面向无人机网络的通信感知一体化的高效能波形选择方法

面向无人机网络的通信感知一体化的高效能波形选择方法

张丽娜

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摘要：移动通信技术不断发展、空口能力不断增强，支撑移动网络实现从仅提供简单的语音、短信、数据服务，到实现万物互联的质的飞跃。另外，信息技术的不断革新，催生出人工智能、沉浸式体验和数字孪生等新需求与新业务，同时也对通信网络提出了更高的信息交互要求。日益增强的空口能力与全新的业务需求间呈现相互耦合与促进关系，驱动着面向2030年的下一代移动通信网络（6G）朝着构建多维能力体系的方向发展。除传统通信能力的提升之外，6G还将提供计算、感知、人工智能和安全等能力。其中，感知能力将成为未来移动通信网络的重要能力和特性，催生业务耦合与信息处理等6G基础新理论，构建内生感知新能力，使能基于位置、测距和成像等的新业务，同时还将支撑无人驾驶、无人制造等新业态，加速无线通信感知一体化技术的发展。

关键词：无人机通信；通信感知融合；波形选择机制；波形决策算法

引言

得益于频谱共享带来的优势，通信感知一体化技术被广泛应用于智慧家居、边缘智能、车联网等多个场景。在智慧家居应用场景中，传统的传感设备被赋予通信能力，同时移动热点的感知能力也得到提升。在边缘智能系统中，通信感知一体化技术被用于同时采集和传输数据，以加速模型训练。在车联网平台中，通信感知一体化技术被用于采集车队状态并促进车辆间的信息交互。

1通信感知一体化技术背景

感知与通信分别是信息处理的前端与中间环节，负责信息采集与信息传递，支撑后端的信息计算与应用。在传统信息处理流程中，感知与通信相对独立。蜂窝物联网、雷达互联网、无线传感网等技术与产业的发展，都延续了这种架构。这些网络不具备面向目标的感知功能，感知功能由终端负责。雷达是典型的无线感知终端，具有目标检测、定位、跟踪、识别和成像等功能，长期与通信独立发展。20世纪60年代，一种通过雷达脉冲间隔调制通信消息的雷达通信系统诞生，成为通信感知一体化技术（以下简称通感一体化）的源头。20世纪90年代后，通信体制开始向正交频分复用调制（OFDM）和多输入多输出（MIMO）发展。其中，OFDM成为通信主流波形。随后，MIMO技术也被引入雷达体制中，但在连续波体制雷达中，主流波形仍是Chirp信号。这个阶段，通感一体化的重点是以雷达为中心，通过基于Chirp信号的信息调制实现通信功能。在5G时代，5G新空口（NR）引入定位参考信号，实现了基站与终端的协同定位功能。此时，通感一体化开始以通信为中心，并进入网络感知阶段。随着超大规模天线通信与雷达、毫米波通信与雷达技术的发展，通信与感知两者技术特征、信道特征、应用场景越发相似，呈现体制化融合发展态势。同时，智能化、沉浸式、数字孪生等新兴业务的发展，极大提升了对目标的高精度探测、定位、识别、成像与大带宽、低时延信息传递等信息处理需求。因此，在蜂窝网络中，引入更强大的超越定位功能的感知能力，成为当前5G增强与6G预研的核心目标之一。太赫兹/可见光通感一体化开始受到关注。以网络感知为中心的通感一体化相关工作在中国通信标准化协会（CCSA）协会、IMT-2030（6G）推进组陆续展开。当前，人们对通感一体化技术的概念与内涵已达成初步共识，通感一体化技术体系正在逐步完善。外场测试工作正在进行中，包括定位、识别与成像。初步测试结果证明了通感一体化的可行性与性能增益。

2面向通信感知一体化的波形选择方案设计

2.1波形选择

通信感知一体化波形选择机制旨在无人机针对高动态飞行环境自适应调整其通感一体波形，使其实现综合能耗最优。常见的波形方案可以划分为多载波和单载波波形。当前学术界讨论较为广泛的波形包括ＯＦＤＭ族波形、广义频分复用波形（ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＧＦＤＭ）、椭圆球面波多载波索引调制波形、ＯＴＦＳ波形以及单载波的ＳＣ⁃ＦＤＥ波形。

2.2感知信息驱动的波形决策算法设计

感知信息驱动自适应波形选择机制的决策过程存在基于环境而行动，以期实现最大化预期收益的特征。该过程具有明显的函数映射形式的特征，然而目前对于该机制的映射数学表达形式并不很容易求得，这是受限于环境多变以及内部过于复杂的数值关系。因此本文考虑了两种较为便捷的映射表示形式。理想情况下如果无人机对于所有飞行环境都能存储与精准识别，以实现在不同场景下所使用波形的综合效能最优化，则此时可以认为是一种“理想判决”。但是由于实际场景过于复杂多变以至于实际构成的场景识别存储过于庞大，以至于无人机几乎不可能以静态的方式识别所有场景，因此“理想判决”并不能完全实现。

3通信感知一体化应用前景

3.1智享生活

依托未来6G移动通信网络，具有感知能力、认知能力的智能设备可为人们提供更为精细的手势/动作识别、生命体征全方位监测、目标定位与跟踪、环境重构等服务。例如，利用高精度目标定位和动作识别技术，用户可在增强/虚拟现实等业务场景中获得身临其境的多感官体验；通过感知人的行为和定位，可实现对家居设备的智能控制；当感知到存在入侵者时，可及时触发警报信息；利用无线感知网络实现用户呼吸、心率等体征的健康监测。

3.2社会治理

气候环境监测、公共安全管理是社会治理的重要方面。在气候环境监测场景中，借助现有无线网络的部署及覆盖能力，基站可通过发送通信感知一体化信号，结合水分子、灰尘及各类化学物质对无线信号衰减的特性，分析获得一体化信号强度等变化特性，从而构建覆盖区域的“指纹地图”，实现降水量、污染气体排放和空气质量的实时监测等。在公共安全管理方面，通过感知功能的实时探测，可以实现诸如台风预警、洪水预警和沙尘暴预警等功能，为灾害防范提前预留时间。

3.3工程设计

传统移动通信设备是专用设备，目前正在向通用开放设备形态发展。例如，以雷达为代表的感知设备一直是专用设备。通信设备与感知设备对相关器件参数与性能要求不一致。通常情况下，感知功能对设备和器件的参数与性能要求更为苛刻。这给通用化通信设备带来五大挑战：一是器件精度，尤其是模数转换（ADC）/模数转换（DAC）的量化精度、锁相环精度、时钟精度，要对标感知性能；二是信号处理时延抖动、高稳定的器件带来的成本挑战；三是快速傅里叶变换（FFT）点数与采样量化比特数存在感知精度与复杂度折中挑战；四是接收机灵敏度挑战；五是天线隔离度挑战，这是因为当通感一体化发送机与感知接收机同位置部署时，需要采用隔离方式减少通信感知间的干扰。在进行实际工程设计时，需要全面评估系统误差因素与非系统误差因素带来的影响。

结束语

本文针对无人机通信感知一体化场景下的综合能耗与时间开销的优化进行讨论，提出了一种波形选择机制以及一种主被动融合感知机制。通过联合考虑不同波形的算法复杂度、波形载荷能力、抗信道干扰能力等因素，引入了综合能耗性价比参量，进而得出动态场景下的最佳波形决策机制，可以提升５０％左右的综合能效比。

参考文献

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