曾益科技ISAC原型验证平台的技术内核与系统架构

痛点切入：


通信


与感知，为何必须"合二为一"？

2019年，韩国


5G


商用首发之夜，一位运营商技术总监站在首尔基站机房前说了一句话，至今让我记忆犹新："我们架设了全国数万个基站，每一座都是通信的哨兵，但它们对周边环境却一无所知。"

这句话点出了


无线通信


行业一个根本性的矛盾：通信系统负责"传"，雷达/感知系统负责"看"，两者在各自的频谱、各自的设备、各自的协议栈上平行运行了半个多世纪。结果是什么？频谱资源紧张时互相干扰，硬件成本叠加，系统体积臃肿，而最关键的——时延敏感场景下，通信和感知的信息无法在同一时隙内完成闭环。

如何在一个硬件平台上、用同一套波形、在同一个频段内，同时完成通信和感知两个任务？

这正是曾益科技ISAC原型验证平台要回答的核心命题。

一、ISAC的技术定义：不止是"合在一起"

软硬件资源共享，在同一系统上同时实现无线通信与无线电感知两大功能。

理解这个概念需要先澄清一个常见误区：ISAC不是简单地把通信和雷达两个设备塞进同一个机箱。真正的"一体化"发生在三个层面：

第一层——频谱一体化。通信和感知共享同一段频谱资源，不再各自独占频段。举例来说，一个工作在28GHz毫米波频段的基站，既能向用户终端发送OFDM数据符号，又能利用同一段发送


信号


的回波来感知周围物体的位置和速度。

第二层——波形一体化。发送出去的信号波形本身同时承载通信数据和感知信息。这是ISAC最硬核的技术挑战——通信波形追求的是频谱效率、误码率、吞吐量；感知波形追求的是距离分辨率、速度分辨率、角度估计精度。这两个目标在信号设计层面并非天然一致，需要从模糊函数、互信息等基本理论工具出发重新审视波形设计准则。

第三层——硬件一体化。发射链路、接收链路、


天线


阵列、基带处理单元在物理层面完全共享。一套设备，双重职能。这对


射频


前端（尤其是功率


放大器


的线性度）、


ADC


/


DAC


的动态范围、基带


FPGA


的实时处理能力都提出了极高的要求。

二、通感融合的两条技术路径

业界实现ISAC主要有两条技术路线，我们可以形象地称之为"从上往下"和"从下往上"。

路径一：在通信系统上融合感知能力（Communication-Centric ISAC）

这条路径的出发点是现有通信基础设施。5G NR和未来的6G系统已经具备了一些天然有利于感知的特性：大带宽（毫米波频段可达400MHz甚至2GHz），多天线（Massive MIMO可达256甚至1024阵元），高密度部署（微小基站间距可至百米级）。研究者要做的是在通信协议的框架内"增加"感知功能模块——通过对信道估计结果做二次处理提取环境参数，或者在通信帧结构中插入专用的感知参考信号。

这条路径的优势在于复用既有通信基础设施，产业落地成本低。但挑战在于：通信波形的设计目标（如低峰均比PAPR、高频谱效率）在某些情况下与感知需求存在内在张力。

路径二：在雷达系统上融合通信能力（Radar-Centric ISAC）

这条路径从雷达的视角出发，核心思想是在雷达发射波形中嵌入通信信息。常见方法包括：利用雷达脉冲的幅度/相位调制携带比特信息，或者在不同脉冲重复间隔（PRI）之间进行波形


索引


调制。

这条路径的优势在于感知性能有保障，雷达波形的模糊函数特性优良。但通信速率通常较低，难以满足宽带多媒体传输的需求，更多地适用于低速率控制指令或


传感器


数据回传场景。

路径一（Communication-Centric ISAC）更受通信产业界重视，也是3GPP标准化讨论的主流方向。曾益科技的ISAC原型验证平台同样采用此路线——以OFDM通信波形为基底，融合感知信号处理功能。

三、三大核心技术研究方向

3.1 波形设计：让通信信号"会看"

ISAC波形设计的核心问题是：设计一种发送信号s(t)，使得接收端既能从中解调出通信数据（追求高吞吐量），又能提取出目标的距离、速度、角度信息（追求高感知精度）。

模糊函数（Ambiguity Func


ti


on）。它描述了匹配


滤波器


输出在时延-多普勒平面上的分布，决定了雷达的距离分辨率和速度分辨率。理想感知波形应该是"图钉型"模糊函数——仅在零时延和零多普勒处有一个尖锐的峰值。

OFDM波形天然就具有一定的"图钉型"模糊函数特性，这得益于其多载波并行传输结构。但单纯的通信OFDM波形存在一个问题：子载波之间的随机数据调制导致模糊函数的旁瓣电平较高，可能遮挡弱目标。因此，ISAC波形设计中的一个活跃研究方向是在OFDM符号上叠加经过特殊优化的导频序列（如ZC序列、Golay互补序列），在保持通信吞吐量的同时改善感知模糊函数特性。

3.2 波束赋形与波束跟踪：扫描与稳定的双重任务

ISAC系统的天线阵列需要同时完成两种截然不同的波束操作：

感知任务：波束扫描。需要天线波束在空间角度上"巡扫"，以发现和定位未知目标。这类似雷达的搜索模式，要求波束具有一定的扫描速度和覆盖范围。

通信任务：波束稳定指向。一旦用户终端建立连接，波束需要精确对准用户方向并持续跟踪，以最大化接收信噪比。

分时/分频/分波束策略——在时域上为感知和通信分配不同的子帧；或者在频域上为感知导频和通信数据分配不同的子载波组；又或者在对消干扰的前提下，使用天线阵列的不同子阵同时形成感知波束和通信波束。

3.3 环境信息与信道参数提取：从


CSI


到"世界模型"

传统的通信接收机做完信道估计之后，信道状态信息（CSI）的唯一用途是输入均衡器以消除码间干扰。而在ISAC系统中，CSI被"二次利用"——从CSI中提取环境参数。

逆散射问题——从接收到的电磁波反推物理环境的几何结构和动态特性。

对于NLOS（非视距）环境下的感知，情况更为复杂：基站需要通过多径信号的联合处理，区分哪些路径来自目标自身的反射，哪些来自静态环境的散射，这涉及到环境杂波的抑制和目标提取


算法


。

四、系统硬件架构详解

曾益科技ISAC原型验证平台的硬件架构遵循"软件定义无线电（


SD


R）+ 毫米波前端 + 相控阵天线"的经典设计范式。

4.1 基站端（gNB-ISAC）

基带处理单元：NI USRP RIO

USRP RIO（如USRP-2944/2954系列）搭载Xilinx Kin


te


x-7或Zynq系列FPGA，提供最高160MHz的实时基带带宽。FPGA内部完成OFDM调制/解调、数字波束赋形权重计算、感知信号处理流水线。


上位机


（PXI


控制器


或外接工作站）运行


LabVIEW


，负责MAC层调度、感知算法原型开发、以及结果可视化。LabVIEW的图形化数据流


编程


范式使算法原型开发更加直观高效，其FPGA模块可直接编译至硬件端，实现从算法设计到实时部署的无缝衔接。

射频前端：mmWave上下


变频器

将USRP RIO的中频信号（通常2-


4G


Hz）变频至毫米波频段（24-44GHz），同时保持相位相干性——这对于相控阵天线的波束赋形至关重要。上下变频器的本振（LO）相位噪声直接影响感知的速度分辨率，因此选型时需特别关注相位噪声指标。

天线：相控阵天线

发射和接收均采用8×8或16×16阵元的平面相控阵，支持


模拟


波束赋形（通过移相器）和数字波束赋形（通过基带预编码）两种模式。相控阵天线的波束扫描速度可达微秒量级，满足ISAC场景中对高速移动目标的感知需求。

4.2 用户端（UE-ISAC）

角反射器的作用——在原型验证阶段，用户端设备上安装角反射器可以在雷达回波中产生一个已知的、稳定的强反射点，用于校准感知系统的距离和角度测量精度。

4.3 通信与感知过程

通信过程：

基站端发送OFDM下行信号 → 用户端天线接收 → mmWave下变频至中频 → USRP RIO基带处理（同步、信道估计、均衡、解调、解码）→ 输出用户数据。

感知过程（以基站自发自收的monostatic模式为例）：

基站端发送感知OFDM信号 → 信号遇到目标后反射 → 基站端相控阵接收天线接收回波 → 与发射信号做匹配滤波（脉冲压缩）或OFDM符号级处理 → 提取时延（换算为距离）、多普勒频移（换算为速度）、到达角（换算为方位）→ 输出目标点迹/航迹。

值得注意的是，通信和感知可以在同一个OFDM帧内完成：帧中的一部分OFDM符号承载通信数据，另一部分符号承载感知导频；或者同一个OFDM符号既承载数据子载波又承载感知子载波——这体现了ISAC"一体化"的核心理念。

工程师


视角的总结

从业十年，我见证过3G的复杂度爆炸、4G的扁平化革命、5G的垂直行业渗透。但ISAC代表了一种范式级别的变化——它不再只是"更快、更稳"的通信，而是让通信基础设施具备了感知物理世界的能力。这意味着一座基站不再只是"数据管道"，而是一个能够实时感知周边环境的"数字节点"。

这条路技术上还有很多硬骨头要啃：全双工下的自干扰消除、多基站协同感知的数据融合、感知精度与通信吞吐量的动态折中优化……但方向已经明确，产业链正在集结，而我们曾益科技的ISAC原型验证平台，就是让高校、研究所和企业的研发团队能够"跳过搭台子、直接开始唱戏"的那把钥匙。