Barkhausen Institute 有效進行 6G 聯合通訊與感測系統的原型製作

​結合通訊與感測

許多應用都已經整合雷達感測與無線通訊，自駕車網路也是其中一種。傳統上，雷達和通訊等每項服務，都會在其專屬的頻帶上運作，而且需要具備各自的硬體平台。不過在 6G 領域中，這 2 種功能可能會整合，並共用相同的波形。如此即可有效率地使用硬體與頻譜、提升這 2 種服務的效率，同時更可拓展多種新應用的無限可能。這種方法稱為聯合通訊與雷達 (JC&S)，或是整合式感測與通訊 (ISAC)，其目標為在通訊網路中隨選提供雷達即服務 (RaaS)，並且重複使用相同的無線電資源，並且採用單一的硬體平台 (圖 1)。德國德勒斯登的 Barkhausen Institute 目前正在研究這種 JC&S 系統，而為了進行硬體驗證，該機構採用由 NOFFZ 開發的軟體架構，讓研究人員可使用 NI 的 mmWave 收發儀系統以有效地進行原型製作。

^{圖 1.  汽車、路人與基地台之間的聯合通訊與感測情境。(1)}

JC&S 原型製作的測試需求

大家預期 JC&S 會是後 5G (B5G) 網路的關鍵功能之一。然而若要結合雷達與通訊系統，即需要設計出更具經濟效益與電力效益的收發儀。Barkhausen Institute 的研究人員正在調查新的波形與合適的訊號處理技術，這些技術能以高效率與具經濟效益的方式，滿足前述的 2 個目標。在 2019 年 8 月，他們舉辦了公開招標，想尋找一款 74 GHz mmWave 收發儀系統，協助他們設計並驗證通訊與雷達技術。NOFFZ 在 NI mmWave 測試系統硬體平台、高產能 FPGA 程式設計，以及一般軟體開發等領域擁有豐富的專業知識，因此最適合為 Barkhausen Institute 研究人員提供簡單的 API，讓他們在 mmWave 範圍內控制任意波形的產生與量測作業。

解決方案概述與優勢

NOFFZ 提供完整的測試系統，其中包含的軟體架構不但可讓研究人員聚焦在專業領域上，並可將複雜的硬體互動抽象化。

獲選的這款硬體平台 (搭載 Radio Head 的 NI mmWave 收發儀系統) 可涵蓋從 71 至 76 GHz 的操作頻率，即時頻寬為 2 GHz，類比增益範圍則為 55 dB。此平台獲選的另一個原因，是它可為 TX 與 RX 路徑提供 3 種作業模式。此系統包含基頻與 IF 硬體，因此可靈活使用不同的 RF 前端，或是僅使用 IF 或基頻訊號。它可支援最高達 3.072 GSps 的 I/Q 取樣速率，以及 12 位元的 I/Q 資料解析度。整合式 NI Flexrio FPGA 可用於即時處理 2 GHz 通道，或是執行多種數位訊號處理 (DSP) 演算法。另外，系統架構可透過 API 擴充以支援新的軟體環境。

^{圖 2.  系統架構可提供靈活的作業模式，並且能以模組化方式替換不同零件。}

第二項優勢則是系統同步化。這 2 種 PXI 系統都能獨立運作或以同步模式運作。以同步模式運作而言，在 mmWave 收發儀系統的基本設定中增添了時序與同步化模組 (NI PXIe-6674T)。這 2 種 PXI 系統可共用開始觸發器以進行傳輸，並且可共用 2 個接收儀；或者也可以同調作業的方式運作，並共用 LO。在將系統初始化後，同步穩定性 (觸發抖動) 低於 1 ns。這遠低於所需達到的數值 25 ns。

^{圖 3.  mmWave 測試系統包含 2 個子系統。系統 A (收發儀，下方裝置) 支援以客制 IQ 樣本進行同調傳輸並接收 RF 訊號，且可用於進行雷達訊號分析。系統 B (接收儀，上方裝置) 會接收 RF 訊號，且主要用於通訊訊號部分。(2)}

上述系統架構之所以能贏得招標，也是因為它具有可擴充的模組化應用軟體。NOFFZ 設計了 3 個模組：  

1. mmWave 儀器控制應用程式
2. 指令服務應用程式
3. Python API  

根據招標案的要求，遠端儀器控制功能已透過 Python API 實作完成。在 NI mmWave 系統上執行的模組也已使用 NI LabVIEW 實作。透過 NI LabVIEW FPGA Module，即可延伸參考 FPGA 程式碼，以在 TX 與 RX 路徑中涵蓋數位基頻。模組與應用會使用 ZeroMQ (ZMQ) TCP 函式庫彼此通訊；在使用多個不同目標與程式設計語言時，常會使用該函式庫進行連線管理。此外，為了進行除錯與控制作業，也開發了在本地 PXI 系統上執行的使用者介面。利用模擬模式，就可以透過 API 進行測試與實驗，即使無法使用硬體也沒問題。

^{圖 4.  NOFFZ 針對 NI mmWave 測試系統所開發與實作的軟體架構，包含 3 個部分。}

NOFFZ 的目標是開發出一套完整的軟體架構，可針對複雜的 RF mmWave 硬體進行抽象化，並使用簡單的 API 進行作業。如此一來，使用者就能輕鬆實現最高的設備使用率。NI mmWave 收發儀系統是一款現成可用的 Software Defined Radio，並且具有 NI LabVIEW 的 API 支援，以及基本的串流專案範本。為了尋找適用於 JC&S 系統的新波形，NOFFZ 需要採用以正交分頻多工 (OFDM) 或調頻連續波 (FMCW) 為基礎的新提案。為了達成這項目標，他們需要開發 FPGA 附加工具，讓內建 DRAM 能因應更多的樣本量與訊號來修正作業。

總結與展望

理論上來說，無線通訊與雷達感測是以相同的物理現象為基礎，也就是電磁波的傳播，因此這兩者可以共用相同的波形、頻譜和硬體。不過實務上而言，如果要達成這個目標，就需要進行廣泛的研究並製作原型。

利用先前所述的 mmWave 測試系統，Barkhausen Institute 的研究人員得以達成初始里程碑。此模組化平台讓他們可測試通訊演算法，並且證明其概念。在唧聲式波形上所獲得的部分成果與 RF 硬體的相關挑戰，現已在同儕審查論文中發表。若要在汽車或其他使用案例中實現相關成果，最終將須仰賴聯合功能系統所帶來的經濟效益。由 NOFFZ 所開發與實作的 Python API 與 FPGA 附加工具，可望加速這段過程。 

作者資訊：

Thomas Magruder，總經理，NOFFZ Technologies USA Inc. thomas.magruder@noffz.com +1 512 692 7137 NOFFZ Technologies USA Inc.2808 Longhorn Blvd, Suite 308 Austin, TX 78758, USA，
Milos Radulović，總經理，NOFFZ-Forsteh Technologies d.o.o.，塞爾維亞貝爾格萊德，
Markus Solbach，銷售暨行銷總監，NOFFZ Technologies，德國特尼斯福爾斯特，
Vanessa Blumenstein，技術行銷經理，NOFFZ Technologies，德國特尼斯福爾斯特，
Dr.Tim Hentschel，總經理，Barkhausen Institut gGmbH，德國德勒斯登

參考資料：

^{(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}