CN106817134B - 一种可配置的全双工无线网络雷达通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于通信技术领域，提供了一种可配置的全双工无线网络雷达通信系统，所述系统包括至少一个收发模块，所述收发模块的发射机和接收机各配置有独立的数字处理模块、自干扰消除天线、模拟自干扰消除模块和数字自干扰消除模块，所述收发模块的发射机配置耦合器，且所述收发模块的接收机混频器配置开关；所述收发模块可配置，包括所述收发模块采用的信号类型、信号处理方式、工作模式、天线的配置方式和天线的波束成型方式可配置。本发明能够工作在通信模式及多种雷达模式，使得移动物体可以通过这个系统测量其它物体的距离和速度并通过这个系统与其它物体交换信息，以实现自动驾驶或无人车、无人机相互之间的智能防撞。

Description

一种可配置的全双工无线网络雷达通信系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种可配置的全双工无线网络雷达通信系统。

背景技术

目前，无线局域网通信技术被广泛应用于各领域。无线局域网是通过路由器架构而成的网络，这种网络可以提供基于存取点的互联网及网络设备的连接。此外，目前也有不需要无线网络接入点而实现的无线点对点通讯(Point-to-Point，P2P)。无线局域网通用的标准是802.11，它是由国际电机电子工程学会(IEEE)所定义的无线网络通信的标准，目前市场上比较通用的是传播在2.4GHz频段的802.11b和802.11g，传播在2.4GHz和5GHz频段的802.11n和802.11ac，以及传播在60GHz的802.11ad。

随着无线局域网通信技术的发展，无线定位技术也有了应用的空间。通过无线定位技术，可以实现移动物体之间的智能防撞。例如，通过对自动驾驶汽车或无人驾驶汽车、无人机或机器人等移动物体之间的测距，避免移动过程中碰撞的发生。在采用802.11标准的无线局域网通信中，信号的发射和接收均使用同样的频率，因此，对于传统的采用半双工的通信方式，发射和接收不会同时工作，导致频带利用率低，达不到最好吞吐量且通信速度相对较慢，使得其实用性受限。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种可配置的全双工无线网络雷达通信系统，以解决现有的无线网络通信系统采用半双工的通信方式，发射和接收不同时工作，导致频带利用率低，达不到最好吞吐量且通信速度相对较慢的问题。

本发明实施例提供了一种可配置的全双工无线网络雷达通信系统，所述系统包括至少一个收发模块，所述收发模块的发射机和接收机各配置有独立的数字处理模块、自干扰消除天线、模拟自干扰消除模块和数字自干扰消除模块，所述收发模块的发射机配置耦合器，且所述收发模块的接收机混频器配置开关；

所述收发模块可配置，包括所述收发模块采用的信号类型、信号处理方式、工作模式、天线的配置方式和天线的波束成型方式可配置；

当所述收发模块工作在通信模式和第一种雷达模式时，所述接收机的接收信号经过所述模拟自干扰消除模块与所述收发模块的本振信号混频，将所述接收信号转化成基带信号，所述基带信号经过所述数字自干扰消除模块再做解调，以同时实现信号的发送和接收；

当所述收发模块工作在第二种雷达模式时，所述发射机的发射信号中的一部分耦合到所述接收机，并与所述接收机的接收信号混频，以同时实现信号的发送和接收。

可选地，所述雷达信号包括：直接序列相位调制信号，跳频扩频调制信号，连续波信号或者连续波频率调制信号；

所述系统拥有唯一的伪随机噪声编码，用于通过该伪随机噪声编码区分所述系统的反射信号与来自其它系统的信号。

可选地，所述系统包括一个所述收发模块，所述收发模块的工作频率包括2.4GHz、5GHz或60GHz。

可选地，所述收发模块根据外部环境条件、距离和速度的测量结果，在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，所述通信模式实时发送雷达测试结果。

可选地，所述系统包括第一所述收发模块和第二所述收发模块，

第一所述收发模块和第二所述收发模块同时工作在2.4GHz、5GHz或60GHz。

可选地，所述系统根据外部环境条件、距离和速度的测量结果，在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，所述通信模式实时发送雷达测试结果：

第一所述收发模块工作在通信模式，同时第二所述收发模块也工作在通信模式；或者，

第一所述收发模块工作在通信模式，同时第二所述收发模块工作在雷达模式；或者，

第一所述收发模块工作在雷达模式，同时第二所述收发模块也工作在雷达模式。

可选地，当第一所述收发模块工作在通信模式，同时第二所述收发模块工作在雷达模式时，

第二所述收发模块优先进行工作频率选择，且第一所述收发模块在进行工作频率选择时避名免选择第二所述收发模块使用的工作频率。

可选地，所述系统包括两个或两个以上的所述收发模块，其中，至少一个所述收发模块工作在2.4GHz，同时至少一个所述收发模块工作在5GHz。

可选地，第三所述收发模块和第四所述收发模块工作在通信模式，同时第五所述收发模块和第六所述收发模块也工作在通信模式；或者，

第三所述收发模块和第四所述收发模块工作在通信模式，同时第五所述收发模块和第六所述收发模块工作在雷达模式；或者，

第三所述收发模块和第四所述收发模块工作在雷达模式，同时第五所述收发模块和第六所述收发模块也工作在雷达模式。

可选地，所述系统根据外部环境条件、距离和速度测量结果，在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，所述通信模式实时发送雷达测试结果；

若第三所述收发模块和第四所述收发模块工作在通信模式，同时第五所述收发模块和第六所述收发模块工作在雷达模式，则通过第三所述收发模块和第四所述收发模块实时发送当前的雷达测试结果。

可选地，所述系统包括工作在毫米波的收发模块和工作在厘米波的所述收发模块；

所述工作在毫米波的收发模块天线阵的每个单元都包括接收移相器、发射移相器、发射放大器、接收低噪声放大器和一个收发开关。

可选地，所述系统根据外部环境条件、距离和速度测量结果，在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，所述通信模式实时发送雷达测试结果：

工作在厘米波的所述收发模块工作在通信模式或所述第一种雷达模式，其接收信号与本振混频，并启动所述模拟自干扰消除模块和所述数字自干扰消除模块；工作在毫米波的收发模块的有源相控阵天线进入多发射和多接收波束成形扫描，不同发射波束对或接收波束对的信号相差180度；或者，

工作在厘米波的所述收发模块工作在所述第二种雷达模式，其与耦合过来的反射信号混频；工作在毫米波的收发模块的有源相控阵天线进入单发射和单接收波束成形扫描，实现雷达同时收发。

可选地，所述系统包括工作在2.4GHz，5GHz以及工作在60GHz的三个所述收发模块，

三个所述收发模块在所述通信模式和两种雷达模式之间切换。

本发明实施例提供的可配置的全双工无线网络雷达通信系统为基于802.11协议且能支持MIMO的独立多收发模块的系统，具备全双工同时收发功能，能够工作在通信模式及多种雷达模式，使得移动物体可以通过这个系统测量其它物体的距离和速度并通过这个系统与其它物体交换信息，以实现自动驾驶或无人车、无人机相互之间的智能防撞。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案一的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的天线配置方式示意图；

图3是本发明实施例提供的无线网络通信系统的信号流程图；

图4是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案一的工作流程图；

图5是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案二的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案二通信模式和雷达模式并存时的工作流程图；

图7是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案三的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案三的工作流程图；

图9是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案四的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案四的天线示意图；

图11是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案四的天线示意图；

图12是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案四的工作流程图图；

图13是本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案四的工作流程图图；

图14是本发明实施例提供的无线网络通信系统的应用示例图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在传统的无线局域网通信系统中，发射端和接收端由于不同时工作，通过开关共享一个天线且共享基带数字处理模块，而在本发明实施例中，对上述传统的无线局域网通信系统进行基带和射频的改造，并在传统的半双工方式上加入自干扰消除方案，从而减少发射端和接收端之间的信号干扰，实现同时同频全双工的方式。

所述系统包括至少一个收发模块，所述收发模块的发射机和接收机各配置有独立的数字处理模块、自干扰消除天线、模拟自干扰消除模块和数字自干扰消除模块，所述收发模块的发射机配置耦合器，且所述收发模块的接收机混频器配置开关；

所述收发模块可配置，包括所述收发模块采用的信号类型、信号处理方式、工作模式、天线的配置方式和天线的波束成型方式可配置；

当所述收发模块工作在通信模式和第一种雷达模式时，所述接收机的接收信号经过所述模拟自干扰消除模块与所述收发模块的本振信号混频，将所述接收信号转化成基带信号，所述基带信号经过所述数字自干扰消除模块再做解调，以同时实现信号的发送和接收；

当所述收发模块工作在第二种雷达模式时，所述发射机的发射信号中的一部分耦合到所述接收机，并与所述接收机的接收信号混频，以同时实现信号的发送和接收。

具体地，该无线网络通信系统可以工作在通信模式和雷达模式，且在雷达模式中，系统可以发射四种信号，分别是直接序列相位调制信号(Spread Spectrum，SS)、跳频扩频调制信号(Frequency Hopping，FH)、多个连续波信号(Continuous Wave，CW)和连续波频率调制信号(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)。在本发明实施例中，直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号与通信模式共享同样的射频电路，这是因为现有的无线网线通信系统在通信时采用的就是上述调制方式。此外，在本发明实施例中，为每一个独立的无线网络通信系统均设定一个唯一的伪随机噪声编码，用于通过该伪随机噪声编码区分所述系统的反射信号与来自其它系统的信号。

在本发明实施例中，当系统工作在雷达模式时，存在两种不同的雷达模式：

在此，称第一种雷达模式为抗干扰雷达模式，在该模式中，同模块的接收信号可先经过模拟自干扰消除模块然后与同模块的本振信号混频，将射频信号转化成基带信号，基带信号经过模数转换器在数字域先经过数字自干扰消除模块再做解调，最终得到系统特有的伪随机编码，然后与发射端基带相同的伪随机编码进行自相关计算得到距离和速度信息。

称第二种雷达模式为普通雷达模式，在该模式中，将发射信号的一部分通过发射机的天线发射出去，发射信号的另一部分耦合到接收机，和接收信号直接通过同模块的混频器混频，不再需要本振，同模块的发射信号耦合到同模块的接收信号，经过低噪声放大器与混频器，混频器输出的差频信号经过低通滤波器再经过模数转换器，最终在数字域做傅立叶变换得到频率和相位信息，通过频率和相位即可以算出距离和速度信息。

如上文所述，在雷达模式中，系统可以发射四种信号，在抗干扰雷达模式中，发射机会发射直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号，可以用于复杂的环境测试；在普通雷达模式中，发射机会发射多个连续波信号或连续波频率调制信号，可以用于近距离简单环境测试。在本发明实施例中，选择这四种信号是因为目前的无线局域网通信系统已经可以发射这四种信号，而在本发明实施例中是着重于对接收端的改造。

关于本发明实施例提供的无线网络通信系统，基于相同的收发模块结构，可设计有四种不同的工作方案，以下对这四种工作方案的系统结构及其工作方式进行详细阐述：

(一)第一种工作方案

第一种工作方案为单频单模块，此时，无线网络通信系统为单频、全双工、单输入单输出的系统，且所述单频可以是包括2.4GHz、5GHz或60GHz等在内的用于支持无线通信的任何频率。

图1示出了本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案一的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

在图1对应的系统结构中，作为一个独立的收发模块，其发射机和接收机工作在同一频率，系统可以交替工作在雷达模式和通信模式中。

当系统工作在通信模式和抗干扰雷达模式时，这两种工作模式共享同样的射频电路，发射机发射的信号由基带1的信号调制模块2输出，依次通过数模转换器3及放大器4，再经过混频器5和本振11的混频后生成载波信号，输出到载波放大器6，载波放大器6输出的载波信号通过天线发射出去，这与传统的无线网络通信系统收发模块中发射机部分的结构和工作原理一致。与此同时，来自天线的接收信号和经过模拟自干扰消除模块17的信号混频后，在载波低噪声放大器8放大，并在经过混频器9和本振11混频后，依次经过放大器12和数模转换器13，从数模转换器13输出，与此同时，在基带1中通过数字自干扰消除模块15对信号调制模块2输出的信号进行干扰消除，最终从数模转换器13输出的信号在基带1中的接收信号处理模块14中进行信号解调。

在普通雷达模式中，发射机发射的多个连续波信号或连续波频率调制信号会耦合到接收机，同时，接收机接收到的信号通过天线输入到低噪声放大器8，在经过在开关10将耦合器7耦合过来的发射信号和混频器9混频后，进入低噪放大器12，并经过模数转换器13在基带1进行相位检测和傅立叶变换得到相位和频率信息。

在图1对应的系统结构中，上述两种雷达模式是通过时分双工的方式分享基带射频电路和天线，且这两种雷达模式在一定的时间内交替切换。

作为本发明的一个实施例，对应于图1所示的系统结构，上文所提及的天线可以有五种配置方式，如图2所示：

配置方式一：通过180度相移器23和功分器22，发射端分为两个天线，即发射天线18和20，这两个发射天线与接收天线19之间均是等距的。

配置方式二：接收天线24和26通过180度相移器30和功率合成器29相接合，这两个接收天线与发射天线25之间均是等距的。

配置方式三：发射天线31和33与接收天线32之间是不等距的，这两个发射天线与接收天线32的距离差(即发射天线31与接收天线32的距离34，以及发射天线33与接收天线32的距离35，上述两个距离的差值)是半个波长。

配置方式四：接收天线37和39与发射天线38之间是不等距的，这两个发射天线与发射天线38的距离差(即发射天线37与接收天线38的距离40，以及发射天线39与接收天线38的距离41，上述两个距离的差值)是半个波长。

配置方式五：发射天线43和45与接收天线46和44之间均是等距的，通过180度相移器49和功分器48，发射端分为两个天线，而两个接收天线通过180度相移器50功率合成器47相接合。

图2中所示的天线可以为单极子天线、贴片天线、天线阵或波束赋形天线，且上述天线配置方式都是用来消除发射端与接收端之间的信号自干扰的，从而能够实现同时同频全双工系统。

此外，为了解决发射端和接收端之间的信号自干扰，还可以通过模拟消除法或数字消除法来消除信号自干扰。系统可以在模拟电路或数字电路中加入时域和相位的延迟自适应算法，以消除发射端和接收端之间的信号自干扰，如图1所示，其中，模拟自干扰消除模块17和数字自干扰消除模块15是选择性模块，是否选择这两个模块，取决于系统对各种工作模式下接收机灵敏度的要求。因此，在部分模式中，系统可以通过选择开关16进入模拟自干扰消除模块17。并在基带1中选择数字自干扰消除模块15，在另一部分模式下，系统可以略过模拟自干扰消除模块17和数字自干扰消除模块15，从而减小计算量，节省时间和耗电量提高效率，这也是本系统可配置的一个优点。

在采用图1所示的系统实现雷达功能时，其工作原理如下：

本系统拥有一个独一无二的伪随机编码用来作为电子身份，系统通过这个编码识别自己于来自其它物体的信号的不同，从而做出不同的反应。这个伪随机噪声编码用来调制直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号，从而保障系统的保密性和安全性。系统先发射FMCW进行初步测试，如果信号好环境简单，系统再发射多个连续波信号或连续波频率调制信号进行更精确的距离速度测试。如果信号差环境复杂，系统再发射直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号进行更准确的距离速度测试，整个测试是个自适应的过程。直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号与无线网络通信信号共享同样的接收机，信号可先经过选择性模拟自干扰消除模块到达多级低噪声放大器，然后通过低通滤波器最后和本振混出基带信号，基带信号最终在模数转换器之后进入选择性数字自干扰消除模块再解调，解调之后接收自己特有的伪随机噪声编码和自己发射的相同的伪随机噪声编码，在将两组编码进行自相关运算之后得到精确的距离。多个连续波信号或连续波频率调制信号用同样的接收射频电路和天线，不同于直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号，此时系统的工作原理是将一个收发模块的发射信号耦合到同模块的接收信号，经过低噪声放大器后输入混频器，混频器输出的差频信号经过低通滤波器再经过模数转换器，最终在数字域算出距离和速度。如果系统的天线被设计为单向瓣或波束的辐射能量形状，而且扫描的是移动天线方向，则在扫描天线的连续移动过程中，回波信号强度在幅度上随目标天线波束的移动而变化，根据最大回波的点可以算出雷达目标的方向和角度。系统工作的信号流程如图3所示，其中，系统的发射信号形式，接收信号处理，收发模式，收发模块中的主要单元器件参数，天线的方向和波束赋形及极化方式都根据所采用的通信模式和雷达模式而配置。

图1对应的系统结构的工作流程如图4所示，图4中，距离、速度和时间的判决条件都可以根据系统设计要求和环境而调整改变。系统首先工作在连续波频率调制信号普通雷达模式，得到的距离和速度会在存储器中存储，系统将依据距离的远近来判断下一时刻系统是工作在是通信模式还是雷达模式。当存储的距离大于100米且小于1公里，系统在下一时刻进入通信模式，系统可以点对点与外部个体通信，也可以通过接入点进行网络通信，得到外部环境信息或进行自我信息广播。系统工作在通信模式的时间不会超过2毫秒，否则系统自动切入雷达模式。若存储的距离小于100米，系统进入抗干扰雷达模式，如果环境条件好，多个连续波信号或连续波频率调制信号会测到精确的距离和速度；如果环境条件差，直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号会测到精确的距离和速度，测得的精确的距离和速度同样会在存储器中存储，以便系统读取。此时，速度决定系统模式，如果速度小于零，物体是朝着运行系统的通信设备的方向移动，系统仍然工作在抗干扰雷达模式；如果速度大于零，物体是背着运行系统的通信设备的方向移动，系统会切换到普通雷达模式。在完成速度判决之后，系统会进一步进行距离判断，若距离大于5米且小于100米，系统还是工作在抗干扰雷达模式，系统工作在抗干扰雷达模式的时间不会超过2毫秒，否则系统自动切入通信模式；若距离小于5米，系统自动切入预警状态。

(二)第二种工作方案

第二种工作方案为同频MIMO全双工的单频多模块系统，即，该系统可以由两个如图1所示的收发模块构成。这里的同频可以是包括2.4GHz，5GHz或60GHz等的无线通信所支持的任何频率。在多模块的情况下，每个模块的工作状态独立于其他模块，但工作频率相同。

图5示出了本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案二的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

在图5对应的系统结构中，收发模块86和收发模块87工作在相同的频率，且收发模块86和收发模块87均采用如图1所示的模块结构。系统的两个收发模块可以采用分离的两个天线也可以用合并的一个天线，当采用分离的两个天线时，每个收发模块的天线都有如上文所示的五种配置方式，但这两个收发模块对天线的选择有一定的原则：由于是MIMO同时同频全双工的单频独立多模块系统，每个收发模块的发射天线和接收天线的信号需要尽可能在其他收发模块的天线中被消除，以减少对其他独立的收发模块的干扰，因此，当采用分离的两个天线时，每个收发模块都可以灵活选择系统的工作模式，两个收发模块可以同时工作在通信模式，同时工作在雷达模式，也可以一个收发模块工作在通信模式同时另一个收发模块工作在雷达模式。当一个收发模块工作在通信模式而同时另一个收发模块工作在雷达模式时，系统自动进行动态频率选择，当工作在雷达模式的收发模块选择了特定的频率，工作在通信模式的收发模块会避免用该特定的频率作为通信信道，从而避免通信模式和雷达模式之间的信号干扰，保障通信模式和雷达模式各自的信号质量。当采用合并的一个天线时，本发明实施例设计了天线配置方式六。

配置方式六：如图5所示，两个收发模块86和87的发射天线88和89之间是等距的，接收天线90和91之间也是等距的。这里无需180度相移的功率分配器和功率合成器，180度相移和功率的分配结合都可以在基带的数字算法中完成，从而最大的优化同时同频全双工系统。

基于基带的数字算法的灵活性，多于两个模块的同时同频全双工系统也可实现。在该种天线模式下，两个收发模块的工作模式可以互相切换，当系统用合并的一个天线，系统的通信模式和雷达模式是通过时分双工的方式共享基带射频电路和天线。当采用分离的两个天线，例如两个全双工同频模块86和87用两个分离的第五种天线配置方式，则每个模块都可以灵活选择自己的工作状态，系统的两个模块可以同时工作在通信多输入多输出模式，同时工作在雷达多输入多输出模式。也可以一个模块工作在通信模式，另一个模块工作在雷达模式的并存的状态。

图5对应的系统结构中，当通信模式和雷达模式并存时，图6示出了相应的工作流程图：

图6中，距离、速度和时间的判决条件都可以根据系统的设计和环境而调整改变。初始时，模块86工作在雷达模式，模块87工作在通信模式，模块86工作在雷达模式有优先频率选择，通信模式的模块87通过动态频率选择避免功能，选择与模块86不同的其它工作频率以工作在通信模式。系统可以点对点与外部个体通信，也可以通过接入点进行网络通信，得到外部环境信息或进行自我信息广播。图5中模块86先进入普通雷达模式，得到的距离和速度会存储器中存储，以便系统读取。此时，系统将依据距离的远近来判断下一时刻是工作在普通雷达模式还是抗干扰雷达模式：若距离大于100米，系统仍然工作在普通雷达模式；若距离小于或等于100米，系统进入抗干扰雷达模式。如果环境条件好，多个连续波信号或连续波频率调制信号会测到精确的距离和速度，系统会再通过动态频率选择避免功能，由模块87选择与模块86不同的其它工作频率以工作在通信模式。如果环境条件差，直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号会测到精确的距离和速度，而测得的距离和速度同样会在储存器中存储，以便系统读取，系统也会通过动态频率选择避免功能，由模块87选择与模块86不同的其它工作频率以工作在通信模式。在此，速度决定模块86的雷达模式：如果速度小于零，物体是朝着运行系统的通信设备的方向移动，模块86工作在抗干扰雷达模式；如果速度大于零，物体是背着运行系统的通信设备的方向移动，模块86切换到普通雷达模式。在完成速度判决之后，系统会进一步进行距离判断。

(三)第三种工作方案

第三种工作方案是多波段多模块的系统，在该系统中，有两个或两个以上多频MIMO全双工的收发模块，该系统即可以由一个2.4GHz全双工模块和一个5GHz全双工模块组成，也可以由多个2.4GHz全双工模块和多个5GHz全双工模块组成。

图7示出了本发明实施例提供的无线网络通信系统工作方案三的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

以图7为例，系统有四个模块，模块169和模块170工作在2.4GHz，模块171和模块172工作在5GHz。在图7所示的系统架构中，系统可以采用两种天线配置，其中一种天线配置为2.4GHz和5GHz的收发模块各用一个如上文所述的天线配置方式六，另一种天线配置为2.4GHz和5GHz的收发模块通过天线分离滤波器159，160，161和162共享一个如上文所述的天线配置方式六，其中，4个天线163，164，165和166都是2.4GHz和5GHz双波段天线。在图7所示在系统架构中，每个模块都可以独立工作在雷达模式或通信模式。

第三种工作方案中，2.4GHz模块169和170以及5GHz模块171和172可以同时工作在MIMO通信模式，2.4GHz模块169和170以及5GHz模块171和172可以同时工作在MIMO雷达模式，2.4GHz模块169和170工作在MIMO通信模式同时5GHz模块171和172工作在MIMO雷达模式，或者，5GHz模块171和172工作在MIMO通信模式同时2.4GHz模块169和170工作在MIMO雷达模式。由于四个收发模块两两工作在不同的频率，雷达模式和通信模式互相干扰小，因此能够达到最优化的效果。

在图7对应的系统结构中，模块169，模块170，模块171和模块172与图1所示的收发模块结构均是相同的，其中，2.4GHz模块169的发射信号和5GHz模块171的发射信号通过天线分离滤波器159传送到发射双频天线163。2.4GHz模块170的发射信号和5GHz模块172的发射信号通过天线分离滤波器161传送到发射双频天线164。接收双频天线165通过双频天线分离滤波器160并分别传送到2.4GHz模块169接收机和5GHz模块171的接收机。接收双频天线166通过双频天线分离滤波器162并分别传送到2.4GHz模块170接收机和5GHz模块172的接收机。在图7中，发射双频天线163和发射双频天线164到中线的距离167是相等的，接收双频天线165和接收双频天线166到中线的距离168是相等的。2.4GHz模块169的发射信号和2.4GHz模块170的发射信号以及5GHz模块171的发射信号和5GHz模块172的发射信号的180度相移和功率分配功能在基带94中完成，2.4GHz模块169接收信号和2.4GHz模块170接收信号以及5GHz模块171接收信号和5GHz模块172接收信号的180度相移和功率合成功能也在基带94中完成。

当图7所示的系统架构采用天线配置方式六时，则每两个2.4GHz模块和每两个5GHz模块都可以灵活选择自己的工作模式。当系统中雷达模式和通信模式并存时，其工作流程如图8所示：

图8中的距离、速度和时间的判决条件都可以根据系统的设计和环境而调整改变。图8中系统对外部环境先做出判断，若外部环境好，系统直接选择通信模式和雷达模式并存的状态，在这种并存的状态下，系统将依据距离的远近来判断下一时刻是采用2.4GHz进行通信还是采用5GHz进行通信：若距离大于500米，则系统采用5GHz的通信模式及2.4GHz的雷达模式；若距离小于或等于500米，则系统采用2.4GHz的通信模式及5GHz的雷达模式，系统可以点对点与外部个体通信，也可以通过接入点进行网络通信，得到外部环境信息或进行自我信息广播。同时，雷达模式测得的距离和速度会在存储器中存储，以便系统读取。如果外部环境差，系统直接选择多频MIMO的雷达模式，从而多方位多频率地进行距离和速度测试，加强距离和速度测量的准确性，保障系统安全。系统将依据距离的远近来判断下一时刻是工作在普通雷达模式或抗干扰雷达模式：若距离大于500米，系统仍然工作在普通雷达模式；若距离小于或等于500米，系统进入抗干扰雷达模式，如果环境条件好，多个连续波和连续波频率调制信号会测到精确的距离和速度。当环境条件差时，直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号会测到精确的距离。而在距离小于或等于500米且大于30米，系统会进入多频MIMO的通信模式，该模式的工作时间有限制，当工作时间限制到达时，需要从该模式中跳出，此时需要再对环境进行判断：如果环境条件好，系统工作在2.4GHz的通信模式及5GHz的雷达模式，如果环境条件差，系统工作在2.4GHz和5GHz的双频MIMO雷达模式。

(四)第四种工作方案

第四种工作方案是60GH毫米波全双工系统，在本发明实施例中，对传统的60GHz无线网络通信系统进行了改造，如图9所示，在该系统架构中，工作在厘米波的收发模块(以下简称低频收发模块)174的发射和接收直接与工作在毫米波的收发模块(以下简称高频收发模块)175相连，高频收发模块175中的发射和接收下变频之后也是直接进入到低频收发模块174，同时，低频收发模块174有可选择的模拟自干扰消除模块183和可选择的数字自干扰消除模块191。在低频收发模块174中，发射机和接收机各有独立的数字处理模块176和190，发射机的信号耦合到同模块的接收机，经过射频低噪声放大器184与混频器185，混频器185输出的差频信号经过低噪声放大器187再经过模数转换器189，最终在数字处理模块190做傅立叶变换得到频率相位信息，由此可以算出距离和速度。这个改造实现了雷达模式中多个连续波信号或连续波频率调制信号的收发功能。而雷达模式中的直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号和通信模式共享同样的射频电路和全双工收发功能。在图9所示的系统架构中，低频收发模块和高频收发模块中的主要单元器件的参数会随着模式的改变进行不同的配置。低频收发模块174配置有模拟自干扰消除模块183和数字自干扰消除模块191，高频收发模块175中来自低频收发模块174的发射信号传送到高频混频器194和高频放大器196，然后经过2：1的功率分配模块198、199、200和201以及4：1的功率分配模块202、203、204和205到达系统有源相控阵天线的16个单元225～240。从有源相控阵天线的16个单元225～240接收的高频信号经过4：1的功率合成器205、204、203和202以及2：1的功率合成器200、201、198和199，通过高频低噪放大器传送到高频混频器195再传送到低频收发模块174的接收机，其中，有源相控阵天线的16个单元都是相同的结构。在图9中，以单元228为例，其包括发射移相器206，发射放大器207，收发开关208，接收低噪放大器209和接收移相器210。天线阵的每个单元都包括接收和发射移相器，发射放大器，接受低噪声放大器和一个收发开关，因此每个单元既可以接收也可以发射，这使得本系统的有源相控阵天线可以实现灵活配置。

本系统有源相控阵天线的设计和馈电方式与传统的60GHz无线网络通信系统中的天线是相似的，这里的有源相控阵天线也是在波束赋形方向扫描。由于采用波束赋形方向扫描，系统可以测量被测物体的方向和角度。馈电方式是传输线馈电，在发射机、接收机与天线阵各单元之间有一个多路馈线网络。本系统的有源相控阵天线根据不同的通信和雷达模式配置不同的天线。在图9所示的系统结构中，有源相控阵天线是4x4的16个单元的形成一个波束赋形方向扫描的收发天线。如图9，雷达模式中的直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号和通信模式共享同一个收发天线，如图10所示，有源相控阵天线是4x4的16个单元分成的4个子阵，其中单元225～228形成第一个波束242，单元229～232形成第二个波束243，单元233～236形成第三个波束244，单元237～240形成第四个波束245，这四个波束均可同时在波束赋形方向扫描。波束242和波束245是发射天线对，但它们之间的信号有180度相移，波束243和波束244是接收天线对但它们之间的信号有180度相移。容易想到的，波束242和波束245也可以是接收天线对，波束243和波束244也可以是发射天线对。如图11所示，系统在全双工雷达多个连续波信号或连续波频率调制信号的模式下，单元225～232形成波束246，单元233～240形成波束247，波束246是发射天线同时波束247是接收天线，或者波束246是接收天线同时波束247是发射天线。这里的波束246和波束247均可同时进行方向扫描。

图9所示系统结构的工作原理如下：

从收发信号方式到低频收发模块收发模式最后到天线的配置全都由系统控制。如图12，当系统发射模块选择通信信号和雷达模式中的直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号，低频收发模块接收会选择与本振混频。相应的模拟自干扰消除模块和数字自干扰消除模块也会启动。天线自动进入天线自干扰消除模式。如图13，当系统发射模块选择雷达多个连续波信号或连续波频率调制信号，低频收发模块会选择与耦和过来的反射信号混频。天线自动进入雷达同时收发双向模式。这里系统的工作模式，收发信号方式，接收机的混频选择和天线的波束成型及收发方向都可以配置。系统灵活的选择信号方式，收发机模式和天线模式，使系统无线通信和雷达模式自主切换。在有些无线网络通信模式下，系统也可以只配置在发射或接收状态也包括天线状态，相当传统的半双工方式。系统的通信模式和雷达模式是通过时分双工(TDD)的方式分享基带射频电路和天线。在多模块毫米波全双工无线网络通信和雷达实系统下，系统可采用第二种方案方式。两个毫米波模块可以同时工作在MIMO通信模式或MIMO雷达模式，也可以一个毫米模块是通信模式而另一个毫米模块是雷达模式。当一个毫米模块是通信模式和另一个毫米模块是雷达模式同时工作，系统自动进行动态频率选择避免。当一个毫米模块工作在优先的雷达模式的某个频率时，另一个工作在通信模式的毫米模块会自动避免这个频率而选择其它工作频率。这就减小了系统的两个模块工作在同时同一个频段下的干扰从而保障通信模式和雷达模式各自的信号质量。系统自动进行动态频率选择避免非常适用于多模块毫米波全双工无线网络通信和雷达实系统，且毫米波系统频带宽，这个优势大大提高了频带利用率。

此外，作为本发明的另一实施例，该系统中也可以包括工作在2.4GHz，5GHz以及工作在60GHz的三个收发模块，这三个收发模块在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，具体的工作原理可参照上文实施例，在此不再赘述。

图14以三辆自动或无人驾驶车为例，对本发明实施例提供的无线网络通信系统进行进一步阐述。图14中，车248，车249和车250都备有四个本发明实施例提供的毫米波全双工无线网络通信和雷达系统(工作方案四)，分别分别在每辆车的前后左右，用于在10米之内实现短距离的通信和雷达功能；同时，车顶还部署了一个2.4GHz和5GHz无线网络通信系统，用于实现大于10米的中长距离的通信和雷达功能。车248,车249和车250都可以与沿路的无线接入点254、255、256进行802.11g、802.11b、802.11n、802.11a、802.11ac或802.11p的通信。图14中，车248同时发出无线网络通信信号和雷达信号，如果距离252等于7米，则车248和车249都用毫米波全双工无线网络通信和雷达系统进行综合智能交通控制，车248和车249之间使用点对点无线网络通信。如果距离253等于14米，车249和车250都用2.4GHz和5GHz全双工无线网络通信和雷达系统进行综合智能交通控制，车249和车250之间使用点对点无线网络通信。如果距离251等于20米，车248和车250都用2.4GHz和5GHz全双工无线网络通信和雷达系统进行综合智能交通控制，车248和车250之间使用点对点无线网络通信。本发明实施例提供的无线网络通信系统可以实现车对车(Vehicle-to-Vehicle,V2V)或车对一切(Vehicle-to-Everything,V2X)的通信及测距测速。

本发明实施例提供的无线网络通信系统为基于802.11协议且能支持MIMO的独立多收发模块的系统，具备全双工同时收发功能，能够工作在通信模式及多种雷达模式，使得移动物体可以通过这个系统测量其它物体的距离和速度并通过这个系统与其它物体交换信息，以实现自动驾驶或无人车、无人机相互之间的智能防撞。本系统可以预防移动物体间的冲撞和不必要的减速或加速，任何基于智能控制的物体均可通过这个系统测到彼此的速度、方向和距离，并结合系统的通信功能进行信息交换，以判断下一步的行动和趋势。这种交互式自适应巡航系统会大大提高系统安全性。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种可配置的全双工无线网络雷达通信系统，其特征在于，所述系统包括至少一个收发模块，所述收发模块的发射机和接收机各配置有独立的数字处理模块、自干扰消除天线、模拟自干扰消除模块和数字自干扰消除模块，所述收发模块的发射机配置耦合器，且所述收发模块的接收机混频器配置开关；

所述收发模块可配置，包括所述收发模块采用的信号类型、信号处理方式、工作模式、天线的配置方式和天线的波束成型方式可配置；

当所述收发模块工作在通信模式和第一种雷达模式时，所述接收机的接收信号经过所述模拟自干扰消除模块与所述收发模块的本振信号混频，将所述接收信号转化成基带信号，所述基带信号经过所述数字自干扰消除模块再做解调，以同时实现信号的发送和接收；

当所述收发模块工作在第二种雷达模式时，所述发射机的发射信号中的一部分耦合到所述接收机，并与所述接收机的接收信号混频，以同时实现信号的发送和接收；

其中，通信模式是指：系统通过点对点与外部个体通信，或者，通过接入点进行网络通信，得到外部环境信息，或者，进行自我信息广播；

第一种雷达模式是指抗干扰雷达模式，在抗干扰雷达模式中，发射机会发射直接序列相位调制信号或跳频扩频调制信号，用于环境测试；

第二种雷达模式是指普通雷达模式，在普通雷达模式中，发射机会发射多个连续波信号或连续波频率调制信号，用于环境测试。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，雷达信号包括：直接序列相位调制信号，跳频扩频调制信号，连续波信号或者连续波频率调制信号；

所述系统拥有唯一的伪随机噪声编码，用于通过该伪随机噪声编码区分所述系统的反射信号与来自其它系统的信号。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统包括一个所述收发模块，所述收发模块的工作频率包括2.4GHz、5GHz或60GHz。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述收发模块根据外部环境条件、距离和速度的测量结果，在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，所述通信模式实时发送雷达测试结果。

5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统包括第一所述收发模块和第二所述收发模块，

第一所述收发模块和第二所述收发模块同时工作在2.4GHz、5GHz或60GHz。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统根据外部环境条件、距离和速度的测量结果，在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，所述通信模式实时发送雷达测试结果：

第一所述收发模块工作在通信模式，同时第二所述收发模块也工作在通信模式；或者，

第一所述收发模块工作在通信模式，同时第二所述收发模块工作在雷达模式；或者，

第一所述收发模块工作在雷达模式，同时第二所述收发模块也工作在雷达模式。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，当第一所述收发模块工作在通信模式，同时第二所述收发模块工作在雷达模式时，

第二所述收发模块优先进行工作频率选择，且第一所述收发模块在进行工作频率选择时避名免选择第二所述收发模块使用的工作频率。

8.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统包括两个或两个以上的所述收发模块，其中，至少一个所述收发模块工作在2.4GHz，同时至少一个所述收发模块工作在5GHz。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，

第三所述收发模块和第四所述收发模块工作在通信模式，同时第五所述收发模块和第六所述收发模块也工作在通信模式；或者，

第三所述收发模块和第四所述收发模块工作在通信模式，同时第五所述收发模块和第六所述收发模块工作在雷达模式；或者，

第三所述收发模块和第四所述收发模块工作在雷达模式，同时第五所述收发模块和第六所述收发模块也工作在雷达模式。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统根据外部环境条件、距离和速度测量结果，在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，所述通信模式实时发送雷达测试结果；

若第三所述收发模块和第四所述收发模块工作在通信模式，同时第五所述收发模块和第六所述收发模块工作在雷达模式，则通过第三所述收发模块和第四所述收发模块实时发送当前的雷达测试结果。

11.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统包括工作在毫米波的收发模块和工作在厘米波的所述收发模块；

所述工作在毫米波的收发模块天线阵的每个单元都包括接收移相器、发射移相器、发射放大器、接收低噪声放大器和一个收发开关。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统根据外部环境条件、距离和速度测量结果，在所述通信模式和两种雷达模式之间切换，所述通信模式实时发送雷达测试结果：

工作在厘米波的所述收发模块工作在通信模式或所述第一种雷达模式，其接收信号与本振混频，并启动所述模拟自干扰消除模块和所述数字自干扰消除模块；工作在毫米波的收发模块的有源相控阵天线进入多发射和多接收波束成形扫描，不同发射波束对或接收波束对的信号相差180度；或者，

工作在厘米波的所述收发模块工作在所述第二种雷达模式，其与耦合过来的反射信号混频；工作在毫米波的收发模块的有源相控阵天线进入单发射和单接收波束成形扫描，实现雷达同时收发。

13.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统包括工作在2.4GHz，5GHz以及工作在60GHz的三个所述收发模块，

三个所述收发模块在所述通信模式和两种雷达模式之间切换。