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(shí)驗室測試解決方案，該方案可模擬目標參數靈活多變，速度、RCS、距離均可設置，可設置多目標，是全球儀表產(chǎn)商及設備商首次搭建成功通感一體化的實(shí)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(dòng)通信大會(huì ))、2023年6月展示于2023上海MWC(世界移動(dòng)通信大會(huì ))、2023年10月份6G通感一體化學(xué)術(shù)論壇，并已成功經(jīng)應用于產(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(jiǎn)稱(chēng)通感一體化，是第6代移動(dòng)通信技術(shù)( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)“6G”) 的研究熱點(diǎn)之一，顧名思義就是通信和感知進(jìn)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(dòng)感知和主動(dòng)感知。被動(dòng)感知是指設備不發(fā)射信號，只接收目標對象發(fā)射的電磁波進(jìn)行感知，也叫無(wú)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，轉化成可識別的信號。主動(dòng)感知最著(zhù)名的技術(shù)就是通常意義上的雷達，設備發(fā)射電磁波，經(jīng)過(guò)目標對象反射后，接收回波進(jìn)行感知，即雷達類(lèi)的感知技術(shù)。

對于在通信系統中加入感知功能，其初衷有三點(diǎn)：一是無(wú)線(xiàn)頻譜資源受限，下一代感知系統希望能夠復用無(wú)線(xiàn)通信系統的頻段，實(shí)現感知和通信頻譜共享，提高頻譜利用率。二是雷達系統和通信系統是非常類(lèi)似的，有非常多的共同之處，例如硬件架構、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(dòng)或者少改動(dòng)現有系統。如果考慮要商用，這是無(wú)法避免的一個(gè)成本話(huà)題。這種一體化的設計能夠獲得“集成增益”；三是希望通信與感知系統能夠互惠互利，例如車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)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的“協(xié)作增益”。本文重點(diǎn)討論的即是在通信系統中加入感知功能的測試方案。

當然在雷達產(chǎn)業(yè)界，也有學(xué)者提出雷達通信一體化的概念，即在雷達系統里面加上通信的功能，也可實(shí)現雷達系統中的互聯(lián)互通，尤其是在雷達廣泛應用的抗震救災、目標監測、地形測繪等領(lǐng)域都非常有意義^[2]。圖2是一種用于救災的雷達通信一體化系統示意圖，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(shí)與地面救援車(chē)輛保持通信，及時(shí)傳輸探測結果。如果雷達與通信系統各自分立，沒(méi)有進(jìn)行一體化設計實(shí)現良好的兼容性，不僅會(huì )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，導致系統的整體性能下降。

圖2 雷達通信一體化系統用于救災

2 通信感知一體化目前的研究成果和測試痛點(diǎn)：

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 節介紹了通感一體化的應用場(chǎng)景，列舉如表1：

表1 3GPP TR 22.837 v0.1.0

第5節：通感一體化應用場(chǎng)景

本節簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)應用場(chǎng)景，其他不一一展開(kāi)。目前開(kāi)展研究最多的是針對無(wú)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。而國內華為已經(jīng)在北京IMT-2020 懷柔外場(chǎng)完成面向5G-Advanced無(wú)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(wú)人機探測的應用，華為的測試采用毫米波頻段的3GPP 5G 信號，測試結果表明，基站探測無(wú)人機的最遠距離超過(guò)1200米；相對無(wú)人機系統的定位值，感知精度達到分米級，能夠對直飛、小角度轉彎、懸?；剞D、環(huán)繞飛行等動(dòng)作下的無(wú)人機實(shí)現精準跟蹤，感知結果與無(wú)人機系統的結果高度匹配，能穩定跟蹤，其報道結果如圖4 所示，實(shí)現了通感一體化的外場(chǎng)測試的良好結果。

圖3 5G系統實(shí)現無(wú)人機入侵感知^[3]

但就目前來(lái)說(shuō)，測試痛點(diǎn)在于，不可能每次測試或者算法驗證都在外場(chǎng)進(jìn)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(shí)際物體，測試場(chǎng)景有限、模擬目標的數量單一并且設置不靈活。算法的完善、硬件的完善、信道模型的建設甚至更多實(shí)驗的進(jìn)行，都還依賴(lài)于實(shí)驗室模擬環(huán)境的搭建。通感一體化應用中最重要的場(chǎng)景是實(shí)現定位的功能，尤其是對目標物體的定位，實(shí)現多個(gè)目標物體的距離、方位、速度等方面的探測。如果考慮到目標物體沒(méi)有通信功能，移動(dòng)特征又不相同，實(shí)現起來(lái)更加困難。這就需要一個(gè)功能強大，穩定性、精度等性能可以滿(mǎn)足需求的測試方案，匹配真實(shí)場(chǎng)景對實(shí)現方案進(jìn)行評估。針對不同的頻段，通感一體機可能具有不同的應用場(chǎng)景。只支持單一頻段的測試方案將大大增加研發(fā)成本。這就需要一套統一的感知測試方案，例如核心設備不變，配套設備可以靈活地根據頻段需求進(jìn)行配置。另外，針對毫米波或者太赫茲頻段，傳統的傳導方式不再適用，即使是對感知功能的測試，也需要在暗室進(jìn)行OTA測試。這也勢必需要一個(gè)全新的暗室方案，針對通感一體化的需求進(jìn)行測試。

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

因此建設適合實(shí)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(chǎng)商，羅德與施瓦(Rohde&Schwarz，以下簡(jiǎn)稱(chēng)R&S) 公司專(zhuān)注于測試與測量領(lǐng)域90多年，對于6G預研的測試環(huán)境搭建也責無(wú)旁貸，從2021年12月份開(kāi)始和中國移動(dòng)研究院研究如何在實(shí)驗室搭建符合當前通感一體化預研需求的測試平臺。經(jīng)過(guò)大半年的嘗試與努力，羅德與施瓦茨公司向中國移動(dòng)研究院提供了全球第一套用于通感一體化測試的實(shí)驗室原型機系統^[5]，雙方借助在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，共同開(kāi)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(shí)驗室測試方案

前述研究成果表述，目前國內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中標準的5G FR2頻段，國內還未開(kāi)始商用。針對雷達目標模擬，R&S 司最新的動(dòng)態(tài)目標模擬器R&S^? AREG800A可以生成多個(gè)具有不同距離、大小、徑向速度和角方向的動(dòng)態(tài)目標，并且可以通過(guò)增加前端數以實(shí)現更多目標的模擬。搭配適合不同頻段的射頻前端模塊，可以實(shí)現基于Sub-6G、毫米波甚至太赫茲頻段的通感一體化測試，同時(shí)需要把射頻前端模塊的變頻損耗、變頻時(shí)延、以及相位變化對目標模擬的影響考慮進(jìn)去，在目標模擬器中做好相應的補償。

R&S公司的動(dòng)態(tài)目標模擬器R&S^? AREG800A是專(zhuān)門(mén)的目標模擬器，可輕松根據個(gè)人定制需求，滿(mǎn)足當今和未來(lái)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(gè)復雜的可變距離目標、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(chē)雷達頻段， 配合射頻前端R&S^?AREG8-81S/-81D 或R&S^?QAT100先進(jìn)天線(xiàn)陣列可支持 77 GHz/79 GHz 的，確保與未來(lái)的短程雷達傳感器兼容及其應用，例如在避免碰撞方面系統。

R&S^?AREG800A滿(mǎn)足苛刻的所有要求有目標回波的應用，例如在早期研發(fā)、芯片組開(kāi)發(fā)期間模擬具有動(dòng)態(tài)距離變化的物體，在A(yíng)DAS/AD期間的硬件在環(huán)（HiL）測試用例功能和算法開(kāi)發(fā)，具有真實(shí)駕駛的車(chē)輛在環(huán)（ViL）測試用例用于車(chē)輛認證的壓路機測功機上的場(chǎng)景和認證，最先進(jìn)的4D成像雷達傳感器對雷達測試設備要求高，模擬角回波分布或多個(gè)來(lái)自單個(gè)方向的回波?？梢陨啥鄠€(gè)復雜的目標的回波，可單獨改變距離、徑向速度和物體適用于高級汽車(chē)雷達測試用例的尺寸 （RCS）， 與R&S^?QAT100 先進(jìn)天線(xiàn)陣列配合使用，生成具有單個(gè)角度的人造物體基于A(yíng)DAS/AD場(chǎng)景的測試方向。標準模擬目標距離范圍一直可以遠至 幾千米， 最小目標距離可縮短至<4m，具有可選的內部模擬步進(jìn)延遲線(xiàn)路，例如用于自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）測試；專(zhuān)為場(chǎng)景生成而設計，模擬多達8個(gè)具有單獨距離、物體大小的目標，徑向速度和方位角方向當與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(gè)一起使用時(shí)最多32 個(gè)目標模擬^[6]。

圖5 R&S公司的動(dòng)態(tài)目標模擬器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(shí)信號帶寬是4GHz。由于移動(dòng)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(dòng)態(tài)目標模擬器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(gè)充當發(fā)射，一個(gè)充當接收，兩個(gè)FE44S的10MHz參考通過(guò)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當作雷達，一發(fā)一收來(lái)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(lái)接收經(jīng)過(guò)目標模擬器R&S^?AREG800A之后回來(lái)的回波信號，可以采集IQ數據進(jìn)行算法的分析，得到目標具體、速度等，感知目標特征。同時(shí)，當信號源發(fā)CW信號時(shí)，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(shí)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(shí)評價(jià)通感一體化的性能指標，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；第二、是感知能力中的距離、速度、大小、精度和分辨率等指標；第三、需要驗證整個(gè)系統的魯棒性，此時(shí)需要可增加增加一臺干擾源來(lái)模擬其他基站其他方向過(guò)來(lái)的干擾。

為了對設備進(jìn)行詳盡的驗證，要求動(dòng)態(tài)目標模擬器可以生成多個(gè)具有不同距離、大小、徑向速度和角方向的動(dòng)態(tài)目標 ，模擬4米至大于1000米距離的動(dòng)態(tài)目標，信號帶寬支持超寬帶寬5GHz，滿(mǎn)足6G測試需求。并且每組前端可同時(shí)配置多達八個(gè)獨立的目標，并且可以通過(guò)增加前端數以實(shí)現更多目標的模擬。搭配不同的變頻器模塊，可以實(shí)現基于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(guò)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 結束語(yǔ)

R&S公司采用最新的R&S^? AREG800A作為目標模擬器，配合不同頻段的射頻前端模塊，同時(shí)把射頻前端模塊的變頻損耗、變頻時(shí)延、以及相位變化對目標模擬的影響設計到系統里面去，構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(shí)現了對目標對象距離，角度，速度等參數的模擬，從而驗證了被測系統高精度定位目標對象的能力，該成果公開(kāi)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。后續的研究項目還在如火如荼的進(jìn)行，采用不同波形感知的結果有何不同，適用于那種場(chǎng)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(lái)更快、更有效率的加速通感一體化的研發(fā)進(jìn)程，為6G 產(chǎn)業(yè)落地奠定基礎。

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(jìn)組5G-Advanced無(wú)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(dòng)研究院開(kāi)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(lái)源于《EEPW》2024.4）