作者
Kees Moerman
Kees Moerman于1990在荷兰乌得勒支大学获得物理和计算机理学硕士学位。他在嵌入式系统和（信号）处理器方面拥有30多年的经验，尤其是在通信领域。他曾在多家大型和小型半导体公司担任首席架构师、创新经理和MT成员，在SoC通信系统领域领导跨领域专家团队。他目前在恩智浦半导体汽车系统创新部门工作，研究与智慧出行相关的各种通信技术。
6G网络中的通信传感一体化
在爱立信最近发布的博客中，爱立信和恩智浦就6G网络中通信传感一体化（JCAS）的重要性达成了共识，反映了双方为实现6G的通力合作。在本博文中，我们将从恩智浦的角度详细阐述这一观点，并根据几个用例示例说明这些概念。
但首先，我们快速回顾一下爱立信博客中的通信传感一体化主题。正如爱立信指出的那样，在通信网络中包含传感能力是非常有前景的领域，带来了许多机遇和挑战。可能提高网络本身的性能，还可能带来令人振奋的新应用，其中空间传感可能作为服务提供给网络外部的用户或应用。
就未来传感而言，通信网络的主要优势在于，大部分基础设施将已配备发射/接收（Tx/Rx）节点，提供全区域覆盖以及节点之间的良好互连，这有助于建立多静态传感网。因此，传感几乎可以“免费”提供。
恩智浦已与爱立信合作，研究将通信和传感功能完全集成到同一传输/接收节点的潜在网络新用例。我们还将一起研究此类未来系统的实现，并评估通信传感一体化用例面临的技术挑战和机遇。
网络环境中的传感
在最近的博客中，爱立信阐述了如何实现网络传感：
随着4G向5G演进，频谱分配已向更高频率扩展。这一趋势将持续下去，亚太赫兹区域的通信频谱可能会作为6G部署的一些频段提供。随着这些新频率的引入，可以基于类似雷达的技术进行非常精确的传感。也就是说，被传输信号的反射在网络中被接收并处理，可以了解周围物理环境的情况。
传感作为一种综合能力，在移动通信网络使用的整个频率范围（从最低的时分双工（TDD）频段700MHz开始）都很有价值。话虽如此，这篇博文将主要关注更高的亚太赫兹波段。
在这些频率下，通信网络必须对传输的信号采用波束成形，以将信号能量集中并引导到预期接收器所在的特定地理区域。如果没有波束成形，创建完整地理覆盖所需的站点间距（ISD）非常短。为了实现全覆盖，可以采用波束成形与时间基准波束扫描相结合的方法。因此，波束成形机制已经存在于网络中，随后也可以用于传感。
传感用例：交叉路口安全
由于这种描述仍然相当抽象，我们来看看智慧城市背景下的现实生活。根据IOT Analytics的研究，"交通监控和管理"在智慧城市十大用例中排名第二，仅次于‘互联公共交通’1。此外，排名前十的其他用例与交通传感器信息利用有关，如“视频监控和分析”，尽管在本例中用6G传感取代了视频而减少了隐私问题。复杂的交叉路口更能体现交通监控和管理的作用。现代汽车配备了许多传感器，如摄像头和雷达。然而，这些传感器都有一个缺点：它们只能在视距范围内工作。车对车（V2V）通信 2 部分填补了这一空白，但仅限于装备了设备的道路使用者。例如，如果弱势道路使用者的视线被另一交通参与者挡住了，如下图1中的卡车，车载传感器就无法检测到。
爱立信观察到：
如果将传感范围扩大，作为网络的功能提供，各种空间监测都令人感兴趣。我们先来看看基本的传感能力。频率不同，获得的传感图像的分辨率也不同。对于100 GHz 左右的频率及其典型带宽，传感分辨率可能不足1厘米。然而，分辨率还取决于物体的反射性以及与附近其他物体的接近程度及其反射性。与摄像头的视觉图像相比，基于被传输信号反射的传感图像画质相当粗糙。然而，这种传感方法提供了摄像头无法提供的其他特性。
通过测量发射器和物体之间视距路径中回波的延迟，可以计算到物体的距离 ，从而计算出物体的位置。类似地，通过测量接收回波中的多普勒频移，与被传输信号进行比较，可以计算出被测物体的速度。
基于无线信号进行传感还有一个有用的特性——可以在完全黑暗的环境中工作。它还可以在雨中或雾中“看到”物体，但性能会有所下降，因为空气中的水颗粒会衰减信号，尤其是在较高频率下。
利用上述特性，我们可以通过网络传感收集位置和速度数据，有时（基于反射的特征，例如骑车人的腿部运动）甚至可以显示对象类型。因此，可以获得具有交叉路口动态对象数据的高质量地图，实时提供正发生事件的空间和时间“图像”。这可用于发现潜在的安全和/或交通流问题。只需使用具有6G传感能力的系统即可完成所需的传感，无需安装额外的传感器系统，从而显著降低交叉路口基础设施的复杂性（和视觉影响）。数据还可以与其他传感器的数据和/或交通控制中心的数据（例如实时交通灯调度信息）融合。
使用获得的信息，我们可以走两条路线：以汽车为中心的处理和以基础设施为中心的处理。在以汽车为中心的方法中，车载数据可以通过交叉路口提供的传感器数据扩充，这些传感器数据由相同的6G网络基础设施分发。汽车进行最终融合并确定要采取的行动。在以基础设施为中心的方法中，移动边缘或云计算机运行交叉路口交通控制功能，可以使用车对基础设施（V2I）通信、车联万物（V2X）通信或蜂窝通信直接向汽车及其驾驶员发出警告；如果汽车本身没有先进的通信方法，基础设施可以使用标志（例如使用交通信号灯）提醒驾驶员或让驾驶员改变方向。
具体实施将取决于许多考虑因素，从技术能力和局限性到系统内责任的分配。在以汽车为中心的方法中，汽车制造商依靠恩智浦兼容功能安全的汽车系统进行控制。在以基础设施为中心的方法中，部分责任可以转给道路基础设施运营商。还可以采用更综合的方法，利用具有广域网络通信和传感能力的多功能安全汽车系统的优势实现全面优化。
在上图中，左转弯的汽车被警告道路上有自行车，但等待红绿灯的卡车遮挡了其视线（因此也遮挡了车载传感器，如雷达）。同样，这些信息也可用于大量其他与交叉路口相关的警告和用例，如提醒驾驶员、改变交通路线等。这一切都可以利用已安装的6G连接系统来完成，通过传感功能增强。通过与交通控制后台和交通控制中心进行6G连接，这些数据可以实时用于更大范围的交通流监控和管理。
所述的传感系统基于毫米波（mmWave）雷达技术，可以容忍能见度差的情况[夜间或恶劣天气条件]，无需使用摄像头。不必依赖摄像头的优势还在于甚至有助于人们在受隐私法规保护下接受此类管理，因为没有使用实际的视频/图像数据，减少了人们被个人识别或感觉被交通管理系统“跟踪”的恐惧。
其中涉及广泛生态合作体系，为设备制造商和交通管理链的多个组织带来了发展潜力，能意识到这一点非常令人欣慰。网络运营商能够将收集到的额外数据变现，道路基础设施运营商利用这些数据实现先进的交通管理并确保安全。市政当局发现可以减少事故并改善交通流，车主在订阅这些数据或以其他方式获取传感器系统的警告问题后，可能会意识到安全性的增加和出行时间的缩短。
传感器基础设施
随着移动无线通信的不断增长，频谱仍将是一种稀缺资源，需要谨慎处理。这意味着电信行业需要更多的频率带宽，这已经是长期的趋势，但这也意味着需要有效的频率重用，尤其是在人口稠密或通常拥挤的地区。随着无线数据网络吞吐量需求的不断增加（10年内增加100倍），我们看到无线网络基础设施越来越密集地使用具有无线能力的设备。
如今在城市中，约1公里的基站间距离非常常见，随着高频波束成形无线技术等小蜂窝技术的使用，基站间的距离有望进一步缩短。毫米波频谱（高达 52 GHz 频段）在 3GPP 5G NR 中大量使用，自然有利于促进局限于近距离传输的高频频谱的重复使用。在下一代网络中，更多亚太赫兹区域的带宽预计将用作 6G 部署频段。实际上，只有在这些更高的频率下，才可能有更大的带宽模块用于通信。
从这些综合趋势来看，我们发现，在通信网络数据吞吐量需求较高的地区，配备毫米波波束成形技术的基础设施元件实际上更接近通信用户、人员和设备等。通信和传感现在具有强大的互补潜力。态势感知是关键，通信能力也至关重要。基于6G网络传感能力进行态势感知有助于提高安全性，进一步构建汽车安全用例，由恩智浦汽车雷达事业部提供支持。
除此之外，随着无线基站添加对传感功能的支持，无线基础设施射频解决方案的价值将进一步增加。这是恩智浦射频产品组合未来的强大改进，提供连接到无线基站侧天线元件的高性能解决方案。恩智浦很高兴与爱立信合作，将无线网络和毫米波系统技术结合在一起实现许多新用例，充分发挥通信技术和传感技术一体化的优势。
结束语
总结关于6G传感的第一篇博客时，我们认为它是伟大的发展，正向在网络中内置高效传感迈进。它利用恩智浦的汽车和产业优势，为智慧城市环境带来了新的可能。
在6G网络中感知到的未来传感能力带来了许多机会。许多用例可以使用空间传感来提高网络本身的性能，并向外部用户和应用提供新的、令人兴奋的传感服务。当然，还有一些技术挑战需要解决。
区域覆盖网络中发送/接收节点的基础设施，以及节点间良好的互连，为多静态传感网络提供了良好的环境。由于通信网络中已经有了这种基础设施，因此可以非常经济高效地添加传感能力。
恩智浦和爱立信很高兴探索通信传感一体化的潜力，并期望其成为未来6G系统的重要组成部分。用新的用例评估不同的解决方案，并通过网络提供良好的传感能力将非常有趣。
在下一期博文中，我们将介绍6G传感的工业用例。敬请期待。
- 目前优先考虑的十大智慧城市用例；物联网分析，2020年9月
- 车联万物维基百科
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