6G 產(chǎn)業(yè)落地奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] Enabling Joint Communication and Radar Sensing in Mobile Networks -A Survey，IEEE Communications Surveys and Tutorials, Oct. 2021

[2]一種基于OFDM-chirp的雷達通信一體化波形設(shè)計與處理方法,雷達學(xué)報,第10卷第3期,2021年6月

[3] 3GPP TR 22.837 Feasibility Study on Integrated Sensing and Communication v0.10 (Release 19)

[4] 華為首家完成IMT-2020(5G)推進組5G-Advanced無人機通感一體技術(shù)測試驗證,中國日報,2022年7月15日

[5] 羅德與施瓦茨聯(lián)合中國移動研究院開展6G通感一體化早期研究及驗證,2022年7月27日,http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic617422.html

[6]羅德與施瓦茨 R&S^? AREG800A產(chǎn)品手冊, www.rohdeschwarz.com

[7] 羅德與施瓦茨 R&S^? FE44S產(chǎn)品手冊, www.rohde-schwarz.com

（本文來源于《EEPW》2024.4）