基于FPGA的太赫兹通信感知一体化系统
信息与通信工程学院
（一） 项目创意来历及项目意义
2022年国务院于《“十四五”数字经济发展规划》中提出推进建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施。前瞻布局第六代移动通信（6G）网络技术储备，加大6G技术研发支持力度，积极参与推动6G国际标准化工作。移动通信技术的发展与革新已经成为了我国科技发展的战略要地。未来的6G 系统，频段更高、带宽更大、大规模天线阵列分布更密集，因此单个系统能够集成无线信号感知和通信能力，使各个系统之间可以相互提升性能。此时整个通信系统可以视作一个传感器，通过无线电波的传输、反射和散射等能力更好地理解物理世界，因而被称为“网络即传感器”。另一方面，感知可以实现高精度定位、成像和环境重建等能力，从而更精确掌握信道信息，提高通信性能。此外，感知作为6G 的基础特性，能观测并对物理世界和生物世界进行采样，从而开启了物理和生物世界与数字世界融合的“新通道”。
通信感知一体化的能力涌现，和高频段太赫兹波的研究演进关系密切。太赫兹波是指频率在于 0.1THz 到10THz的电磁波，位于红外光和微波之间，是一段人类尚未开发的频段，拥有着THz级别的带宽，同时为未来移动通信系统提供超高速的数据传输链路。同时太赫兹波还具有很强的定向特征和无损伤穿透性，可以实现高精度定位，高分辨率成像，具备传统雷达和可见光没有的感知优势。
然而，对于移动通信场景下太赫兹频段的通信感知一体化实现，尽管已经有诸多努力尝试，理论方面，仍然存在随机-确定信道建模如何耦合，感知与通信性能如何平衡兼顾的问题；实现方面，存在着极大的多普勒频偏使得当前基于OFDM的通信系统已经难以满足移动性要求，其次太赫兹极高的频率带来了极窄的波束，也使得动态场景下通信较为困难。这此外还存在太赫兹大带宽带来的高频率的时钟不稳定、IQ信号正交性偏移等等硬件问题。当前通感一体化技术尚无在高速移动场景下高鲁棒性的成熟实施方案。针对太赫兹大带宽的特点，需要重新设计随机-确定信道建模方法，进而重新设计基带波形与帧结构以充分发挥太赫兹对于通信感知一体化系统构建的优势。
针对通信感知一体化系统联合波形设计，学界和业界也开展了大量的研究和实验。在单载波，多载波，连续波以及与时频域正交新波形方面均有相应研究成果。提出了如OTFS、DFT-s-OFDM，OAM等诸多新型基带波形适应未来移动通信基带波形的设计。而在太赫兹通信系统的实际研发方面，国内外均已持续开展推进诸多相关研究。国外方面，美国 Bell 实验室在 0.625THz 下实现了 2.5Gbps 的传输速率。国内IEEE SYSTEMS JOURNAL, VOL. 14, NO. 2, JUNE 2020 指出并验证了部分场景下chirp波形进行通信和感知的联合可行性。工业界方面对太赫兹的研究也在不断发展中，华为于今年发布了全新的通感平台，能够实现太赫兹的高精度成像和240Gbps的超高速通信。针对太赫兹通信感知一体化的研究已经成为了当前的热点问题。
综上所述，使用太赫兹波构建通信感知一体化系统是未来6G重要方向之一。面向太赫兹通信感知一体化的新信道建模方法及基带波形设计与实现，对实现高可用、高鲁棒性的通信感知一体化系统性能方面有着重大战略意义。
（二） 项目研究主要内容
项目研究主要内容简介：
项目主要分为两个层级：硬件架构层级和理论算法层级，从不同的视角出发尝试实现一套高速移动场景下高可用、高鲁棒性的通信感知一体化软硬件系统。硬件架构层级，探究FPGA实现太赫兹数字信号处理和波形生成，实现移动场景下通信和感知性能平衡可靠的通感一体化系统；理论算法层级，探究随机-确定高度耦合的信道建模方法和抗频偏算法设计，进而完成适应通信感知平衡性能的联合波形设计，为硬件架构层提供算法支持和业务控制。
（三） 项目创新点与项目特色
使用感知辅助的信道估计算法，形成随机-确定高度耦合的信道建模理论基础，以此为基础进行抗频偏，高鲁棒性的平衡性能波形设计，进而基于FPGA做数字信号处理实现。后续系统测试，可能进一步加入神经网络自编码设计提高系统自适应性，并基于最小相角系统加强系统鲁棒性。展示通信感知一体化平衡性能的基础上，实现通感互促的示范性演示应用，具备支撑星间通信、局域网移动通信和感知的广阔前景。
