基于視覺(jué)感知的波束跟蹤系統(tǒng)

清華大學(xué)高飛飛老師團(tuán)隊(duì)聯(lián)合曾益科技將在無(wú)線研究領(lǐng)域的年度盛會(huì)IEEE/CIC International Conference on Communications in China上展出基于軟件無(wú)線電平臺(tái)及人工智能算法相結(jié)合的原型驗(yàn)證系統(tǒng)Vicom，可實(shí)現(xiàn)基于視覺(jué)感知的毫米波波束跟蹤及遮擋情境下的高低頻無(wú)縫切換演示驗(yàn)證，該技術(shù)屬于感知通信一體化新體系。

研究背景

5G的主流部署方式之中主要存在兩個(gè)頻段：Sub6G頻段（6GHz以下頻段）與毫米波頻段（24GHz至300GHz頻段）。毫米波頻段相比于Sub6G頻段具有高數(shù)據(jù)吞吐量、大帶寬、天線體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此占據(jù)5G通信研究前沿的重要一席。

然而，毫米波也具有其波段上的固有缺點(diǎn)，如大維天線信道估計(jì)開(kāi)銷較高，波束對(duì)準(zhǔn)耗時(shí)較長(zhǎng)，相對(duì)于低頻信號(hào)穿透能力弱、易被遮擋等缺點(diǎn)。近期研究表明，可利用感知信息等帶外信息輔助提高無(wú)線通信性能，因此感知通信一體化研究已成為B5G乃至6G技術(shù)的熱點(diǎn)之一。

本原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用視覺(jué)感知信號(hào)來(lái)輔助毫米波通信的演示驗(yàn)證，包括視頻感知輔助的窄波束實(shí)時(shí)跟蹤，視頻感知輔助的遮擋判斷，一站雙頻的高低頻切換等來(lái)保持穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)起名為Vicom，意指Vision Aided Communications。

系統(tǒng)展示

基于視覺(jué)感知的波束跟蹤系統(tǒng)

使用視覺(jué)感知以及人工智能的方式從環(huán)境中獲取收發(fā)兩端最優(yōu)的波束權(quán)重，并通過(guò)傳感器直接控制收發(fā)兩端的大規(guī)模天線相位、無(wú)需使用昂貴的射頻鏈路資源。

傳統(tǒng)框架下毫米波通信的波束成形與跟蹤采用的是：在收發(fā)兩端依次掃描遍歷整個(gè)碼本來(lái)確定接收能量最強(qiáng)的方向作為波束對(duì)準(zhǔn)方向。該方式在用戶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須不斷掃描整個(gè)碼本、造成時(shí)間資源和通信資源浪費(fèi)。

在所搭建的基于視覺(jué)感知的毫米波通信系統(tǒng)中，基站端和用戶移動(dòng)端均使用攝像頭對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知、然后利用人工智能的方式從視覺(jué)信息中找到當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)的波束方向，從而控制毫米波陣列的波束權(quán)重。該方法利用可見(jiàn)光頻段這類“帶外”信息，不占用寶貴的帶內(nèi)資源，且無(wú)需掃描遍歷整個(gè)碼本，使得波束跟蹤算法更加簡(jiǎn)單、且降低了設(shè)備成本。

基于視覺(jué)感知的高低頻通信切換系統(tǒng)

使用視覺(jué)對(duì)于毫米波天線遮擋情況進(jìn)行判斷，在存在天線遮擋的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換低頻傳輸，有效地解決了遮擋物導(dǎo)致的毫米波傳輸中斷問(wèn)題。

在毫米波通信之中，對(duì)于遮擋物阻隔信號(hào)的處理問(wèn)題是研究關(guān)注的熱點(diǎn)之一。毫米波較弱的穿透能力、較弱的散射和衍射能力使得在存在遮擋物的情形下通信效果迅速下降。

5G通信之中存在Sub6G較低的頻率資源，且使用Sub6G頻段的低頻通信具有豐富的散射和衍射效應(yīng)，形成充足的多徑資源，使得5G通信在NLOS下也能夠正常進(jìn)行通信。目前已有大量的基站采用一站多頻的方式，而相當(dāng)多類型的手機(jī)也已經(jīng)支持多個(gè)高低頻頻段。

所搭建的演示驗(yàn)證系統(tǒng)使用基站端和移動(dòng)端的視覺(jué)判定LOS徑是否被遮擋、若遮擋存在將通信頻段從毫米波頻段切換至使用NLOS徑的Sub6G頻段。在遮擋物消失后，基站端和移動(dòng)端通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)自動(dòng)切換回毫米波頻段繼續(xù)進(jìn)行波束跟蹤。

應(yīng)用前景

基于視覺(jué)輔助無(wú)線通信系統(tǒng)其本質(zhì)是將傳統(tǒng)通信轉(zhuǎn)化為“主動(dòng)感知通信”，屬于主動(dòng)感知輔助的通信方式，是感知通信一體化新體系中的重要技術(shù)。采用主動(dòng)感知的方案，使得基站端能夠利用人工智能算法對(duì)周圍通信環(huán)境做出判斷，不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)波束跟蹤。

同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)遮擋判斷、參數(shù)獲取、資源配置等多種功能、對(duì)于多類其他通信場(chǎng)景例如智能反射面（RIS）等也有良好的支撐，具有大規(guī)模部署和應(yīng)用的前景。

大咖分享

團(tuán)隊(duì)研究負(fù)責(zé)人清華大學(xué)高飛飛副教授將會(huì)出席IEEE/CIC同期6G分論壇，分享6G智能無(wú)線通信研究的最新進(jìn)展。

演講摘要

在無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)里融入人工智能技術(shù)已成為無(wú)線通信領(lǐng)域的新趨勢(shì)，并被認(rèn)可為是6G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本報(bào)告主要講述了如何利用深度學(xué)習(xí)對(duì)無(wú)線通信物理層各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，包括信道估計(jì)、信道預(yù)測(cè)、波束成形等。

研究表明，利用深度學(xué)習(xí)能夠解決傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無(wú)法觸及的大量新問(wèn)題。我們同時(shí)還搭建了原型驗(yàn)證平臺(tái)來(lái)展示人工智能融合無(wú)線通信的可行性。

演講嘉賓

高飛飛老師長(zhǎng)期從事智能通信與信號(hào)處理技術(shù)研究，發(fā)表IEEE期刊論文150余篇，獲谷歌引用1萬(wàn)余次，獲中國(guó)通信學(xué)會(huì)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國(guó)通信學(xué)會(huì)青年科技獎(jiǎng)、IEEE通信學(xué)會(huì)亞太地區(qū)杰出青年學(xué)者稱號(hào)。

擔(dān)任IEEE TCOM、IEEE TWC、IEEE JSTSP、IEEE TCCN等6個(gè)IEEE頂級(jí)期刊高級(jí)編委/客座編委/編委、以及中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊《China Communications》編委。

編輯：jq