【導(dǎo)讀】本文從車聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)出發(fā)，分析安全輔助駕駛和自動(dòng)駕駛對環(huán)境感知的需求，并論證了通感一體化技術(shù)在提供環(huán)境感知方面的優(yōu)勢。通過典型用例分析，本文提出了車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對通感一體化的要求和技術(shù)挑戰(zhàn)。對應(yīng)這些技術(shù)挑戰(zhàn)，本文還闡述了波形、端管協(xié)同、Sidelink 增強(qiáng)、擴(kuò)展目標(biāo)的融合成像、微多普勒檢測等通感一體化關(guān)鍵技術(shù)。
通信感知一體化（簡稱“通感一體化”）是無線通信系統(tǒng)新的基礎(chǔ)特性之一，而支持安全輔助駕駛和自動(dòng)駕駛的車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)是通感一體化技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用場景。
本文從車聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)出發(fā)，分析安全輔助駕駛和自動(dòng)駕駛對環(huán)境感知的需求，并論證了通感一體化技術(shù)在提供環(huán)境感知方面的優(yōu)勢。通過典型用例分析，本文提出了車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對通感一體化的要求和技術(shù)挑戰(zhàn)。對應(yīng)這些技術(shù)挑戰(zhàn)，本文還闡述了波形、端管協(xié)同、Sidelink 增強(qiáng)、擴(kuò)展目標(biāo)的融合成像、微多普勒檢測等通感一體化關(guān)鍵技術(shù)。
1 引言
“無線感知”是無線電波的自然屬性，利用無線電波的發(fā)送與接收感知物理世界，逐漸成為無線通信系統(tǒng)新的基礎(chǔ)特性之一 [1]。網(wǎng)絡(luò)感知能力將使無線通信系統(tǒng)演變?yōu)橥ㄐ鸥兄惑w化系統(tǒng)，把基站、終端，甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)變成傳感器，使能探測、定位、識別、成像與制圖等功能，為智慧交通、智慧工廠、智慧醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供增強(qiáng)的解決方案。
近年來學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對通感一體化在垂直行業(yè)的應(yīng)用展開了眾多研究和探索，其中在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用成為重點(diǎn)研究方向之一。3GPP SA1 [2] 定義和描述了一系列通感一體化相關(guān)的用例，有超過 7 成用例與車聯(lián)網(wǎng)場景相關(guān)。
盡管通感一體化在車聯(lián)網(wǎng)場景有廣泛的研究基礎(chǔ)，并已經(jīng)取得了一定的研究成果，但當(dāng)前汽車行業(yè)自身正在發(fā)生以智能化和電動(dòng)化為重要標(biāo)志的歷史性變革，車輛操作自動(dòng)化不斷升級、人車交互界面數(shù)字化不斷深化。
因此，面向車聯(lián)網(wǎng)的通感一體化，需要把握車聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)的關(guān)鍵趨勢，尋找通感一體化的關(guān)鍵價(jià)值場景，并基于關(guān)鍵趨勢和價(jià)值場景，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用研究。本文結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)的關(guān)鍵趨勢（第 2 節(jié)），介紹通感一體化的價(jià)值場景（第 3 節(jié)），分析通感一體化在車聯(lián)網(wǎng)場景的應(yīng)用需求和關(guān)鍵挑戰(zhàn)（第 4 節(jié)），并給出車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域通感一體化的若干關(guān)鍵技術(shù)（第 5 節(jié)），最后總結(jié)并展望通感一體化在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的未來發(fā)展。
2 車聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)趨勢
延續(xù)百年的汽車產(chǎn)業(yè)格局正在發(fā)生歷史性的變革，而智能化和電動(dòng)化是這次技術(shù)革命的兩大標(biāo)簽。
其中，汽車的智能化主要體現(xiàn)在車輛控制系統(tǒng)和人機(jī)交互界面的數(shù)字化，以及車輛操作的自動(dòng)化上。汽車智能化的最終目標(biāo)是提升汽車乘客的舒適度和安全性，而自動(dòng)駕駛作為關(guān)鍵使能技術(shù)，將真正點(diǎn)燃這次汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)變革。
當(dāng)前成熟的自動(dòng)駕駛還停留在 L2 和 L3 階段 [3]，即仍然需要駕駛者最終控制汽車。ADAS 系統(tǒng)（AdvancedDriver-Assistance System）可以為駕駛者提供自適應(yīng)巡 航（Adaptive Cruise Control）， 車 道 對 齊（LaneCentering） 和 低 速 / 堵 車 情 況 下 的 代 駕（Traffic JamChauffeur）等輔助功能。
駕駛者需要時(shí)刻保持注意力，以便在復(fù)雜或者突發(fā)情況下隨時(shí)接管車輛的控制權(quán)。真正意義上的自動(dòng)駕駛是 L4 及以上自動(dòng)駕駛能力，乘客將完全從駕駛?cè)蝿?wù)上解放出來，得到完全的舒適和安全體驗(yàn)。
預(yù)計(jì)到 2025 年，全球 15% 的車輛將具備 L3 自動(dòng)駕駛功能，但 L4 及以上自動(dòng)駕駛功能的僅為 5% 左右 [4]。2030 年，全球 L4 及以上級別的自動(dòng)駕駛車輛可能增長到10%。
從行業(yè)來看，谷歌旗下的 Waymo 宣布已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn) L4 自動(dòng)駕駛，但暫未量產(chǎn)。
奔馳在其 2030 愿景中重點(diǎn)提到了 L4 和 L5 自動(dòng)駕駛將是未來城市交通方案的主要部分 [5]。
大眾將在 2026 年推出 L4 自動(dòng)駕駛車輛 [6]。
現(xiàn)代汽車到 2026 年所有主流車型都將配備 Automode 自動(dòng)駕駛技術(shù)，支持 L4 自動(dòng)駕駛 [7]。
百度 Apollo RT6 于 2023年在蘿卜快跑上投入使用，已經(jīng)在北京、武漢、重慶和深圳的試點(diǎn)區(qū)開始 L4 全無人自動(dòng)駕駛的運(yùn)營，并預(yù)計(jì) 2026–2028 年左右量產(chǎn) [8]。
圖 1 全球各等級自動(dòng)駕駛滲透率預(yù)估（2025–2040）
目前阻礙 L4 以上自動(dòng)駕駛最終量產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用的主要原因是公眾對自動(dòng)駕駛的可靠性和安全性的嚴(yán)苛要求。現(xiàn)有的 L4 自動(dòng)駕駛技術(shù)已經(jīng)有了百萬英里級的安全行駛紀(jì)錄 [9]，復(fù)雜環(huán)境下的處理能力和應(yīng)對事故能力遠(yuǎn)超過人類 [10]。
然而，由于公眾理念對自動(dòng)駕駛和 AI 的謹(jǐn)慎態(tài)度，自動(dòng)駕駛需要達(dá)到幾乎零失誤零事故才能為大眾完全接受。自動(dòng)駕駛的準(zhǔn)確判斷主要依賴于系統(tǒng)在設(shè)計(jì)運(yùn)行域（Operational Design Domain，ODD）中對環(huán)境的感知能力。
ODD 定義了為駕駛自動(dòng)化系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的特定運(yùn)行條件，例如環(huán)境、地理和時(shí)間的限制，或可利用的交通或道路特征。
至今為止，自動(dòng)駕駛造成的嚴(yán)重事故都是由于當(dāng)時(shí)的駕駛環(huán)境超出了 ODD 的覆蓋范圍，導(dǎo)致自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對環(huán)境感知不足而做出的錯(cuò)誤判斷引起的 [11]。
為了保障自動(dòng)駕駛在各種環(huán)境下的安全性，ODD 的覆蓋范圍需要趨近無限，這對基于單車的感知方案提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。單車感知面臨的主要挑戰(zhàn)包括：
? 靜態(tài)環(huán)境檢測能力 / 準(zhǔn)確度：例如，車道和交通規(guī)則（包括交通信號燈）的關(guān)系、修路 / 交通管制導(dǎo)致的車道更改等特殊情況。
? 感知長尾場景問題：受限車載感知器件的部署位置導(dǎo)致的非視距感知受限。
這些挑戰(zhàn)受限于單車的硬件能力、成本和客觀視角的限制，很難用技術(shù)方案解決。因此，只依靠單車感知難以實(shí)現(xiàn)高級自動(dòng)駕駛所需的趨近無限 ODD 要求。
實(shí)際環(huán)境中，即使是 L4 以下的輔助駕駛系統(tǒng)，也強(qiáng)烈依賴于其對周邊環(huán)境的感知能力，在惡劣天氣、視距死角等困難場景下，如果輔助駕駛系統(tǒng)不能得到有效準(zhǔn)確的環(huán)境感知信息，無法對可能的危險(xiǎn)情況做出及時(shí)的預(yù)警或處理，同樣會降低輔助駕駛系統(tǒng)的安全性，或者造成輔助駕駛系統(tǒng)完全失效（見表 1）。
表 1 不同等級的感知和決策
3 通感一體化的價(jià)值場景
本節(jié)分析在車載感知的基礎(chǔ)上融合路側(cè)感知的必要性和價(jià)值（第 3.1 節(jié)），以及通感一體化相較其他路側(cè)感知方案的增益和優(yōu)勢（第 3.2 節(jié)）。
3.1 路側(cè)感知的必要價(jià)值
當(dāng)前，汽車對周邊環(huán)境的感知在很大程度上依賴于各種車載傳感器，主要包括毫米波無線測距設(shè)備、激光測距設(shè)備和攝像頭。這些傳感器可以探測物體、測量距離和相對速度。
不同類型的傳感器被安裝在車輛的不同部位，以便充分感知周圍環(huán)境并支持各種駕駛輔助功能。通常，安裝在車輛前部的長距離無線測距設(shè)備可在約 250 米覆蓋范圍內(nèi)探測前車的距離和速度，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航控制。
同樣，具有更寬視野的短程前無線測距設(shè)備為緊急制動(dòng)提供支持。不同的傳感器技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如，毫米波無線測距設(shè)備可以在某些極端天氣條件下工作，激光測距設(shè)備和攝像頭則不能。
同樣，攝像頭可以進(jìn)行基于圖像的探測，而其他技術(shù)則不能。由于沒有一種單一的傳感器技術(shù)能夠支持全天候和全場景，因此融合來自不同傳感器的信息對于車輛可靠感知周圍環(huán)境至關(guān)重要 [12]。
圖 2 L4/L5 車載傳感器部署方案
隨著車載通信系統(tǒng)（Vehicle to Everything，V2X）的應(yīng)用，ADAS 的無線通信能力得到增強(qiáng)。在車上集成通信功能可視為傳感器系統(tǒng)的擴(kuò)展。車輛間通過互通信息，可以獲得其自身傳感器無法感知的環(huán)境信息，并通過車輛間的合作實(shí)現(xiàn)安全高效的駕駛。
這不僅拓展了自動(dòng)駕駛車輛的遠(yuǎn)距離感知能力，而且使能車間感知信息融合，使其能夠在全天候情況下以高分辨率無死角探測和識別物體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛的能力提升。
此外，有了通信功能的輔助，基于路側(cè)設(shè)備的感知信息也能夠被下傳到車上。路側(cè)環(huán)境感知的主要優(yōu)勢包括：
? 部署位置優(yōu)勢：路側(cè)感知架設(shè)位置高，并有俯視視角
－ 路側(cè)感知：增加垂直維度的感知角度，補(bǔ)充車側(cè)非視距感知范圍。
－ 路側(cè)攝像頭：可針對性布設(shè)遮擋防護(hù)，暴雨等極端天氣對路側(cè)攝像頭的識別干擾幾乎為零。
? 器件尺寸優(yōu)勢：
－ 路側(cè)感知：大尺寸天面（更多陣子），方位角和俯仰角的角度分辨率更高。
－ 路側(cè)攝像頭：多種大尺寸攝像頭，具備不同焦距（從廣角到長焦等不同焦段）和曝光能力（超低曝光時(shí)間），圖像合成可實(shí)現(xiàn)零畸變。
圖 3 網(wǎng)絡(luò)提供全域高可靠的環(huán)境信息
3.2 通感一體化的優(yōu)勢
按照傳統(tǒng)方法，在車輛中集成基于車載傳感器和 V2X通信的感知系統(tǒng)會導(dǎo)致兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。這種互不關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)會影響多個(gè)方面，如功耗、傳感器占用的空間、感知系統(tǒng)的總重量、所需天線的數(shù)量和車內(nèi)布線要求等。
隨著傳感器 / 通信設(shè)備數(shù)量的不斷增加，車上有限的安裝空間給車輛的內(nèi)部設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。此外，獨(dú)立的車載無線測距設(shè)備和 V2X 通信還需要解決頻譜干擾問題，包括無線測距設(shè)備之間的干擾，以及無線測距設(shè)備與通信之間的干擾。
特別是無線測距設(shè)備之間的干擾，是當(dāng)前車載無線測距設(shè)備面臨的一個(gè)棘手問題。如果相鄰車輛的多個(gè)同頻無線測距設(shè)備同時(shí)工作，它們的視場可能會重疊導(dǎo)致干擾，從而影響整體探測性能。
此外，從頻譜利用的角度來看，感知和通信兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)對頻譜的需求是雙倍的。因此，將通信和感知集成到一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)通感一體，就成了必然的技術(shù)方向。
從系統(tǒng)的角度來看，這意味著從頻譜復(fù)用和部分硬件重用，到聯(lián)合信號處理和統(tǒng)一協(xié)議棧等多個(gè)方面的集成，在不同層次上實(shí)現(xiàn)一體化，從松散耦合到緊密集成。通感一體化系統(tǒng)可同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和感知環(huán)境，從而帶來多種潛在優(yōu)勢。
這些優(yōu)勢涉及多個(gè)方面，如硬件尺寸、所需天線數(shù)量、成本、延遲、頻譜和能效等。此外，緊密集成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以減少通信和傳感系統(tǒng)之間的隔離，這為實(shí)現(xiàn)兩種功能之間的高效信息和資源共享提供了可能。
此外，由于通信系統(tǒng)自帶多用戶資源管理和干擾管理機(jī)制，當(dāng)多個(gè)通感一體化同時(shí)工作時(shí)，類似無線測距設(shè)備的干擾問題也可以得到有效的解決。同時(shí)，通感一體化中獲得的感知信息也可用于提高其通信的性能。比如感知到的位置信息可用于波束預(yù)測和管理、阻塞預(yù)測、信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）壓縮、自適應(yīng)傳輸?shù)确矫妗?/p>
圖 4 通感一體化示意圖
4 通感一體化在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
從上文的介紹可知，基于網(wǎng)絡(luò)的感知機(jī)制可加強(qiáng)系統(tǒng)對環(huán)境的感知的能力。例如，由于車輛上安裝傳感器的位置和視野有限，網(wǎng)絡(luò)感知可以補(bǔ)充傳統(tǒng)傳感器視野以外部分的覆蓋范圍，而提供額外的感知信息，特別是用于覆蓋交叉口等復(fù)雜道路場景中的感知盲點(diǎn)等。
基于網(wǎng)絡(luò)的感知功能可更好地感知與道路 / 高速公路狀況相關(guān)的信息，包括移動(dòng)物體（如車輛、動(dòng)物和行人）、交通密度、人群等。
4.1 場景和用例分析
3GPP定義和描述了一組與通感一體化相關(guān)的用例 [2]，有相當(dāng)一部分與車輛場景相關(guān)，其中考慮以下幾種實(shí)現(xiàn)方案：
? 基站和終端設(shè)備上集成通信和感知功能
? 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)多個(gè)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間的感知信息交互
? 基站和終端設(shè)備的感知結(jié)果作為環(huán)境感知的額外輸入
表 2 3GPP SA1 中部分 V2X 用例
表2中是部分用例的描述。從這些用例的功能要求來看，網(wǎng)絡(luò)中的通感一體化需要提供以下的機(jī)制：
? 選擇和配置執(zhí)行傳感功能的基站和終端設(shè)備
? 在無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）和核心網(wǎng)（Core Network，CN）之間共享傳感信息
? 授權(quán)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行傳感功能
? 將網(wǎng)絡(luò)中的傳感信息提供給第三方服務(wù)提供商
? 實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的感知服務(wù)收費(fèi)
對于通感一體化的性能要求很大程度上取決于不同用例的服務(wù)目標(biāo)。車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的用例中，感知的環(huán)境和對象主要在室外，不同用例中性能要求的差異點(diǎn)則主要在位置和速度測量的準(zhǔn)確性、范圍、可信度和延遲、刷新率等方面。
高速公路上行人/動(dòng)物入侵檢測：考慮到高速公路的寬度和長度，基于基站的感知需要在較遠(yuǎn)距離外有效的識別行人和動(dòng)物。由于車輛的運(yùn)動(dòng)速度通常很高，導(dǎo)致場景高度動(dòng)態(tài)化，因此對感知的刷新率和精度提出了更高的要求。3GPP 定義了以下需求 [2]：
? 定位精度（水平方向）：小于 1 米
? 刷新率：小于 0.1 秒
交叉路口感知：交叉路口的車輛密度會影響感知的性能需求。例如，在高峰時(shí)段，除了高感知精度和刷新率外，高密度的人流和車流還需要更高的感知分辨率。對于漏檢率和虛檢率的要求也會根據(jù)人流車流的密度而變化。3GPP 定義了以下需求 [2]：
? 定位精度（水平）：小于 1 米
? 刷新率：小于 0.1 秒
? 漏檢率：小于 5%
? 誤報(bào)率：小于 5%
傳感輔助汽車操控和導(dǎo)航：該場景需要協(xié)調(diào)來自多個(gè)車載終端的感知相關(guān)信息，并提供給車輛用于操控和導(dǎo)航。由于行駛中車輛間距可能很小，所以感知信息必須保證高精度和高刷新率。
此外，由于感知相關(guān)信息來自多個(gè)車載終端，確保這些感知信息的低延遲同步也非常重要。
用于 ADAS 的車輛感知：汽車上的 ADAS 系統(tǒng)由長距離和短距離傳感器組成，通感一體化技術(shù)將對車上原有傳感器提供補(bǔ)充或者替代。
此外，考慮到 ADAS 系統(tǒng)對安全的要求，該場景對通感結(jié)果的誤差率和誤差幅度有嚴(yán)格的要求。3GPP 定義了以下需求 [2]：
? 定位精度（水平）：長距離（250 到 300 米）小于 40厘米，短距離（30 到 100 米）小于 10 厘米
? 刷新率：長距離小于 0.2 秒，短距離小于 0.05 秒
? 誤報(bào)率：小于 1%
4.2 關(guān)鍵訴求和挑戰(zhàn)
為實(shí)現(xiàn)上述的用例，有若干技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。首先，由于車聯(lián)網(wǎng)場景中的感知對象種類眾多，包括各種車輛、人、動(dòng)物和臨時(shí)障礙物體（如道路工程中使用的路障），因此感知環(huán)境過程中除了定位之外，還需要識別不同類型的感知對象。
其次，并不是感知對象都有無線通信能力，因此通感一體化技術(shù)需要同時(shí)對有通信能力的主動(dòng)目標(biāo)（如配有 V2X能力的車輛）和沒有通信能力的被動(dòng)目標(biāo)（行人、動(dòng)物等）進(jìn)行感知。
此外，感知對象的移動(dòng)性也對通感一體化提出了額外的要求。例如，在多輛車協(xié)調(diào)操控的使用案例中，感知功能需要持續(xù)跟蹤附近的多輛車和物體，而不是一次性檢測一個(gè)瞬間事件。
由于單個(gè)感知設(shè)備的感知范圍有限，在涉及高流動(dòng)性的場景中提供連續(xù)感知服務(wù)需要部署多個(gè)感知信號發(fā)射器和接收器。當(dāng)這些發(fā)射器和接收器位于不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，（例如在雙向傳感場景中），則有必要對其進(jìn)行協(xié)調(diào)并進(jìn)行測量結(jié)果融合，以避免或盡量減少漏檢事件。
通感一體化技術(shù)有望增強(qiáng)V2X用例中的環(huán)境感知能力，但無線測距設(shè)備等傳統(tǒng)傳感器仍將（至少在一段時(shí)間內(nèi)）被保留。這可能導(dǎo)致無線測距設(shè)備和蜂窩系統(tǒng)共存于同一頻段或相鄰頻段（例如 77 GHz）。在這種情況下，傳輸數(shù)據(jù)的車輛可能會對無線測距設(shè)備接收器造成干擾。
同樣，無線測距設(shè)備發(fā)射信號也可能對車輛或基站造成干擾。這就要求在頻譜共享、波形、資源分配和人工智能方法等方面提供技術(shù)解決方案，以有效處理集成系統(tǒng)中的干擾。
5 適用于車聯(lián)網(wǎng)的通感一體化關(guān)鍵技術(shù)
由業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用場景催生的通感一體化方案顯示出巨大的潛力，但仍面臨不少技術(shù)挑戰(zhàn)。本節(jié)針對車聯(lián)場景，列舉和分析幾項(xiàng)通感一體化關(guān)鍵技術(shù)。
5.1 通感一體化的基本方案
通感一體化旨在通信系統(tǒng)中賦能感知，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，頻譜共享以及處理能力共享。具體到實(shí)現(xiàn)方式，通感一體化的融合可以體現(xiàn)在以下三個(gè)不同的層面：
? 業(yè)務(wù)級融合：感知和通信由不同硬件實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在各自頻段。兩個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)用層進(jìn)行交互，達(dá)到相互促進(jìn)共贏的效果。例如基站可通過感知模塊，獲取環(huán)境信息從而進(jìn)行更有效的波束預(yù)測及管理。感知設(shè)備可通過通信單元進(jìn)行站間協(xié)調(diào)從而實(shí)現(xiàn)干擾管理。
? 頻譜級融合：感知和通信兩功能模塊運(yùn)行于同一系統(tǒng)，可通過時(shí)分、頻分或空分的方式實(shí)現(xiàn)頻譜資源共享。兩功能模塊亦可通過共享部分硬件資源，降低硬件及實(shí)現(xiàn)開銷。
? 全融合：單一系統(tǒng)同時(shí)支持兩大功能，共用空口技術(shù)及頻譜資源。全融合場景下，系統(tǒng)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求和相應(yīng)的性能指標(biāo)對資源調(diào)度甚至空口設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源效率最大化。
5.2 通感一體化波形
業(yè)界對通感一體化波形有大量研究，從性能考慮，本 文 僅 介 紹 其 中 的 四 種 波 形：OFDM（OrthogonalFrequency Division Multiplexing）、OFDM-Chirp、OCDM（Orthogonal Chirp Division Multiplexing）以及OTFS（Orthogonal Time Frequency Space）。
OFDM-Chirp 的感知性能在這幾種波形中較為優(yōu)秀，但瑞利信道下通信性能和 OFDM 相比有一定損失。OFDM是目前主流的通信多載波調(diào)制技術(shù)之一，其積分旁瓣比和峰值旁瓣比在不同參數(shù)下略低于 LFM，目前學(xué)術(shù)界也在積極探索 OFDM 的感知性能提升方法。
OFDM-Chirp 波形，其基本原理是將 Chirp 信號分別調(diào)制到不同的子載波組上，由于 OFDM 信號子載波之間是正交的，不同的子載波組上的信號自然滿足正交性。時(shí)域產(chǎn)生的 OFDM-Chirp 信號模型 [13] 為：
式 中：t (0 ≤ t ≤ T) 為 信 號 的 時(shí) 間 采 樣；u(t)=1,( 0 ≤ t ≤ T) 為矩形窗函數(shù)；fn 和 kn 分別為信號 s(t) 的第 n個(gè)子載波的起始頻率和斜率。
OFDM-Chirp 系統(tǒng)的多載波特性，可解決 LFM 單載波信號傳輸速率過低的問題。考慮對現(xiàn)有系統(tǒng)兼容性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度情況下，OFDM-Chirp 是較為有潛力的通感一體化波形，其感知性能在這幾種多載波中較為優(yōu)秀。
在相同參數(shù)下，OFDM-Chirp 與 OFDM 信號的距離和速度分辨率相同。在高斯信道下，不同信噪比的誤碼率如圖 5 所示，在不同信噪比下，性能并無較大差別。
由于OFDM-Chirp 信號由 OFDM 信號通過 LFM 擴(kuò)頻得到，故其信號模型將與 OFDM 信號模型有很多相似性。通過分析OFDM-Chirp 和 OFDM 信號的 PAPR 曲 線 可 知，OFDMChirp 一體化信號的峰均比性能與 OFDM 信號幾乎相同。
圖 5 OFDM 波形與 OFDM-Chirp 波形性能對比
OCDM 的基本原理是通過在相同帶寬中利用菲涅爾變換形成一組正交的線性 Chirp 信號，并將通信信息調(diào)制到這一組 Chirp 信號的幅度和相位上 [14]，從而實(shí)現(xiàn)高效通信數(shù)據(jù)傳輸。
OCDM 信號為多個(gè) Chirp 信號構(gòu)成，因此對多普勒頻移不敏感，在保護(hù)間隔長度不足的情況下，可有效對抗時(shí)間選擇性衰落。
OCDM 信號與 OFDM 相比在發(fā)射端需要增加兩個(gè)點(diǎn)乘矩陣，生成條件相比 OFDM 信號較為復(fù)雜，要真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還存在一些技術(shù)難點(diǎn)，比如構(gòu)造出優(yōu)越的光地址碼、設(shè)計(jì)制作高性能的光編/解碼器、改善系統(tǒng)性能、增大系統(tǒng)容量及提高系統(tǒng)資源利用率等。
OTFS 調(diào)制可以看作是一種特殊的 OFDM 調(diào)制，在傳統(tǒng) OFDM 調(diào)制的輸入輸出端上分別添加一個(gè)預(yù)編碼模塊和后解碼模塊 [15]，OTFS 信號調(diào)制解調(diào)過程如圖 6 所示。
OTFS 調(diào)制的有效信道矩陣在時(shí)延多普勒域，此時(shí)矩陣中的元素大部分都為零，而非零值的元素位置與路徑的時(shí)延和多普勒頻移有關(guān)，因此只要估計(jì)信道中各條路徑的時(shí)延和多普勒頻移以及有效復(fù)增益即可，這樣能夠大大降低信道估計(jì)的復(fù)雜度。
由于 OTFS 調(diào)制使用矩形收發(fā)脈沖，輸入輸出關(guān)系不是直接的二維卷積運(yùn)算，因此在接收端不能直接使用頻率時(shí)間域的均衡算法，其他符號解調(diào)算法的復(fù)雜度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 OFDM 調(diào)制。
圖 6 OTFS 信號調(diào)制解調(diào)過程
5.3 端管協(xié)同分布式通感一體化
面向車聯(lián)網(wǎng)場景，單車感知受限于5%的感知長尾場景，因此引入路側(cè)的感知信息尤為重要。
而在融合車側(cè)和路側(cè)感知信息時(shí)，車輛的高移動(dòng)性對分布式感知會帶來如下挑戰(zhàn)：例如，路側(cè)和車側(cè)對于車輛的位置和速度的不確定性，以及，路側(cè)和車側(cè)對于同一個(gè)物體感知到的物理特性不同，比如，由于感知視角不同，路側(cè)感知到的物體是靜止的，而車側(cè)感知到的是運(yùn)動(dòng)的。
為解決這一挑戰(zhàn)，可以考慮基于不確定性的車側(cè)和路側(cè)感知信息融合，即車輛將位置和移動(dòng)性參數(shù)的不確定性作為未知變量代入目標(biāo)檢測問題中，形成目標(biāo)和車側(cè)未知參數(shù)的聯(lián)合檢測問題，然后通過優(yōu)化算法，比如牛頓法或者模擬退火算法尋找最優(yōu)解，從而提升目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確度。
如圖 7 所示，不同車輛和路側(cè) RSU 或者 gNB 在進(jìn)行聯(lián)合感知時(shí)，由于高移動(dòng)性，車輛自身估計(jì)的位置和實(shí)際位置是有偏差的，同時(shí)各感知源對于同一個(gè)物體的感知本身有感知誤差，信息融合時(shí)誤差可能會被放大。
為解決這個(gè)問題，各車輛可以將車輛的估計(jì)誤差報(bào)給融合中心，構(gòu)造優(yōu)化問題，提升聯(lián)合感知精度 [16]。
圖 7 不確定性的端管協(xié)同感知
5.4 Sidelink 增強(qiáng)分布式通感一體化
面向車聯(lián)場景，考慮到終端設(shè)備可能處于無蜂窩網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，各終端設(shè)備除了具備基本的 Uu 口上下行通信能力以外，更應(yīng)該具備 PC5 接口（Sidelink）的通信能力。多個(gè)終端通過 PC5 接口通信構(gòu)成了一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，以提升車輛的通信和感知能力。
然而現(xiàn)有分布式側(cè)行傳輸空口技術(shù)的設(shè)計(jì)只考慮了極致的通信能力，并未考慮感知能力，因此如何在 PC5 接口上在不影響通信性能的情況下使能高性能 Sidelink 感知能力就成了最重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。
一種應(yīng)對方式是對 Sidelink 的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)。考慮到分布式場景下，各終端相對位置都不固定，為了保障可靠的信息傳輸，現(xiàn)有的 Sidelink 幀結(jié)構(gòu)中引入了 AGC 符號，如圖8所示。
在真實(shí)數(shù)據(jù)傳輸之前，需要做自動(dòng)增益控制，而一般AGC符號的具體內(nèi)容采用的復(fù)制第二個(gè)符號的信息，所以第一個(gè) AGC 符號不具備傳輸有效信息的作用，所以該符號也給 Sidelink 構(gòu)造感知能力提供了空間。
圖 8 New Radio (NR) Sidelink 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一種直接的方法是，將 AGC 符號使用感知序列進(jìn)行填充，但當(dāng)前 AGC 符號占用的頻域帶寬可以很小，而感知的距離分辨率和信號帶寬強(qiáng)耦合。
為了使能更高的感知精度，考慮構(gòu)造寬帶的 AGC 序列，即 AGC 符號在頻域資源上占據(jù)盡可能寬的帶寬，如圖 9 所示，AGC 符號可以在時(shí)域切成兩部分，前一部分用于發(fā)送寬帶的感知序列，后一部分用于接收感知回波信號。
但當(dāng) AGC 在頻域上占用較大帶寬時(shí)，多個(gè)終端設(shè)備都會在該帶寬上發(fā)送感知序列，各序列會疊加，造成互相干擾，針對該問題，可以將不同終端發(fā)送的感知序列構(gòu)造成正交寬帶序列，比如使用終端的 ID 對序列進(jìn)行加擾，當(dāng)終端收到序列的回波時(shí)，濾除掉其他終端的干擾信號，接收感知回波，從而保障在不影響通信性能的前提下，使能感知能力。
圖 9 寬帶 AGC 感知信號設(shè)計(jì)
5.5 面向擴(kuò)展目標(biāo)檢測的融合成像
通感一體化旨在為各種車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供關(guān)鍵目標(biāo)物體的檢測、定位和分類能力。這些目標(biāo)物體包括車輛、行人 /非機(jī)動(dòng)車 / 兩輪摩托車（Vulnerable Road User，VRU）以及其他固定和移動(dòng)障礙物。
傳統(tǒng)的 5G NR 定位方案只針對能發(fā)送或接收 5G NR 信號的有源物體進(jìn)行定位，相比之下，下一代感知技術(shù)可通過解析傳輸環(huán)境反射的無線信號，對無源物體進(jìn)行檢測、定位、識別。
車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中感知能力面臨的挑戰(zhàn)之一是很多感知目標(biāo)是體積龐大的車輛，其外部表面通常延展數(shù)米，如車頭、車尾和車身側(cè)面。因此，感知目標(biāo)不僅在單一位置形成單個(gè)反射，而是可以產(chǎn)生相隔數(shù)米的多個(gè)反射。這樣的目標(biāo)通常被稱為擴(kuò)展目標(biāo)。
因此，通過對擴(kuò)展目標(biāo)產(chǎn)生的多個(gè)反射、散射信號進(jìn)行觀測，不僅可以估計(jì)目標(biāo)的位置、狀態(tài)，也可以推斷目標(biāo)的形狀和輪廓，即成像。當(dāng)分布式基站以不同視角對此目標(biāo)進(jìn)行觀測時(shí)，各基站對車輛的不同位置形成估計(jì)值。
這些估計(jì)值與目標(biāo)車輛特定側(cè)面（或部分）相對應(yīng)作為一組與特定基站相關(guān)的散射點(diǎn)集。由于每個(gè)基站看到的散射點(diǎn)都不同，可能相距數(shù)米，因此需要以下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、聚類和定位：
(a)不同基站通過對不同散射點(diǎn)的觀測，估計(jì)多散射點(diǎn)的位置。這些位置估計(jì)需要與同一物體（在本例中為車輛）相關(guān)聯(lián)，以形成該物體對應(yīng)的散射點(diǎn)集合。這通常稱為聚類（Clustering）。
圖 10 擴(kuò)展目標(biāo)檢測示意圖
(b) 得到擴(kuò)展目標(biāo)的散射點(diǎn)集合后（通常形成物體外部形狀的輪廓），需要確定該目標(biāo)的位置。通常情況下，定位參考中心可以是散射點(diǎn)集合的幾何中心；或者當(dāng)觀測到的與目標(biāo)表面對應(yīng)的散射點(diǎn)集不完整導(dǎo)致幾何中心不準(zhǔn)時(shí)，也可使用其他參考點(diǎn)。
步驟 (a)和(b) 可以應(yīng)用不同的擴(kuò)展目標(biāo)處理算法來完成。這些算法包括使用點(diǎn)散射集合的移動(dòng)動(dòng)態(tài)來執(zhí)行目標(biāo)關(guān)聯(lián)和聚 [17, 18]，以及后處理與目標(biāo)分類方案相結(jié)合 [19]。
需要指出的是，有源目標(biāo)定位不存在上述擴(kuò)展目標(biāo)的問題，因?yàn)橛性茨繕?biāo)的發(fā)送和接收天線端口即是目標(biāo)物體的定位參考點(diǎn)，其在物體上的位置是固定的。
此外，用于V2X 碰撞檢測或自適應(yīng)巡航控制的傳統(tǒng)感知系統(tǒng)也不存在上述問題，因?yàn)樗鼈冎恍柙趩我灰暯菍δ繕?biāo)物體或車輛的最凸出部分進(jìn)行檢測，以避免與該物體或車輛的該部分發(fā)生碰撞。
5.6 基于微多普勒檢測的目標(biāo)檢測與識別
如 5.5 節(jié)所述，目標(biāo)物體識別分類對于許多車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要，包括各種協(xié)調(diào)操控和保護(hù) VRU 的安全應(yīng)用。
目標(biāo)物體識別分類可以通過多種不同方式實(shí)現(xiàn)。一種直接的方法是利用感知觀測獲得的點(diǎn)散射來確定物體的形狀或輪廓（如 4.1 節(jié)所示的車輛），即成像。然而要獲得這樣的圖像，系統(tǒng)需要從多視角對目標(biāo)物體進(jìn)行觀測，并且具有較高的角度和深度分辨率，以獲得對應(yīng)目標(biāo)物體各表面的多個(gè)點(diǎn)散射集。
另一種不需要物體完整圖像的方法是基于感知信號的多普勒參數(shù)，特別是由物體內(nèi)部組件微運(yùn)動(dòng)造成的多普勒分量。
例如，人行走時(shí)擺動(dòng)的腿、汽車或自行車上旋轉(zhuǎn)的輪子或無人機(jī)上高速旋轉(zhuǎn)的葉片。這些由于物體內(nèi)部組件的運(yùn)動(dòng)速度與物體整體的運(yùn)動(dòng)速度不同而造成的多普勒分量被稱為微多普勒。圖 11 為飛行無人機(jī)在多普勒范圍剖面上的微多普勒示例 [20]。
圖 11 測目標(biāo)微多普勒示例
特定的目標(biāo)物體（行人、車輛、自行車等）具有不同類型的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，從而形成獨(dú)特的多普勒特征。將該特征用于目標(biāo)物體的識別和分類，既無需從多個(gè)角度對目標(biāo)物體進(jìn)行詳細(xì)的高分辨率成像處理，又可達(dá)到更高準(zhǔn)確率（>90%）的人物分類，實(shí)例可參見文獻(xiàn) [21]。基于微多普勒的目標(biāo)識別分類可選擇與較低分辨率的圖像融合，以提高物體分類的可靠性。
6 總結(jié)與展望
可以預(yù)見，通感一體化技術(shù)將給車聯(lián)網(wǎng)帶來功能和性能的提升。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要解決從空口到上層應(yīng)用的多個(gè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)問題，最終達(dá)到預(yù)期的感知和通信要求。
通感一體化的整體設(shè)計(jì)還需考慮到無線網(wǎng)絡(luò)和車聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性，比如車載終端設(shè)備的移動(dòng)性、可用頻段（許可頻段和非許可頻段）、基站的部署、PC5 和 Uu 的協(xié)同架構(gòu)等方面。
除了與技術(shù)相關(guān)的挑戰(zhàn)外，通感一體化的一個(gè)關(guān)鍵成功因素與法規(guī)相關(guān)。通感一體化系統(tǒng)擴(kuò)展了最初專門分配給感知或智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）通信的頻段和用于移動(dòng)/V2N 通信網(wǎng)絡(luò)的許可頻段的用途，在這些頻段上同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和感知功能可能面臨合規(guī)問題。
而且，一旦需要重新分配用于通信或感知的頻譜，車載的通感一體化設(shè)備也需要升級，這會影響車載通感一體化設(shè)備的生命周期。
此外，由于無線測距設(shè)備傳感是安全關(guān)鍵功能，因此通感一體化的解決方案需要滿足汽車安全等級（Automotive Safety Integrity Level，ASIL）的要求。
同時(shí)，通感一體化系統(tǒng)需要支持不同廠商的網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備，使其能夠無縫參與和集成到感知服務(wù)中。車聯(lián)網(wǎng)的場景要求來自多個(gè)制造商的通感一體化設(shè)備能夠相互協(xié)作，特別是在干擾管理方面。因此，不同通感實(shí)體的功能和接口的標(biāo)準(zhǔn)化對其未來的廣泛部署至關(guān)重要。
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