通感一体化的测试痛点及解决方案

01什么是“通感一体化”?

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”是指对信息进行传输，我们上大学时学过樊昌信的《通信原理》，上面描述通信是指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递。而“感知”呢?它是一个认知学名词，我们身体上的每一个器官接受外接的信号并转换成为感觉信号，再经由大脑进行处理，带来了对外界事物信息的感知，包括但不限于位置、大小、速度、组成、形状等等。随着科技的发展，我们感知外界事物的方法变得多样化，除了通过自身器官感知之外，还能借助一系列其他手段感知外界事物，比如借助无线电感知，就是雷达Radar(RAdio Detection And Aanging);比如借助激光感知，就是Lidar(Light Detection And Ranging) ;比如借助声波感知，就是声纳Sonar(Sound Navigation And Ranging)。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，雷达设备发射电磁波，经过目标对象反射后，接收目标的回波进行感知。因此，感知领域最广为人知的就是雷达了。

通感一体化就是在下一代无线通信系统中复用无线资源进行感知，利用通信系统提供感知服务，利用一套基础建设搭建通信和感知两张网络，实现通信与感知两种业务的深度复用，构建移动通信的新范式，拓展无线通信的功能边界。

通感一体化作为下一代移动通信的研究热点之一，其设计初衷有以下三点：

雷达系统和通信系统是颇有渊源的，有非常多的共同之处，例如硬件架构、信号处理等方面非常类似。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“增益”。

无线频谱资源是有限的，下一代无线通信系统希望实现感知，最理想的就是复用现在的通信频段，实现感知和通信频谱共享，提高频谱利用率。

希望通信与感知系统能够互惠互利，让无线通信和无线感知两个功能在同一系统中能实现共享，利用通信提供感知服务，同时，感知服务反馈通信，提高服务质量，从而获得一体化系统的“协作增益”。

02通感一体化的标准化进展、产业界现状及潜在落地的应用场景

标准化方面，国内IMT-2020(5G)和IMT-2030(6G)专门成立了研究通感一体化的攻关小组，积极研究通感一体的技术方案。2022 至2023 年间，连续发布了《5G-Advanced 通感融合场景需求研究报告》、《通信感知一体化技术研究报告》、《通感融合系统设计研究报告》等相关文献。国际通信标准化3GPP(3rd Generation Partnership Project)组织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，近两年又增加了对感知信道模型和网络架构等前沿研究。

近年来通感一体化逐渐从学术界延申到产业界生根发芽。基于雷达的目标感知和目标成像在雷达领域是比较成熟的，且应用于汽车雷达、合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)等领域。借助于雷达领域的成熟技术，产学研各界将感知移植到无线通信领域中，在近年来取得了一系列的研究成果。以基站设备商、运营商为代表的产业界在过去两年投入了巨大的精力和资源，成功进行了一系列实验。目前国内通感一体化集中研究的频段两个频段，一个是在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。一个是在5G通信的FR1频段，目前集中在4.9GHz，该频段主要由工信部部署给中国移动运营商使用。2024年5月起，中国移动组织各大基站设备商以FR1 4.9GHz为代表、FR2毫米波为辅助进行了集中的实验室新技术实验，外场环境试验，在全球范围内首先启动4.9GHz 通感一体规模组网试点，计划在不少于十个省份，部署数百站规模，探索商业落地模式。2024年6月中国电信和中国联通也启动了针对于毫米波的通感一体化新技术实验室实验和外场试验，探索基站部署方式。

在通感一体化的落地应用方面，目前越来越明确。中国运营商针对中国国情，提出了三个方面的落地应用：

1低空经济

低空经济是以各种有人驾驶和无人驾驶航空器的各类低空飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态，涉及居民消费和工业应用两大场景。“低空经济”在2024年3月全国两会首次写入政府工作报告。近日，工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局印发《通用航空装备创新应用实施方案(2024—2030年)》(以下简称《方案》)，提出到2030年，推动低空经济形成万亿级市场规模。城市部署的现成的密集基站的覆盖可利用现有资源有效形成对难以捕捉的低空飞行器的实时跟踪和路线规划，基于地面基站的通感一体化的低空安防、低空物流跟踪、地空一体化协同监管将会成为低空经济增长的强大推动力。同时，2024 年1 月，国务院、中央军委联合颁布的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》正式施行，标志着我国无人机产业进入“有法可依”规范化发展新阶段。

2航道管理

航道是国家重要的公益性交通基础设施，是综合交通运输体系的重要组成部分。交通运输部关于加强“十四五”期全国航道管理工作的意见指出，我国航道养护里程稳定在10.8万公里左右，内河航道一类养护达到2.4万公里，力争内河高等级航道电子航道图覆盖率60%以上。目前的船舶交通管理系统(Vessel Traffic Services, VTS)通过船只上报信息、雷达与视频联动等方式获取船只位置，但对于船只拒不上报、雷达近处感知盲区等场景仍需进一步提升。基于航道周边部署的基站的通感一体化技术具备全天候作业、无需船只上报、无需船只配合、信号覆盖连续等优势，可进一步强化航道畅通保障能力，强化航道规范管理，推进智慧航道发展，推进航道基础设施信息数字化，逐步实现全国内河高等级航道“一张图”覆盖。

3海洋监测

我国作为海洋大国,近年来海洋事业在国家发展中 的战略地位和作用日益凸显。由于历史原因和国际政治风云变化,我国近海权益面临错综复杂的形势, 资源盗采、非法测绘、非法捕捞、非法闯入、非法通行等行为频发, 我国大部分管辖近海尚未实现全面监控,只能依靠执法船巡航、近岸监控视频、卫星遥感等手段予以应对, 各种监视系统间缺乏信息共享，协同监视能力弱、时效性差。基于近海基站、海洋岛屿 基站的通感一体化技术可有效解决船只不配合应答、全天候、全气象条件下的智慧海洋监测。早在2019年我国最南端的三沙市即部署了5G基站， 借助于通感一体化技术，这些部署在天之涯海之角岛礁上的通信基站将会发挥巨大的监管作用，有助于我国建成海洋强国。

03通感一体化的测试痛点及解决方案

技术落地，测试先行。通感一体化是一项全新的融合技术，给相应的测试带来了巨大的挑战。首先，研究人员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，通感一体化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FR1频段，由于暗室尺寸太大，OTA的方案成本太高，需要采用传导的方案进行测试，而针对FR2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。同时，在验证通感一体化算法和信号质量验证方面，也需要有能产生通感一体化波形和信号质量分析的平台来评估其算法的性能和波形质量的性能。因此迫切需要建设一套适合实验室测试环境的通感一体化解决方案。

罗德与施瓦茨 (Rohde & Schwarz，以下简称R&S) 公司专注于测试与测量领域90多年，对于通感一体化的测试验证早在从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。目前在目标模拟、信号产生和信号分析方面都有相应的解决方案。

1目标模拟解决方案

针对于目标模拟，R&S公司最新的动态目标模拟器R&S AREG800A是专门的目标模拟器，可以轻松根据用户需求，产生多个具有不同距离、大小、速度的目标, 不仅可以模拟静态目标场景，还可以模拟动态目标场景，例如多个目标同时运动，有些目标运动、有些目标静止的场景。可以搭配适合不同频段的射频前端模块，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。它的主机支持频率0.7GHz到5.7GHz，适合于5G FR1频段的通感一体化实验;配合R&S公司射频前端FE44S 使用，可支持5G毫米波24-44GHz的通感一体化测试;配合R&SAREG8-24S/-24D可支持24 GHz汽车雷达频段，配合射频前端R&SAREG8-81S/-81D或R&SQAT100先进天线阵列可支持 77 GHz/79 GHz 的汽车雷达频段，确保与未来的短程雷达传感器兼容，满足当今和未来的测试要求。

图4 R&S公司的动态目标模拟器R&S AREG800A及其界面

图5 R&S公司的射频前端R&S FE44S正面及背面

R&SAREG800A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 通感一体化的早期验证期间的感知波形验证、感知算法开发、感知精度和实时性验证、分辨率验证功能等，其模拟的目标距离最小可短至< 4 m，利用可选的内部模拟步进延迟线路，用于验证例金距离的感知测试;最远距离目前已经拓展到20km，用于海域场景的目标感知，专为远距离感知场景而设计。同时，为了应对可能的重叠目标，目标距离的分辨率达到厘米级。模拟多达8个具有单独距离、物体大小的目标，具有单独的距离，物体大小和径向速度在单个通道上一起使用时最多32个目标模拟，充分满足大规模目标虚警率和误警率的测试。基于FPGA强力的运算能力，多普勒速度的模拟能力最大可达到500km/h，与此同时，多普勒速度的分辨精度达到<0.001 km/h。目标信息的更新率在通用情况下可达10ms/次，如果使用实时硬件在环环境，则目标刷新率可达到0.1ms/次。

通感一体化目标模拟方案在OTA场景中如下图，目标模拟器模拟目标的距离，速度，和RCS，而天线的波束方向模拟目标的回波方向。对于FR1的通感一体化，R&S公司目标模拟器R&S AREG800A主机直接支持。对于毫米波通感一体化，R&S公司动态目标模拟器R&S AREG800A配合射频前端FE44S，实现到毫米波的变频，组成的通感一体化测试平台，使用一台AREG800A，配合两台FE44S，一个充当发射，一个充当接收，通过天线来实现回波的方向，如图6所示，从而实现一台主机同时支持FR1和FR2。

图6 R&S公司通感一体化OTA测试方案连接示意图

而FR1频段业界目前建议采用传导测试。因为FR1频段的几种天线尺寸大，如果要采取OTA测量，则要求远场的距离要求大于45米，需要的暗室场地太大;同时，如果采取紧缩场，目标的方向性只能在径向上得到模拟，其他方向无法模拟。通感一体化目标模拟方案的传导测试连接如下图7所示，R&S公司动态目标模拟器R&S AREG800A接收FR1基站信号做目标模拟，可以模拟4m~3000m的目标，每个通道可以模拟8个目标，每个目标的RCS， 速度，距离都可单独设置。对于Sub 6GHz的信号，单机可模拟4个通道。因此最多可模拟32个目标。目前对远距离的目标已经能模拟20km的目标。因为没有天线来模拟目标的回波方向，所以要加上移相器矩阵来模拟目标的方向。这对模拟器提出了巨大的挑战，因为运动目标的速度、距离和方位是同时变化的，要求模拟器能和移相器进行同步。目前AREG800A模拟器已经能实现模拟器输出trigger，也能接收外部发出的trigger，实现了模拟器和移相器的同步。输出的Trigger和来自外部的trigger都可以自由设置trigger offset，用于补充路径上可能有的延迟，实现精确的触发测量。在基站传导的灵敏度测试用例中，也能接收来自基站发出的trigger，实现精确的灵敏度测试。

图7 R&S公司 FR1通感一体化传导测试方案连接示意图

图8是在2024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，在方案中，使用了信号源R&SSMA200A和频谱分析仪R&SFSW当作雷达，一发一收来模拟带感知功能的雷达的。信号源R&SSMW200A发射宽带的5G信号混合线性调频信号的通感一体化的信号，频谱分析仪R&SFSW来接收经过目标模拟器R&S AREG800A之后回来的回波信号，采集IQ数据进行相关的算法分析，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。

图8 R&S公司在2024巴萨罗那通信展上展示毫米波通感一体化测试方案

对于目标的运动轨迹，模拟器呈现的是基站的本地坐标系，即基站的天线阵列中心为原点的距离、方位。基站对目标的感知通常上报的是目标的经纬高度信息，因此需要模拟器能够把目标的运动轨迹和经纬度信息关联起来。R&S AREG800A已经能够把目标的运动轨迹和通用的经纬高度信息关联。如图9，以基站天线阵列的中心为原点，站心坐标系采取正东向为x轴，正北向为y轴，指向天空为z轴，那么在AREG800A上的运动轨迹在本地坐标系的任意时刻位置可以描述出，该轨迹可以转换成全球通用的WGS-84地心坐标系坐标，即GPS通用的经度、纬度、海拔高度信息。该值可为仪表提供的轨迹真值，可与基站定位上报的目标经纬度度信息对比，即可测量出运动轨迹的定位误差。同样，对于外场真实目标通过GPS接收机接收到的真实运动轨迹(包含有经度、纬度、海拔高度信息)，也转变成以基站为参考视角的本地运动轨迹，导进入目标模拟器来进行模拟。

图9 R&S AREG800A模拟器的目标运动轨迹与全球地理坐标WGS-84坐标的互相转换

2信号生成解决方案

通感一体化技术落地的一个关键点在于如何在现行通信系统中加入感知信号。当前4G、5G通信系统采用的都是采用的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)信号。OFDM信号若用作感知波形，其优点是不存在近端盲区，但收发难以隔离，为保证收发隔离度，发射功率较低、覆盖距离有限。考虑到雷达系统常用的信号是线性调频脉冲(Chirp 脉冲)，其感知覆盖范围可达千米，但存在近端盲区。中国运营商提出通过线性调频脉冲和OFDM符号相结合的混合信号做为感知信号，融合通信和雷达两种波形技术优势，OFDM符号覆盖近距离、脉冲覆盖远距离，实现远近连续覆盖。目前中国移动首创提出可扩展的通感融合帧结构，以N79 频段典型2.5ms 双周期DDDSUDDSUU 帧结构为例，将感知脉冲承载于下行时隙的开头部分4个符号，确保规避远端干扰;感知脉冲后3 个符号灵活选取是用脉冲还是OFDM符号，OFDM符号可用于近距离，覆盖近远距离的需求;如果需要感知的目标位于海域距离比较远(例如20km)时，则将这三个符号用于脉冲，可覆盖超远距离的目标感知。这样灵活选取的结构开销非常低，满足感知和通信同时工作的平衡。

图10 中国移动提出的“4P3C”典型通感一体化帧结构

在通感一体化基站原型机验证中，通常需要加入邻小区的通感信号来模拟对其他小区通信和感知的干扰。那么这样的信号如何产生?R&S公司先进的矢量信号源SMW200A采用灵活的模块化设计，既能产生复杂的标准通信信号如2G/3G/4G/5G，又能产生自定义的OFDM信号，还有强大的脉冲序列模拟软件Pulse sequencer，非常适合产生通感一体化波形的前期验证和干扰产生。

以“4P3C”信号为例，为了能产生通感一体化信号波形，我们需要分别产生三个方面的信号，分别是通信信号(例如2.5ms 双周期DDDSUDDSUU 帧结构的信号)、用于感知的“4P”(即4个符号的Chirp脉冲)、用于感知的“3C”(即3个符号的OFDM感知信号)。然后在Pulse sequencer软件中合成。

通信信号的产生需要用到SMW K144 5G选件，设置好小区ID号，按照2.5ms 双周期DDDSUDDSUU 帧结构，空出每个2.5ms的前7个符号，如图11。

图11：R&S SMW200A K144 5G选件产生通感一体化信号的通信信号

“3C”感知信号即后面的3个OFDM感知符号，可以用R&S SMW200A K114自定义OFDM选件产生。该选件可以任意设置OFDM信号的子载波间隔，循环前缀，信号长度，Pilot和Data的调制方式等。如下图12，我们设置OFDM的子载波间隔为30kHz，子载波数为3300，CP长度为281 sample，长度3个符号，一个pilot，两个Data。总长度107.2us。

图12：R&S SMW200A K114 自定义OFDM选件产生通感一体化信号的OFDM感知信号

“4P”感知信号即4个符号的Chirp脉冲的产生需要用到Pulse Sequencer软件，打开脉冲设置界面，可以设置脉宽，脉冲周期。在Pulse Sequencer软件中把刚才生成的几个波形按时间要求的顺序排列在一起，然后把第一个波形(即Pulse)生成一个Marker供波形触发输出用，其他波形的Marker去掉。最后可以生成一个“4P3C感知+通信”的通感一体化信号，导入到信号源SMW200A中播放，即可由信号源发出通感一体化信号，模拟邻小区干扰。

图13：R&S Pulse Sequencer软件产生Chirp脉冲, 编辑叠加其他信号并产生通感一体化波形

3

信号分析解决方案

基站产生的通感一体化信号中，由于线性调频脉冲为了测远距离，可能功率比较大，脉冲功率大意味着信号的峰均比会进一步增加，从而压缩基站放大器的工作空间。在采取了DPD预失真算法后，基站可能会工作在非线性去，从而能保证线性区增加。在此基础上导致的信号质量是否保证，可以用R&S 宽带信号分析仪FSW来分析。如下图，在通感一体化信号中，可以用FSW K144 5G选件来筛取相应的通信信号，分析对应的通信信号的EVM，确保其信号质量没有收到压缩和干扰。

图14：R&S FSW 频谱与信号分析仪 K144选件分析通感一体化信号中的通信信号

其次，可以用FSW的IQ analyzer时域功能观察通感一体化信号在时域上的表现，如下图，可以看到4P3C感知信号在一个10ms的无线帧之内重复了四次，线性调频脉冲加起来一共有16个脉冲。也可以看到感知OFDM符号的功率和通信信号的功率关系。

图15：R&S FSW 频谱与信号分析仪用于通感一体化信号的时域测量

第三，这些线性调频脉冲的功率的一致性是否良好，调频范围是否超过通信频段的频率范围，对其他小区是否会形成干扰至关重要。可以用FSW的K6选件查看多个线性调频脉冲的功率的一致性，分析调频线性度的调频带宽，以确保他们的功率和频率落在符合要求范围内，如下图。

图16：R&S FSW 频谱与信号分析仪K6选件监测通感一体化信号的脉冲功率和带宽

最后，线性调频脉冲的调频斜率是否良好，一致性度是否良好，对于保证感知算法的鲁棒性非常重要。如下图，可以用FSW的K60C选件查看多个线性调频脉冲的调频斜率的参数以及其一致性，分析线性调频信号的质量，确保他们的调频线性度落在设计的要求范围内。

图17：R&S FSW 频谱与信号分析仪K60C选件分析通感一体化信号的线性调频信号质量

结语

通感一体化技术是近年来通信领域的研究热点，是一项通信领域的新的变革融合技术。为了应对这项新技术带来的测试挑战，R&S公司采用最新的 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，验证了被测系统高精度定位目标对象的能力。为了产生通感一体化信号进行模拟和干扰测试，R&S公司采用先进的SMW200A超宽带信号源，利用其超强功率的Pulse Sequencer软件结合5G选件K144, 自定义OFDM选件K144产生符合要求的通感一体化信号。同时， R&S公司借助超宽带频谱与信号分析仪FSW的K6脉冲测量选件，K60C线性调频测量选件能否完成基站通感一体化信号的中线性调频脉冲信号的质量和一致性。

作为全球领先的测试测量仪表厂商，罗德与施瓦茨 (Rohde & Schwarz，以下简称R&S) 公司专注于测试与测量领域90多年，对于通感一体化的测试验证早在从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。经过一年多的努力，罗德与施瓦茨公司与2022年9月向中国移动研究院交付了全球第一套用于通感一体化测试的实验室原型机系统，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。R&S一系列用于通感一体化的解决方案公开展示于2023年/2024年巴萨罗那MWC通信展、2023年/2024年上海MWC通信展等。通感一体化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R&S公司的解决方案来更快、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。

罗德与施瓦茨业务涵盖测试测量、技术系统、网络与网络安全，致力于打造一个更加安全、互联的世界。 成立90 年来，罗德与施瓦茨作为全球科技集团，通过发展尖端技术，不断突破技术界限。公司领先的产品和解决方案赋能众多行业客户，助其获得数字技术领导力。罗德与施瓦茨总部位于德国慕尼黑，作为一家私有企业，公司在全球范围内独立、长期、可持续地开展业务。