Same-time and same-frequency millimeter wave communication perception fusion system and method thereof

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图7，本发明一种同时同频的毫米波通信感知融合系统，包括中心单元CU、分布式单元DU、n个远端单元RU，以及每个远端单元RU对应的m个用户单元User，中心单元CU包括一个相干光频梳发生器OFCG、一个多通道光滤波器MOF、一个同时同频通感边带发生器、一个光延时匹配模块、一个光耦合器OC；分布式单元DU包括一个掺饵光纤放大器EDFA和一个光分路器OS，光分路器OS功能是功率分配；每个远端单元RU包括一个光电探测器PD、一个功率放大器PA、两个天线HA，光电探测器PD的功能是进行光电转换，产生同时同频通信感知融合的毫米波信号，以及一个雷达解啁啾模块；每个用户单元User包含一个天线HA、一个模拟下变频模块、一套雷达干扰消除DSP算法，以及一套通信DSP算法；中心单元CU、分布式单元DU和远端单元RU之间通过光纤有线连接，远端单元RU和用户单元User之间通过无线连接。

进一步的，无线连接是指无线电磁波进行连接，也就是不需要采用光纤以及电缆等有线介质，在本发明中R远端单元U天线发射的电磁波被用户单元User天线接收，即实现了无线连接。

这使得本发明既具有光纤的分布式传输和部署能力，又具有无线的灵活接入能力。通过同时同频的通信感知融合波形、算法和架构，更加适用于未来大容量、高精度的通感一体化移动网络；在发射端利用光子辅助的架构，将感知和通信波形同时上变频至同一毫米波载频；采用的雷达和通信波形与现有独立通感系统一致，不需要做出特定修改，更加易于兼容现有通感算法。

一种同时同频的毫米波通信感知融合方法，中心单元CU的通感资源通过一系列电域和光域处理后，经过一段单模光纤SMF传递至分布式单元DU；分布式单元DU对接收到的光信号进行功率补偿，然后根据各远端单元RU的需求进行光功率分配；分布式单元DU分配好的光信号经过n段单模光纤SMF传输至对应的n个远端单元RU；每个远端单元RU将接收到的光信号转换为同时同频的毫米波通感融合信号，并通过无线信道传送至该远端单元RU对应的m个用户单元User；远端单元RU发射的信号一部分被用户反射回远端单元RU，感知每个用户单元User，另一部分被用户天线接收，与每个用户单元User进行通信。

进一步的，相干光频梳发生器OFCG由一个外腔激光器ECL、一个马赫曾德尔调制器MZM和一个射频时钟源组成。MOF由一个光交织器OIL实现，同时同频通感边带发生器由一对互为希尔伯特变化(Hilbert)的基带或中频的同时同频通信感知融合信号驱动IQ调制器实现。

外腔激光器ECL产生的激光注入到一个被偏置在最小传输点的马赫曾德尔调制器MZM中；马赫曾德尔调制器MZM被一个频率为0.5f的射频时钟驱动，产生两根间隔频率间隔为f的相干光梳齿，并分别记为调制光ML和本振光LO。相干光频梳发生器OFCG产生的光梳齿注入到一个无源的光交织器OIL中。这里光交织器OIL用作多通道滤波器MOF，用于分离调制光ML和本振光LO。接着，调制光ML注入到一个同时同频通感边带发生器中，用于产生同时同频的通信感知融合光边带CTCF-OSB。

其中，同时同频通感边带发生器包含一个IQ调制器；IQ调制器的两个子调制器均被偏置在最小传输点，并分别被一对互为希尔伯特Hilbert变换的基带或中频的同时同频通感信号驱动；IQ调制器的主调制被偏置在正交传输点，实现电域基带或中频的同时同频通感信号向光域的线性映射。相较于频分复用和扩频的通感一体化波形调制机制，同时同频的调制方式通过同频谱通感信号的频域叠加，节约了光谱资源，从而能够在有限的光谱带宽内存在更多的远端单元RU；另外，相较于时分复用的通感一体化波形调制机制，同时同频的调制方式通过同频谱通感信号的时域叠加，能够保证通感功能均无中断。

需要指出的是，这里同时同频通感边带发生器不局限于使用IQ调制器，也可以使用马赫曾德尔调制器和相位调制器等方式实现。

同时，本振光LO注入到一个光延时线中，用于调谐本振光LO的延时，以保证与产生的通信感知融合光边带CTCF-OSB之间的相干性。经过延时匹配后，本振光LO和通信感知融合光边带CTCF-OSB经过一个光耦合器OC耦合在一起。耦合后的光信号经过单模光纤SMF传输至分布式单元DU。通信感知融合光边带CTCF-OSB和本振光LO来自于一个同源的激光器，减少了系统相位噪声，提高了通信性能和感知精度，且避免使用频偏补偿算法，降低了系统功耗。

进一步的，在第n个分布式单元DU，接收到的相干光信号先输入到掺饵光纤放大器EDFA中进行功率补偿，然后被一个OS分为n路，以进行多局端资源分配。OS分路后的光信号分别通过n段单模光纤SMF1，…，SMFn传输至n个远端单元RU。同时同频的调制方式通过同频谱通感信号的频域叠加，节约了光谱资源，从而能够在有限的光谱带宽内存在更多的远端单元RU。

进一步的，在第n个远端单元RU，接收到的相干光信号输入一个光电探测器PD中进行光电转换。根据平方律探测原理，光电探测器PD将产生一个载频为f的同时同频的通信感知融合信号。通过控制相干光频梳发生器OFCG的梳齿间隔和多通道光滤波器MOF的滤波特性，可以将产生的通感融合信号的频率控制在毫米波频率，并进行连续调谐。由于光频梳之间的相干特性，产生的毫米波信号不存在激光器相位噪声导致的频偏。需要指出的是，通过直接调制或强度调制等方式，也可以将产生的信号的频率控制在微波频段。光电探测器PD产生的同时同频通信感知融合信号经过功率放大器PA进行放大后，由天线HA辐射到空中感知周围用户。用户反射的回波被远端单元RU的接收天线HAnc接收，然后再进行雷达解啁啾处理，以消除通信波形对感知波形频谱展宽的影响，获取并跟踪用户的位置合速度等信息，用于改善通信质量等服务。同时，第n个远端单元RU对应的第m个用户通过天线HA接收同时同频的通信感知融合信号，并进行模拟下变频、雷达干扰消除DSP、通信DSP后，以获取下行的通信信息。

进一步的，雷达干扰消除DSP如图2所示，模拟下变频后的同时同频通信感知融合信号先经过数字下变频和数字滤波转换至基带，基带的同时同频通信感知融合信号接着与一个备份雷达信号进行匹配滤波处理，获取两者之间的延时，完成信号同步；其中备份雷达信号与中心单元CU加载的雷达信号具有相同的带宽和时宽。接着同步之后的基带同时同频通信感知融合信号与备份雷达信号进行第一次去斜运算，实现对融合信号中雷达波形的去啁啾；通过第一次去斜处理，通信信号会引入雷达啁啾和直流分量；第一次去斜之后的信号接着通过均值运算，消除第一次去斜运算引入的直流分量影响；去直流之后得到的通信信号再次与备份雷达信号进行第二次去斜运算，消除第一次去斜引入的雷达啁啾；至此，消除了雷达啁啾对通信信号的影响；第二次去斜之后的信号再进行常规通信DSP，恢复出下行通信信息。

通过雷达干扰消除DSP，消除了同时同频毫米波通感融合信号中感知啁啾对通信的干扰；通过雷达解啁啾，消除了同时同频毫米波通感融合信号中通信波形对感知波形频谱展宽的影响；同时同频的毫米波通感融合信号避免了通信和感知信号之间的带宽竞争，确保了通信和感知信号同时大带宽；结合雷达干扰消除DSP和雷达解啁啾，能够同时实现超高速通信和超高精度感知；

进一步的，雷达干扰消除DSP也可以在中频或射频频段进行，第一次去斜运算会引入类时钟分量而不是直流分量，该类时钟分量通过窄带滤波进行消除，或者先下变频至基带，然后再进行均值处理予以消除。

为了更好的说明本发明的有益效果，做了以下实验：

实施例待发射信号参数：

通信+感知：16QAM正交振幅调制(5.75Gbaud调制速率)+线性调频波(LFMW线性调频信号，5.75GHz带宽)

实施例接收信号实验结果：

从图4光电探测器PD输出端信号频谱可以看到，图中通信信号QAM16和感知信号LFM占用共同的频谱；从图5光电探测器PD输出端信号时频特性可以看出，图中通信信号QAM16和感知信号LFM占用共同的时间。因而，产生的为同时同频的通信感知融合信号，频谱效率得到大大提升。

图6为经过雷达干扰消除DSP后，利用常规通信DSP(未使用频偏补偿)解调出的通信信号星座图，误码率(BER)为0.003420，低于硬判决门限(3.8e-3)。这也表明，在通信接收端，通过二次去斜DSP算法，可以消除感知波形的啁啾对通信的影响，从同时同频的毫米波通感波形中提取出通信信号。

图7为经过雷达解啁啾后的频谱图，可以看出频谱中存在一个明显的峰值频率，这个峰值频率对应用户的位置信息。这也表明，在雷达接收端，通过解啁啾机制，可以消除通信波形对感知波形频谱展宽的影响，从同时同频的毫米波通感波形中提取出感知信息。