通感一體化研究平臺采用兩臺USRP-LW X310軟件無線電設(shè)備（搭配毫米波擴展模塊（24-44GHz）），分別作為通信感知節(jié)點與用戶終端。系統(tǒng)工作時，通信感知節(jié)點在向用戶終端發(fā)射通信信號以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，接收來自探測目標(biāo)的回波信號；通過對兩類信號的協(xié)同處理，實現(xiàn)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(biāo)的探測與識別。

（1）通信感知節(jié)點

該節(jié)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(fā)射通信感知一體化波形，接收并處理回波信號以實現(xiàn)目標(biāo)檢測、測距測速等感知功能。

（2）通信用戶

該節(jié)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(diào)并評估通信性能。

（3）感知目標(biāo)

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(jié)點：通感一體化收發(fā)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(jié)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(xiàn)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(shù)據(jù)的連接

上位機與USRP-LW X310之間通過SFP+接口進行數(shù)據(jù)傳輸；軟件層面依托 Ubuntu 系統(tǒng)部署通感一體化收發(fā)機控制軟件、通信接收端控制軟件，實現(xiàn)通感一體化協(xié)議與信號處理。

通感一體化協(xié)議

通感一體化協(xié)議如圖2所示，考慮一個相干處理間隔內(nèi)的信號處理過程，在此期間，用戶與收發(fā)端的信道以及目標(biāo)狀態(tài)（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(fù)用通信同步資源對目標(biāo)進行粗感知；2）通信與精感知階段，該階段復(fù)用下行傳輸資源對目標(biāo)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(gòu)成，發(fā)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(nèi)的用戶廣播同步信號。同時，接收端接收回波信號，進行目標(biāo)檢測與目標(biāo)方位粗估計。

通信與精感知階段分為個波束對準(zhǔn)塊（Beam Alignment Block，BAB），其中表示在同步與粗感知階段檢測到目標(biāo)或同步到用戶的方向數(shù)。在該階段中，發(fā)射端依次產(chǎn)生對準(zhǔn)這些方向的波束，每個波束持續(xù)一個BAB，從而實現(xiàn)與用戶的通信以及對目標(biāo)的測距與測速。具體而言，對于僅有目標(biāo)/用戶的波束，發(fā)射端發(fā)射占用所有時頻資源的感知/通信波形以進行目標(biāo)狀態(tài)估計或用戶數(shù)據(jù)傳輸。對于同時存在目標(biāo)與用戶的波束，發(fā)射端發(fā)射通感一體化波形以同時估計目標(biāo)狀態(tài)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(fā)射SSB信號服務(wù)用戶同步，同時接收回波信號對目標(biāo)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(jù)波束覆蓋范圍內(nèi)用戶與目標(biāo)的存在與否發(fā)射不同波形，在與用戶通信的同時對目標(biāo)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(biāo)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(biāo)進行檢測與方位粗估計。然而，一方面，由于單個SSB占據(jù)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(shè)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(lián)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(zhǔn)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(dǎo)致的目標(biāo)方位估計精度低問題，本方案設(shè)計一種基于時空聯(lián)合信號處理的方向估計方法，實現(xiàn)對多目標(biāo)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(biāo)檢測方法，基于多波束聯(lián)合目標(biāo)檢測可實現(xiàn)更高的檢測成功率。如圖（b）所示，所提出的基于時空聯(lián)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(xiàn)超分辨率角度估計。

目標(biāo)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(biāo)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(biāo)測距與測速。隨后，針對波束重疊導(dǎo)致的目標(biāo)重復(fù)估計問題，本方案提出了一種DD譜對比方案以排除重復(fù)估計的目標(biāo)，并提升目標(biāo)角度估計的精度。

通感一體化波形設(shè)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(biāo)與用戶的波束，設(shè)計一種基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的通感一體化波形以實現(xiàn)同時估計目標(biāo)狀態(tài)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(yōu)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(yōu)化資源，同時復(fù)用下行傳輸資源以提高信號處理增益。

由于感知功能復(fù)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(yōu)化資源上的符號設(shè)計，優(yōu)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(shù)的峰值旁瓣比（Peak-to-Sidelobe Ratio，PSLR）進行優(yōu)化的效果，其中，波形優(yōu)化資源占總資源的30%，經(jīng)過波形優(yōu)化后，通感一體化波形模糊函數(shù)的PSLR顯著降低，有利于多目標(biāo)參數(shù)估計精度與分辨率的提升。

通感一體化波形模糊函數(shù)PSLR優(yōu)化典型應(yīng)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(biāo)感知核心方式：多波束聯(lián)合 DD 譜檢測、時空聯(lián)合超分辨率角度估計、DD 譜測距測速

該系統(tǒng)可用于驗證測距與測速應(yīng)用場景，實現(xiàn)對多個目標(biāo)的感知。