通感一體化研究平臺采用兩臺USRP-LW X310軟件無線電設備（搭配毫米波擴展模塊（24-44GHz）），分別作為通信感知節點與用戶終端。系統工作時，通信感知節點在向用戶終端發射通信信號以保障數據傳輸的同時，接收來自探測目標的回波信號；通過對兩類信號的協同處理，實現通信與感知功能的有效融合，從而在維持正常通信的同時完成對多目標的探測與識別。

（1）通信感知節點

該節點包含1臺軟件定義無線電(USRP-LW X310)、1套毫米波擴展模塊（24-44GHz）、1臺高性能電腦主機（i7 9700）、2根毫米波天線。

主要功能：發射通信感知一體化波形，接收并處理回波信號以實現目標檢測、測距測速等感知功能。

（2）通信用戶

該節點包含1臺USRP-LW X310軟件定義無線電、1套毫米波擴展模塊（24-44GHz）、1臺高性能電腦主機（i7 9700）、2根毫米波天線。

主要功能：完成通信信號的接收解調并評估通信性能。

（3）感知目標

如無人機，用于反射探測波，其回波攜帶位置、運動等信息

（4）軟件

通信感知節點：通感一體化收發機控制軟件

通信用戶：通信接收端控制軟件

（1）射頻的連接

分別采用1臺USRP-LW X310模擬通信感知節點、通信用戶，通過毫米波線纜連接USRP-USRP-LW X310與毫米波擴展模塊（含上、下變頻模塊）；通過毫米波線纜連接毫米波擴展模塊與毫米波天線，實現將中頻信號搬移到毫米波頻段，或者將毫米波頻段信號搬移到中頻頻段。

（2）數據的連接

上位機與USRP-LW X310之間通過SFP+接口進行數據傳輸；軟件層面依托 Ubuntu 系統部署通感一體化收發機控制軟件、通信接收端控制軟件，實現通感一體化協議與信號處理。

通感一體化協議

通感一體化協議如圖2所示，考慮一個相干處理間隔內的信號處理過程，在此期間，用戶與收發端的信道以及目標狀態（例如，速度與位置）基本保持不變。一個相干處理間隔被劃分為兩個階段：1）同步與粗感知階段，該階段復用通信同步資源對目標進行粗感知；2）通信與精感知階段，該階段復用下行傳輸資源對目標進行精感知。

同步與粗感知階段由個同步信號塊（Synchronization Signal Block，SSB）構成，發射端在每個SSB改變一次波束方向進行波束掃描，從而向覆蓋范圍內的用戶廣播同步信號。同時，接收端接收回波信號，進行目標檢測與目標方位粗估計。

通信與精感知階段分為個波束對準塊（Beam Alignment Block，BAB），其中表示在同步與粗感知階段檢測到目標或同步到用戶的方向數。在該階段中，發射端依次產生對準這些方向的波束，每個波束持續一個BAB，從而實現與用戶的通信以及對目標的測距與測速。具體而言，對于僅有目標/用戶的波束，發射端發射占用所有時頻資源的感知/通信波形以進行目標狀態估計或用戶數據傳輸。對于同時存在目標與用戶的波束，發射端發射通感一體化波形以同時估計目標狀態并與用戶通信。

下圖所示為本方案的信號處理框架。在同步與粗感知階段（如圖（a）所示），通過上位機控制USRP發射SSB信號服務用戶同步，同時接收回波信號對目標進行檢測與方位估計。在通信與精感知階段（如圖（b）所示），通過上位機控制USRP，根據波束覆蓋范圍內用戶與目標的存在與否發射不同波形，在與用戶通信的同時對目標進行測距測速。

（a）粗感知與同步階段

（b）精感知與通信階段

目標檢測與方位粗估計

在粗感知過程中，接收端利用每個SSB中接收到的回波信號，對目標進行檢測與方位粗估計。然而，一方面，由于單個SSB占據的時頻資源有限，僅利用單個掃描波束下的回波信號進行粗感知存在信號處理增益低問題。為此，本方案設計一種空域增強的時延多普勒（Delay-Doppler，DD）譜檢測器，對多個掃描波束的回波信號進行聯合處理以獲取空域分集增益。在該檢測器中，首先對不同波束下回波信號進行相位校準以進行相干疊加，隨后對各信號進行最大比合并以充分獲取分集增益。另一方面，針對波束掃描分辨率有限導致的目標方位估計精度低問題，本方案設計一種基于時空聯合信號處理的方向估計方法，實現對多目標的超分辨率方向估計。對上述方法進行初步仿真驗證，如圖（a）所示，相比于單波束目標檢測方法，基于多波束聯合目標檢測可實現更高的檢測成功率。如圖（b）所示，所提出的基于時空聯合信號處理的方向估計方法不受波束掃描分辨率限制，可實現超分辨率角度估計。

目標測距與測速

在精感知過程中，接收端利用每個BAB中接收到的回波信號，對目標進行測距與測速。為此，本方案首先基于DD估計對每個波束進行多目標測距與測速。隨后，針對波束重疊導致的目標重復估計問題，本方案提出了一種DD譜對比方案以排除重復估計的目標，并提升目標角度估計的精度。

通感一體化波形設計

資源分配示意圖

在通信與精感知階段，對于同時存在目標與用戶的波束，設計一種基于正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的通感一體化波形以實現同時估計目標狀態并與用戶通信。具體來說，如上圖所示，每個BAB中的時頻資源被劃分為兩部分，其中，主要資源被分配用于下行傳輸，剩余少部分資源用于優化通感一體化波形的感知性能。需要說明的是，感知功能不僅利用波形優化資源，同時復用下行傳輸資源以提高信號處理增益。

由于感知功能復用下行傳輸資源，通信符號的隨機性不可避免地會降低通感一體化波形的感知性能。為此，可通過波形優化資源上的符號設計，優化通感一體化波形感知性能。對上述方法進行初步仿真驗證，下圖所示為對通感一體化波形模糊函數的峰值旁瓣比（Peak-to-Sidelobe Ratio，PSLR）進行優化的效果，其中，波形優化資源占總資源的30%，經過波形優化后，通感一體化波形模糊函數的PSLR顯著降低，有利于多目標參數估計精度與分辨率的提升。

通感一體化波形模糊函數PSLR優化典型應用場景

信道編碼類型：LDPC 碼（低密度奇偶校驗碼）；

核心波形類型：OFDM 通感一體化波形；

目標感知核心方式：多波束聯合 DD 譜檢測、時空聯合超分辨率角度估計、DD 譜測距測速

該系統可用于驗證測距與測速應用場景，實現對多個目標的感知。