对6G联合通信与传感系统进行高效原型验证

​将通信与传感相结合

自动驾驶汽车网络及某些其他应用已经集成了雷达传感和无线通信功能。传统上来说，无论是雷达还是通信，每种服务都在各自的频段上运行，并且需要基于自身的硬件平台。然而在6G领域中，这两种功能可能会集成在一起，共享同一个波形。如此一来，硬件和频谱将得到有效利用，这两种服务的效率也会得到提高，并让许多新应用成为可能。这种方法被称为联合通信和雷达传感(JC&S)或集成传感和通信(ISAC)，其愿景是能够在通信网络中按需提供雷达即服务(RaaS)，复用相同的无线电资源并采用单个硬件平台（图1）。位于德累斯顿的Barkhausen Institute目前正在研究这样的JC&S系统，而为了对其进行硬件验证，该机构采用了NOFFZ开发的软件框架，使研究人员能够使用NI的毫米波收发仪系统进行高效的原型验证。

^{图1. 一个联合通信与传感场景，其中有汽车、路上的行人和基站。(1)}

JC&S原型验证的测试要求

JC&S有望成为超5G (B5G)网络的关键功能之一。要实现雷达与通信系统的集成，需要设计出更具成本效益和电源效率的收发仪。Barkhausen Institute的研究人员正在研究新的波形和适当的信号处理技术，这些技术可以经济高效地实现这两个目标。2019年8月，他们公开招标，想寻找一款74 GHz毫米波收发仪系统，帮助实现通信和雷达技术的设计与验证。NOFFZ在NI毫米波测试系统硬件平台、高吞吐量FPGA编程和通用软件开发方面拥有丰富的专业知识，非常适合为Barkhausen Institute的研究人员提供一款简单的API，以控制毫米波范围内任意波形的生成和测量。

解决方案概述及其优势

NOFFZ提供了一个包括软件框架的完整测试系统，使研究人员能够专注于他们的专业领域，免去了复杂的硬件操作。

所选的硬件平台（带有射频头的NI毫米波收发仪系统）的工作频率范围为71至76 GHz，实时带宽为2 GHz，模拟增益范围为55 dB。之所以选择该平台，还因其TX和RX路径都有3种工作模式。该系统包含基带和IF硬件，可灵活使用不同的RF前端或只使用IF或基带信号。它支持高达3.072 GSps的I/Q采样率和12位的I/Q数据分辨率。集成的NI FlexRIO FPGA可用于实时处理2 GHz通道或实现各种数字信号处理(DSP)算法。此外，该系统架构还可以通过API扩展支持新的软件环境。

^{图2. 系统架构支持灵活切换操作模式和模块化替换不同部件。}

第二个优势是系统同步。两个PXI系统可以独立运行或以同步模式运行。对于后者，毫米波收发仪系统的基本配置中添加了一个定时和同步模块(NI PXIe-6674T)。两个PXI系统的传输和两个接收器可以共享一个启动触发器。或者，它们也可以相干运行，共享LO。系统初始化后，同步稳定性（触发器抖动）小于1 ns。这意味着到目前为止，已达到25 ns的要求值。

^{图3. 毫米波测试系统由两个子系统组成。系统A（收发仪，下方设备）支持以自定义IQ采样相干传输和接收RF信号，用于雷达信号分析。系统B（接收器，上方设备）接收RF信号，主要用于通信信号部分。(2)}

所介绍的系统架构之所以能够中标，还因为它具有可扩展的模块化应用软件。NOFFZ设计了3种模块：  

1.毫米波仪器控制应用程序
2.命令服务应用程序
3.Python API  

根据招标要求，远程仪器控制已通过Python API实现。在NI毫米波系统上运行的模块也已基于NI LabVIEW实现。NI LabVIEW FPGA模块支持参考FPGA代码在TX和RX路径中进行扩展，实现数字基带覆盖。这些模块和应用程序使用ZeroMQ (ZMQ) TCP库相互通信，这是使用多种不同目标语言和编程语言情况下常见的连接管理方式。此外，NOFFZ还开发了一个在PXI系统上本地运行的用户界面，用于调试和控制。仿真模式支持在没有硬件接入的情况下也能使用API进行测试和实验。

^{图4. NOFFZ为NI毫米波测试系统开发和实现且由3部分组成的软件架构。}

NOFFZ的目标是开发一个完整的软件框架，无需再使用复杂的RF毫米波硬件，通过简单的API即可完成工作。这为用户带来了便利，可更大程度地提高设备利用率。NI毫米波收发仪系统是一个现成即用的软件无线电，提供对NI LabVIEW和基本采样流项目的API支持。为JC&S系统寻找新的波形需要基于正交频分复用(OFDM)或频调连续波(FMCW)提出新方案。归根结底，需要开发FPGA附加软件，开放板载DRAM，来实现更高的采样容量和更好的信号修正。

总结和展望

理论上来说，无线通信和雷达传感都利用了同一种物理现象，即电磁波传播，因此可以共享相同的波形、频谱和硬件。然而在实践中，需要进行大量研究和原型验证。

Barkhausen Institute的研究人员利用上述毫米波测试系统实现了初步的里程碑式突破。这个模块化平台使他们能够测试通信算法并演示概念。关于基于线性调频的波形和RF硬件挑战的一些研究结果已经在同行审评文章中发表。而在汽车或其他应用场景中的具体实现终将取决于联合功能系统的成本效益。NOFFZ对Python API和FPGA附加软件的开发和实现将有望加快这一进程。 

作者信息：

Thomas Magruder，NOFFZ Technologies USA Inc.总经理thomas.magruder@noffz.com +1 512 692 7137 NOFFZ Technologies USA Inc.2808 Longhorn Blvd, Suite 308 Austin, TX 78758, USA；
Milos Radulović，NOFFZ-Forsteh Technologies d.o.o.常务董事，塞尔维亚贝尔格莱德；
Markus Solbach，NOFFZ Technologies销售和市场总监兼常务董事，德国特尼斯福斯特；
Vanessa Blumenstein，NOFFZ Technologies技术市场经理，德国特尼斯福斯特；
Tim Hentschel博士，Barkhausen Institut gGmbH常务董事，德国德累斯顿

参考文献：

^{(1) https://www.barkhauseninstitut.org/en/research/research-topics/joint-radar-and-communication，2021年6月9日}

^{(2) © Lichtwerke Design Fotografie，由Barkhausen Institute​提供}