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6G光无线通信感知一体化,拓展无线通信频谱新边界

面向未来医疗、工业等电磁敏感场景的高速率通信和高精度感知需求,华为6G研究团队提出了光无线通感一体化(ISAC with optical wireless, 简称ISAC-OW)技术,并通过原型样机验证了ISAC-OW系统同时进行高速移动通信和高精度的三维定位,以及无接触感知人体心跳和呼吸频谱的可行性。

作为下一代无线通信技术,6G将融合通信和感知功能为一体。6G将继续低中高混合分层的频谱使用方式,高频除了毫米波之外,在一些家庭和工业的应用场景下,也逐步向太赫兹及光谱延伸。光无线通感技术可以自然地融合在已有的光照明、光显示系统中,每一盏灯、每一个屏幕都可成为未来6G光无线通感系统的一部分。由于具有超大的通信带宽,光谱介质是实现超高速率通信的潜在备选方案。同时,由于光谱与传统电磁频谱间隔较大,不会对传统无线电频段产生电磁干扰,尤其适用于智慧医疗、工业制造等对电磁辐射比较敏感的环境。此外,光谱的亚毫米级波长,能够实现高精度定位及高分辨率成像;并可利用物质对光波特性的响应,实现更精细、更准确的医疗健康感知和监测。在以下的视频中,我们展示了未来ISAC-OW的愿景和应用场景。

视频1:光无线通感一体化ISAC-OW愿景与应用场景

华为6G研究团队实现了光无线通感系统的关键技术研究突破和一体化原型验证。下面的视频简单介绍了团队研发的第一个ISAC-OW样机系统,能够实现通信、定位、感知一体化的架构和能力。该ISAC-OW样机系统,希望模拟在医疗环境中,通过光无线链路(可见光及红外光谱)精确感知和定位移动机器人,从而远程控制移动机器人拾取和搬运各种物体。样机中的光链路还同时承载着移动机器人与控制器间实时高清视频的无线高速传输,实现通感一体化。此外,这套ISAC-OW样机还可以通过对人体面部颜色的变化,或是腹部起伏的感知,实时且无接触地监测心率和呼吸状态,检测准确性与商用智能手表相当。

视频2:光无线通感一体化ISAC-OW样机

在该原型研制过程中,团队相继突破了分布式光天线联合检测与传输、一体化通信感知架构设计、高精度ToF(Time of Flight)建模分析等核心技术,例如:

  • 针对通信和定位一体化,通过通感一体化波形、硬件架构以及信号处理算法设计,在实现高速无线光通信的同时,也实现了厘米级的室内定位精度。在定位过程中,终端采用增强反光面,独立地反射各个基站的来光,避免反射光干扰其他基站,使多个基站可在非同步的情况下测量相位差,达到高精度的定位效果。
  • 针对无接触健康监测,采用了ToF建模分析与深度学习技术的结合,利用心跳对人体脸部血液的影响,通过精确测量人脸反射光强的细微变化来测量心跳和呼吸频率(后者也可利用呼吸时人腹部的起伏来测量),均获得了与接触式健康检测仪器(如智能手表)等同的检测性能。

展望

光无线通信感知一体化系统,利用光谱的大带宽、视距传输、无射频干扰、高能量效率等特性,为未来6G应用场景提供了更大的想象空间和技术基础。华为6G团队将持续对光无线通信感知一体技术的进行研究和探索,以期为未来的全息医院、工业自动化等6G场景提供最先进的核心技术和解决方案。