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vivo通信研究院：基于5G空口的通感一體化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集

原文刊載于《電子與信息學(xué)報(bào)》2025年第4期論文

通感一體化是ITU定義的6G的六大場(chǎng)景之一。為了推動(dòng)通感一體化的技術(shù)落地和標(biāo)準(zhǔn)制定，該文公開了一個(gè)實(shí)測(cè)的、基于5G空口的通感一體化感知信號(hào)數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集使用通用軟件無線電外設(shè)工作于sub-6 GHz頻段，運(yùn)行5G NR物理層協(xié)議棧，復(fù)用NR的PDSCH-DMRS作為感知信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包含了2個(gè)場(chǎng)景和2種感知模式共8組數(shù)據(jù)。在每個(gè)場(chǎng)景和每種感知模式下，提供了包含運(yùn)動(dòng)感知目標(biāo)和背景環(huán)境的連續(xù)30 s的8通道信道信息數(shù)據(jù)，并提供了僅包含背景環(huán)境的數(shù)據(jù)。為了清晰地展示數(shù)據(jù)特征，該文展示了通過2D-DFT算法獲得的典型數(shù)據(jù)的時(shí)延譜和時(shí)延-多普勒譜。

數(shù)據(jù)集下載：

https://www.scidb.cn/detail?dataSetId=4349c4b1f4ed4f2086d780ec3f73e40a&version=V2&code=j00173

數(shù)據(jù)集引用：

若在論文、學(xué)術(shù)報(bào)告中使用該數(shù)據(jù)集，請(qǐng)標(biāo)注數(shù)據(jù)集引用方式：

丁圣利, 陳保龍, 姜大潔. 基于5G空口的通感一體化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2025, 47(4): 909-920. doi: 10.11999/JEIT241142

DING Shengli, CHEN Baolong, JIANG Dajie. A Measured Dataset for ISAC Based on 5G Air Interface[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(4): 909-920. doi: 10.11999/JEIT241142

數(shù)據(jù)集構(gòu)造方法

本數(shù)據(jù)集依托 vivo通信研究院，面向6G通感一體化的技術(shù)落地和標(biāo)準(zhǔn)制定，旨在促進(jìn)雙基地感知信號(hào)處理的研究和發(fā)展，填補(bǔ)基于5G空口的通感一體化的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集的空白，可滿足雙基地感知信號(hào)處理研究。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件配置方面，本數(shù)據(jù)集使用通用軟件無線電外設(shè)（USRP）作為感知信號(hào)的發(fā)送和接收設(shè)備。在進(jìn)行雙基地感知數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用兩臺(tái)USRP分別作為感知信號(hào)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，分別運(yùn)行5G NR基站和UE的物理層協(xié)議棧用來發(fā)送和接收感知信號(hào)。其中，USRP的型號(hào)為YunSDR Y790s，物理層協(xié)議棧為基于NR R15開發(fā)的自研協(xié)議棧。為了與單基地感知進(jìn)行對(duì)照，還提供了單基地感知數(shù)據(jù)；采用一臺(tái)USRP運(yùn)行NR基站的物理層協(xié)議棧用來發(fā)送和接收感知信號(hào)。另外，感知信號(hào)采用1通道發(fā)送、8通道接收，以支持多通道測(cè)角。

圖1 單基地感知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖2 雙基地感知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在感知目標(biāo)設(shè)置方面，為了盡可能準(zhǔn)確地提供感知目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的真值，以金屬導(dǎo)體球作為感知目標(biāo)，金屬導(dǎo)體球通過連接桿固定在直線導(dǎo)軌上、并隨導(dǎo)軌履帶做往返運(yùn)動(dòng)。在豎直方向上，金屬導(dǎo)體球中心與發(fā)射天線中心和接收天線中心均處于同一高度。本數(shù)據(jù)集包括2個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，場(chǎng)景配置如圖3所示。

圖3 測(cè)試場(chǎng)景俯視圖

在感知信號(hào)配置方面，復(fù)用NR協(xié)議的PDSCH-DMRS作為感知信號(hào)。在頻域，感知信號(hào)以comb-2的方式均勻分布在連續(xù)的273個(gè)RB上，共包含1638個(gè)子載波。在時(shí)域，每個(gè)時(shí)隙有1個(gè)OFDM符號(hào)上有感知信號(hào)；為了提升數(shù)據(jù)集使用的靈活性，采用全下行的信號(hào)配置以最大化感知信號(hào)的時(shí)域采樣密度，感知信號(hào)所在OFDM符號(hào)的周期為0.125 ms。

圖4 感知信號(hào)配置

在數(shù)據(jù)采集過程中，感知信號(hào)的接收機(jī)執(zhí)行NR協(xié)議中的通信信號(hào)預(yù)處理方法，包括：時(shí)頻同步處理后去除CP，通過IDFT運(yùn)算將時(shí)域信號(hào)變換到頻域，提取出PDSCH-DMRS，并進(jìn)行最小二乘信道估計(jì)得到信道矩陣。即，本數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)為信道矩陣。

數(shù)據(jù)集描述與使用說明

根據(jù)上述的2個(gè)場(chǎng)景和2種感知模式，結(jié)合有無感知目標(biāo)，本數(shù)據(jù)集共包含8組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)文件夾，文件夾內(nèi)數(shù)據(jù)文件均為“.mat”格式。文件夾標(biāo)簽信息包含3類標(biāo)簽屬性：場(chǎng)景編號(hào)、感知模式、是否有感知目標(biāo)；其中，“sc1”和“sc2”分別表示場(chǎng)景1和場(chǎng)景2，“mono”和“bi”分別表示單基地感知和雙基地感知，“bg”和“st”分別表示僅有背景環(huán)境和有感知目標(biāo)存在。三類標(biāo)簽之間用“_”隔離，文件夾標(biāo)簽信息與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)含義如表1所示。

表1 文件夾標(biāo)簽與數(shù)據(jù)含義

文件夾標(biāo)簽	數(shù)據(jù)含義	數(shù)據(jù)文件數(shù)量
sc1_mono_bg	場(chǎng)景1 單基地感知僅背景環(huán)境	10
sc1_mono_st	場(chǎng)景1 單基地感知有感知目標(biāo)	150
sc1_bi_bg	場(chǎng)景1 雙基地感知僅背景環(huán)境	10
sc1_bi_st	場(chǎng)景1 雙基地感知有感知目標(biāo)	150
sc2_mono_bg	場(chǎng)景2 單基地感知僅背景環(huán)境	10
sc2_mono_st	場(chǎng)景2 單基地感知有感知目標(biāo)	150
sc2_bi_bg	場(chǎng)景2 雙基地感知僅背景環(huán)境	10
sc2_bi_st	場(chǎng)景2 雙基地感知有感知目標(biāo)	150

每個(gè)文件夾內(nèi)是按照前述感知信號(hào)配置連續(xù)采集的數(shù)據(jù)，為了方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取和處理，將數(shù)據(jù)分段存放。1個(gè)數(shù)據(jù)文件包含持續(xù)時(shí)長為0.2 s的數(shù)據(jù)，從而對(duì)應(yīng)1600個(gè)OFDM符號(hào)。數(shù)據(jù)文件命名為“data_x.mat”，其中“x”表示數(shù)據(jù)文件在該文件夾內(nèi)的編號(hào)。每個(gè)“.mat”文件中的數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)體類型，包含8個(gè)字段，對(duì)應(yīng)接收機(jī)的8個(gè)通道，通道命名為“ch”+“通道編號(hào)”，例如，“ch1”, “ch8”。每個(gè)通道的數(shù)據(jù)為1638行×1600列的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，1行對(duì)應(yīng)1個(gè)子載波、1列對(duì)應(yīng)1個(gè)OFDM符號(hào)。

單個(gè)數(shù)據(jù)文件占用存儲(chǔ)空間約為280 MB，本數(shù)據(jù)集共計(jì)約175 GB。以Matlab處理為例，可以使用“l(fā)oad”命令或者“importdata()”函數(shù)加載數(shù)據(jù)；加載數(shù)據(jù)后可以通過“xxx.ch1”訪問通道1數(shù)據(jù)，訪問其他通道數(shù)據(jù)同理。

圖5 數(shù)據(jù)路徑層級(jí)

數(shù)據(jù)示例

通過2D-DFT將感知信號(hào)從時(shí)間-頻率域變換到時(shí)延-多普勒域，能夠直觀地觀察數(shù)據(jù)特征。對(duì)于單基地感知，由于感知信號(hào)的接收機(jī)與發(fā)射機(jī)為同一設(shè)備，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)完美同步，其數(shù)據(jù)特征如圖6所示。

圖6 單基地感知數(shù)據(jù)特征

對(duì)于雙基地感知，由于感知信號(hào)的接收機(jī)與發(fā)射機(jī)采用各自的頻率源生成本振信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生定時(shí)偏差、定時(shí)漂移和載波頻率偏差等。并且，通信系統(tǒng)的定時(shí)調(diào)整機(jī)制也會(huì)引起收發(fā)兩端時(shí)鐘的相對(duì)跳變。這些非理想因素會(huì)使得接收的感知信號(hào)沿頻域維度和時(shí)間維度產(chǎn)生額外的未知相位，導(dǎo)致最終的數(shù)據(jù)特征如圖7所示。。

圖7 雙基地感知數(shù)據(jù)特征

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本數(shù)據(jù)集基于vivo通信研究院研發(fā)的雙基地感知通感一體化原型樣機(jī)構(gòu)造得到。完全獨(dú)立的基站和終端間進(jìn)行雙基地感知的核心問題是解決由設(shè)備間時(shí)頻異步引起的定時(shí)偏差、定時(shí)漂移和載波頻率偏差等問題。通過樣機(jī)的開發(fā)和研究，vivo清晰地揭示了時(shí)頻異步對(duì)于感知信號(hào)的作用機(jī)理，提出對(duì)應(yīng)解決方案并應(yīng)用與原型樣機(jī)，獲得較好效果。該樣機(jī)通過IMT-2030通感測(cè)試，在第四屆通感一體化學(xué)術(shù)研討會(huì)上獲得Best Demo Award，并在中國移動(dòng)和中國電信舉辦的展會(huì)上進(jìn)行了展示，如圖8所示。