CN117833970A - 一种通信感知一体化信号处理系统及方法 - Google Patents

一种通信感知一体化信号处理系统及方法 Download PDF

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CN117833970A CN202311650581.9A CN202311650581A CN117833970A CN 117833970 A CN117833970 A CN 117833970A CN 202311650581 A CN202311650581 A CN 202311650581A CN 117833970 A CN117833970 A CN 117833970A
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张平
尉志青
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Beijing University of Posts and Telecommunications
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Abstract

本申请实施例提供了一种通信感知一体化信号处理系统及方法，涉及通信技术领域，该系统包括终端和接入设备，终端利用融合感知信息进行上行发射波束成形和管理，在上行时隙发送上行信号。接入设备在上行时隙接收上行信号，并在下行时隙接收下行信号的回波信号；利用融合感知信息对上行信号和回波信号分别进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到上行信号的第一感知信息以及回波信号的第二感知信息；基于第一感知信息和第二感知信息更新融合感知信息；利用融合感知信息进行下行发射波束成形和管理，在下行时隙发送下行信号。应用本申请实施例提供的技术方案，实现双向通信过程中的通信感知一体化，提升通信优化过程的性能。

Description

一种通信感知一体化信号处理系统及方法
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种通信感知一体化信号处理系统及方法。
背景技术
随着无线通信技术的迅猛发展，分配给无线通信的频谱不断向着高频段、大带宽发展。尤其是在毫米波频段开放之后，无线通信的频谱与分配给无线感知的频谱呈现越发明显的融合趋势。随着数字信号处理技术的快速发展，无线感知系统和无线通信系统的ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)和DAC(Digital-to-Analog Converter，数字模拟转换器)以及数字处理器模块都不断前移，二者的系统结构越发相似。这些为探测感知系统与通信系统共用硬件设备、射频链路、频谱资源的通信感知一体化技术提供了巨大的可能性。
目前，基于无线通信的通信感知一体化系统是基于单向通信过程设计的，例如，在基于移动蜂窝通信的通信感知一体化系统中，基于上行或下行的某一单向通信过程进行系统设计，通信优化过程性能提升有限。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种通信感知一体化信号处理系统及方法，以实现双向通信过程中的通信感知一体化，进一步提升通信优化过程的性能。具体技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种通信感知一体化信号处理系统，所述系统包括部署于接入设备上的第一信号处理模块、感知融合模块、第一信号发射模块，以及部署于终端侧的第二信号发射模块，所述第一信号处理模块与所述感知融合模块连接，所述感知融合模块与所述第一信号发射模块连接；
所述第二信号发射模块，用于利用融合感知信息，进行上行发射波束成形和管理，并基于所述上行发射波束成形和管理，在上行时隙发送上行信号；
所述第一信号处理模块，用于在上行时隙接收上行信号，并在下行时隙接收下行信号的回波信号；利用融合感知信息，对所述上行信号和所述回波信号分别进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到所述上行信号的第一感知信息以及所述回波信号的第二感知信息；
所述感知融合模块，用于基于所述第一感知信息和所述第二感知信息，更新所述融合感知信息；
所述第一信号发射模块，用于利用所述融合感知信息，进行下行发射波束成形和管理，并基于所述下行发射波束成形和管理，在下行时隙发送下行信号。
在一些实施例中，所述上行信号包括上行导频信号和上行数据信号，所述下行信号包括下行导频信号和下行数据信号；
所述系统还包括部署于接入设备上的第一信道估计模块、CSI(Channel StateInformation，信道状态信息)融合模块和第一通信解调模块，以及部署于终端侧的第二信号处理模块、第二信道估计模块和第二通信解调模块，所述第一信道估计模块和所述第一通信解调模块分别与所述第一信号处理模块相连，所述CSI融合模块与所述第一信道估计模块相连，所述第二信道估计模块和所述第二通信解调模块分别与所述第二信号处理模块相连；
所述第一信道估计模块，用于在接收到所述上行导频信号后，对所述上行导频信号进行信道估计，得到上行CSI估计值；
所述第二信号处理模块，用于在下行时隙接收所述下行信号；利用融合感知信息，对所述下行信号进行下行接收波束成形和管理；
所述第二信道估计模块，用于在接收到所述下行导频信号后，对所述下行导频信号进行信道估计，得到下行CSI估计值；
所述CSI融合模块，用于基于所述上行CSI估计值与所述下行CSI估计值，更新融合CSI估计值；
所述第一通信解调模块，用于在接收到所述上行数据信号后，利用融合CSI估计值对所述上行数据信号进行解调；
所述第二通信解调模块，用于在接收到所述下行数据信号后，利用融合CSI估计值对所述下行数据信号进行解调。
在一些实施例中，所述CSI融合模块，具体用于：
利用接收信号矩阵，估计所述上行CSI估计值与所述下行CSI估计值对应的误差值；
利用得到的误差值，将所述上行CSI估计值与所述下行CSI估计值进行融合，得到融合CSI估计值。
在一些实施例中，所述下行信号包括下行导频信号、下行数据信号和主动探测信号；
所述第一信号发射模块，具体用于在下行时隙向所述终端方向发送所述下行导频信号和所述下行数据信号，并在下行时隙向感兴趣方向发送所述主动探测信号；
所述第一信号处理模块，具体用于在下行时隙接收所述下行导频信号的回波信号、所述下行数据信号的回波信号和所述主动探测信号的回波信号。
在一些实施例中，所述第一感知信息和所述第二感知信息包括多个目标对应的感知信息；所述感知融合模块，具体用于：
利用接收信号矩阵，估计每个目标进行感知的信噪比；
利用每个目标进行感知的信噪比，估计每个目标对应的感知信息的误差值；
利用每个目标对应的误差值，将每个目标对应的感知信息进行融合，得到融合感知信息。
在一些实施例中，所述第二信号发射模块，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行上行发射波束成形和管理；
所述第一信号处理模块，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行接收波束成形和管理；
所述第一信号发射模块，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行发射波束成形和管理；
所述第二信号处理模块，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行接收波束成形和管理。
在一些实施例中，所述第一信号处理模块和所述第一信号发射模块，具体用于：
判断是否处于波束成形阶段；
若是，则利用融合感知信息产生参考信道；利用所述参考信道和融合CSI估计值生成第一函数，并利用所述参考信道和感兴趣方向信息生成第二函数，所述第一函数为通信波束的目标和约束函数，所述第二函数为专用感知波束的目标和约束函数；求解所述第一函数和所述第二函数，得到通信波束成形向量以及专用感知波束成形向量；
若否，则利用融合感知信息辅助波束对准；在波束对准后，利用所述融合感知信息辅助波束追踪。
在一些实施例中，上行接收通信波束成形向量和下行发射通信波束成形向量相同。
第二方面，本申请实施例提供了一种通信感知一体化信号处理方法，应用于接入设备，所述方法包括：
在上行时隙接收上行信号，并在下行时隙接收下行信号的回波信号；
利用融合感知信息，对所述上行信号和所述回波信号分别进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到所述上行信号的第一感知信息以及所述回波信号的第二感知信息；
基于所述第一感知信息和所述第二感知信息，更新所述融合感知信息；
利用所述融合感知信息，进行下行发射波束成形和管理，并基于所述下行发射波束成形和管理，在下行时隙发送下行信号。
在一些实施例中，所述上行信号包括上行导频信号和上行数据信号，所述方法还包括：
在接收到所述上行导频信号后，对所述上行导频信号进行信道估计，得到上行CSI估计值；基于所述上行CSI估计值与下行CSI估计值，更新融合CSI估计值；在接收到所述上行数据信号后，利用融合CSI估计值对所述上行数据信号进行解调。
在一些实施例中，所述基于所述上行CSI估计值与下行CSI估计值，更新融合CSI估计值的步骤，包括：
利用接收信号矩阵，估计所述上行CSI估计值与下行CSI估计值对应的误差值；利用得到的误差值，将所述上行CSI估计值与所述下行CSI估计值进行融合，得到融合CSI估计值。
在一些实施例中，所述下行信号包括下行导频信号、下行数据信号和主动探测信号；所述在下行时隙发送下行信号的步骤，包括：
在下行时隙向终端方向发送所述下行导频信号和所述下行数据信号，并在下行时隙向感兴趣方向发送所述主动探测信号；
所述在下行时隙接收下行信号的回波信号的步骤，包括：
在下行时隙接收所述下行导频信号的回波信号、所述下行数据信号的回波信号和所述主动探测信号的回波信号。
在一些实施例中，所述第一感知信息和所述第二感知信息包括多个目标对应的感知信息；所述基于所述第一感知信息和所述第二感知信息，更新所述融合感知信息的步骤，包括：
利用接收信号矩阵，估计每个目标进行感知的信噪比；利用每个目标进行感知的信噪比，估计每个目标对应的感知信息的误差值；利用每个目标对应的误差值，将每个目标对应的感知信息进行融合，得到融合感知信息。
在一些实施例中，通过如下方式进行接收波束成形和管理：利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行接收波束成形和管理；
所述利用所述融合感知信息，进行下行发射波束成形和管理的步骤，包括：利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行发射波束成形和管理。
在一些实施例中，所述利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行接收波束成形和管理的步骤，包括：判断是否处于波束成形阶段；若是，则利用融合感知信息产生参考信道；利用所述参考信道和融合CSI估计值生成第一函数，并利用所述参考信道和感兴趣方向信息生成第二函数，所述第一函数为通信波束的目标和约束函数，所述第二函数为专用感知波束的目标和约束函数；求解所述第一函数和所述第二函数，得到通信波束成形向量以及专用感知波束成形向量；若否，则利用融合感知信息辅助波束对准；在波束对准后，利用所述融合感知信息辅助波束追踪；
所述利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行发射波束成形和管理的步骤，包括：判断是否处于波束成形阶段；若是，则利用融合感知信息产生参考信道；利用所述参考信道和融合CSI估计值生成第一函数，并利用所述参考信道和感兴趣方向信息生成第二函数，所述第一函数为通信波束的目标和约束函数，所述第二函数为专用感知波束的目标和约束函数；求解所述第一函数和所述第二函数，得到通信波束成形向量以及专用感知波束成形向量；若否，则利用融合感知信息辅助波束对准；在波束对准后，利用所述融合感知信息辅助波束追踪。
在一些实施例中，上行接收通信波束成形向量和下行发射通信波束成形向量相同。
第三方面，本申请实施例提供了一种通信感知一体化信号处理方法，应用于终端，所述方法包括：
利用融合感知信息，进行上行发射波束成形和管理，并基于所述上行发射波束成形和管理，在上行时隙发送上行信号。
在一些实施例中，所述下行信号包括下行导频信号和下行数据信号，所述方法还包括：
在下行时隙接收所述下行信号；利用融合感知信息，对所述下行信号进行下行接收波束成形和管理；在接收到所述下行导频信号后，对所述下行导频信号进行信道估计，得到下行CSI估计值；在接收到所述下行数据信号后，利用融合CSI估计值对所述下行数据信号进行解调。
在一些实施例中，所述利用融合感知信息，进行上行发射波束成形和管理的步骤，包括：
利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行上行发射波束成形和管理；
所述利用融合感知信息，对所述下行信号进行下行接收波束成形和管理的步骤，包括：
利用融合感知信息和融合CSI估计值，对所述下行信号进行下行接收波束成形和管理。
第四方面，本申请实施例还提供了一种接入设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信，
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述第二方面所述的方法步骤。
第五方面，本申请实施例还提供了一种终端，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信，
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述第三方面所述的方法步骤。
第六方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第二方面或第三方面所述的方法步骤。
第七方面，本申请实施例提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述第二方面或第三方面所述的方法步骤。
本申请实施例有益效果：
本申请实施例提供的技术方案中，接入设备通过第一信号处理模块，在已获得的融合感知信息的辅助下，对接收的上行信号和回波信号进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，获得新的感知信息，即第一感知信息和第二感知信息。接入设备通过感知融合模块，基于新获得的感知信息，对融合感知信息进行更新，以得到精度更高的融合感知信息，并通过第一信号发射模块，在精度更高的融合感知信息的辅助下，发射下行信号。由于接入设备与终端在极短的连续收发时隙内进行通信，环境中各个目标(如终端、环境反射体)的状态基本保持不变，因此，可以采用已获得的融合感知信息，对接收的信号进行处理，提高了信号处理的准确度，并通过接收的信号获得新的感知信息，对融合感知信息进行更新，提高了融合感知信息的准确度。进而，采用更新后的融合感知信息辅助下行信号发射，实现了双向通信过程中的通信感知一体化，进一步提高了环境感知能力，提升了通信优化过程的性能。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第一种结构示意图；
图2为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第二种结构示意图；
图3为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第三种结构示意图；
图4为本申请实施例提供的CSI融合模块处理流程的一种示意图；
图5为本申请实施例提供的感知融合模块处理流程的一种示意图；
图6为本申请实施例提供的波束成形和管理子模块处理流程的一种示意图；
图7为本申请实施例提供的收发双向通信感知一体化场景示意图；
图8为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第四种结构示意图；
图9为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第五种结构示意图；
图10为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第六种结构示意图；
图11为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第七种结构示意图；
图12为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第八种结构示意图；
图13为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理方法的一种流程示意图；
图14为本申请实施例提供的接入设备的一种结构示意图；
图15为本申请实施例提供的终端的一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
随着无线通信技术的迅猛发展，分配给无线通信的频谱不断向着高频段、大带宽发展。尤其是在毫米波频段开放之后，无线通信的频谱与分配给无线感知的频谱呈现越发明显的融合趋势。随着数字信号处理技术的快速发展，无线感知系统和无线通信系统的ADC和DAC以及数字处理器模块都不断前移，二者的系统结构越发相似。这些为探测感知系统与通信系统共用硬件设备、射频链路、频谱资源的通信感知一体化技术提供了巨大的可能性。
目前，基于无线通信的通信感知一体化系统是基于单向通信过程设计的，例如，在基于移动蜂窝通信的通信感知一体化系统中，基于上行或下行的某一单向通信过程进行系统设计，而忽略了TDD(Time Division Duplexing，时分双工)通信系统中收发时隙交替的特性。
由于现有的适用于上行或者下行的通信感知一体化方法的研究是独立割裂地进行的，所提出的通感一体化系统仅适用于基于上行或者下行的无线通信链路，并没有适应通信系统上下行通信交替的特性，也没有兼顾上下行通信感知一体化的适配，通信优化过程性能提升有限。
为了实现双向通信过程中的通信感知一体化，进一步提升通信优化过程的性能，本申请实施例提供了一种通信感知一体化信号处理系统，可以适用于任一具有连续双向收发时隙的无线通信网络，如蜂窝移动通信网络、WiFi(无线网络通信技术)网络、自组织(ad-hoc)网络等，也可以适用于单一用户或多用户情况下的无线通信网络场景，对此不作限定。为便于描述，后续均以单一用户、单链路情况下的上下行通信过程交替的移动通信网络场景为例进行描述。对于移动通信网络而言，上下行时隙即为收发时隙。
参见图1，为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第一种结构示意图，包括接入设备11和终端12两侧的无线设备。接入设备可以为基站或AP(AccessPoint，接入点)等，终端可以为用户设备(UE，User Equipment)等。本申请实施例中，接入设备和终端可以被任何上述所提到的具有连续双向收发时隙的无线通信网络中的无线设备所替代，在此以接入设备和终端为例进行说明，并不起限定作用。
参见图2，为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第二种结构示意图，包括部署于接入设备上的第一信号处理模块111、感知融合模块112、第一信号发射模块113，以及部署于终端侧的第二信号发射模块121，第一信号处理模块111与感知融合模块112连接，感知融合模块112与第一信号发射113模块连接。
第二信号发射模块121，用于利用融合感知信息，进行上行发射波束成形和管理，并基于上行发射波束成形和管理，在上行时隙发送上行信号。
本申请实施例中，融合感知信息为接入设备通过感知融合模块112将多个感知信息进行融合，得到的更精确的感知信息，接入设备可以通过下行信号，向终端反馈融合感知信息，并在终端的感知融合模块中存储。在上行时隙中，终端可以通过第二信号发射模块121将接入设备的感知融合模块112提供的融合感知信息作为先验信息，在融合感知信息的辅助下对上行信号进行上行发射波束成形和管理，得到上行发射通信波束成形向量，向接入设备发送上行信号。此外，若接入设备的感知融合模块112还未获得融合感知信息，则第二信号发射模块121可以直接进行上行发射波束成形和管理，如可以使用最小二乘法(LS，Least Square)或其他波束成形方法得到上行发射通信波束成形向量。
第一信号处理模块111，用于在上行时隙接收上行信号，并在下行时隙接收下行信号的回波信号；利用融合感知信息，对上行信号和回波信号分别进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到上行信号的第一感知信息以及回波信号的第二感知信息。
在上行时隙，接入设备通过第一信号处理模块111接收经过上行通信信道的上行信号，并利用接收的上行信号估计感知信息，如进行入射角估计、距离估计和多普勒频移估计，估计终端以及环境反射体的AoA(Angle-of-arrival，来波角度)、与接入设备的距离和径向相对运动速度，得到角度感知信息、距离感知信息和频移感知信息作为第一感知信息。接入设备通过第一信号处理模块111，将感知融合模块112提供的融合感知信息作为先验信息，在当前的融合感知信息的辅助下对上行信号进行上行接收波束成形和管理，如对上行信号进行接收波束成形或波束管理，产生上行接收通信波束成形向量进行基带空间滤波。
同理，接入设备可以下行时隙对回波信号进行处理。在下行时隙，接入设备通过第一信号处理模块111接收经过回波感知信道的下行信号的回波信号，并利用回波信号估计感知信息，如进行入射角估计、距离估计和多普勒频移估计，估计终端以及环境反射体的AoA、与接入设备的距离和径向相对运动速度，得到角度感知信息、距离感知信息和频移感知信息作为第二感知信息。接入设备通过第一信号处理模块111，将感知融合模块112提供的融合感知信息作为先验信息，在当前的融合感知信息的辅助下对回波信号进行下行接收波束成形和管理，如对回波信号进行接收波束成形或波束管理，产生下行接收波束成形向量进行基带空间滤波。在此对第一信号处理模块111估计感知信息、进行接收波束成形和管理的顺序不作限定。
本申请实施例中，环境中可能存在多个环境反射体，则在下行时隙第一信号处理模块111可以接收多个回波信号，通过上述方式对多个回波信号进行处理，可以得到多个环境反射体的第二感知信息。
感知融合模块112，用于基于第一感知信息和第二感知信息，更新融合感知信息。
本申请实施例中，接入设备通过感知融合模块112，根据获得的感知信息(如第一感知信息和第二感知信息)对当前的融合感知信息进行更新。例如，若已获得融合感知信息，则在获得第一感知信息后，感知融合模块112可以将第一感知信息与当前的融合感知信息进行融合，得到融合后的融合感知信息作为新的融合感知信息；若还未获得融合感知信息，则可以将第一感知信息作为融合感知信息。同理，在下行时隙获得第二感知信息后，感知融合模块112可以将第二感知信息与当前的融合感知信息进行融合，更新融合感知信息。
第一信号发射模块113，用于利用融合感知信息，进行下行发射波束成形和管理，并基于下行发射波束成形和管理，在下行时隙发送下行信号。
在下行时隙，接入设备通过第一信号发射模块113将感知融合模块112提供的融合感知信息作为先验信息，在当前的融合感知信息的辅助下对下行信号进行下行发射波束成形和管理，向终端方向发送下行信号。若接入设备的感知融合模块112还未获得融合感知信息，则第二信号发射模块121可以直接进行上行发射波束成形和管理。
本申请实施例提供的技术方案中，接入设备通过第一信号处理模块，在已获得的融合感知信息的辅助下，对接收的上行信号和回波信号进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，获得新的感知信息，即第一感知信息和第二感知信息。接入设备通过感知融合模块，基于新获得的感知信息，对融合感知信息进行更新，以得到精度更高的融合感知信息，并通过第一信号发射模块，在精度更高的融合感知信息的辅助下，发射下行信号。由于接入设备与终端在极短的连续收发时隙内进行通信，环境中各个目标(如终端、环境反射体)的状态基本保持不变，因此，可以采用已获得的融合感知信息，对接收的信号进行处理，提高了信号处理的准确度，并通过接收的信号获得新的感知信息，对融合感知信息进行更新，提高了融合感知信息的准确度。进而，采用更新后的融合感知信息辅助下行信号发射，实现了双向通信过程中的通信感知一体化，进一步提高了环境感知能力，提升了通信优化过程的性能。
本申请实施例中，第一信号发射模块113和第二信号发射模块121可以包括OFDM(Orthogonal frequency-division multiplexing，正交频分复用)信号生成子模块以及波束成形和管理子模块。终端可以通过OFDM信号生成模块生成上行信号，再通过波束成形和管理子模块对该上行信号进行上行发射波束成形和管理，向接入设备发送上行信号。接入设备可以通过OFDM信号生成模块生成下行信号，再通过波束成形和管理子模块对该下行信号进行下行发射波束成形和管理，向终端发送下行信号。
本申请实施例中，第一信号处理模块111可以包括：入射角估计子模块、波束成形和管理子模块和距离-多普勒频移估计子模块，分别对上行信号和回波信号进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，在此对各模块的执行顺序不作限定。以接入设备依次对上行信号进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计为例进行说明，并不起限定作用。
接入设备在上行时隙接收到上行信号后，可以通过入射角估计子模块对上行信号进行入射角估计，得到角度感知信息，再在当前的融合感知信息的辅助下通过波束成形和管理子模块进行上行接收波束成形和管理，之后，通过距离-多普勒频移估计子模块对进行上行接收波束成形和管理后的上行信号进行距离估计和多普勒频移估计，得到距离感知信息和频移感知信息。同理，接入设备可以对回波信号进行处理，在此对接入设备处理上行信号和回波信号的方式不作限定。
本申请实施例中，若接入设备的感知融合模块112还未获得融合感知信息，则波束成形和管理子模块可以根据获得的角度感知信息，进行接收波束成形和管理；若接入设备的感知融合模块112已获得融合感知信息，则波束成形和管理子模块可以根据获得的角度感知信息和融合感知信息，进行接收波束成形和管理，对此不作限定。
本申请实施例中，入射角估计子模块可以利用阵列接收信号(即上行信号或回波信号)来估计不同信号分量的入射角度，即AoA。入射角估计子模块可以使用多重信号分类(MUSIC，Multiple Signal Classification)、基于旋转不变技术的信号参数估计(ESPRIT，Estimating signal parameter via rotational invariance techniques)等方法进行入射角估计。
本申请实施例中，距离-多普勒频移估计子模块可以利用阵列接收信号(即上行信号或回波信号)来估计信道中距离和多普勒频移参数。距离-多普勒频移估计子模块可以采用基于快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)的距离和多普勒感知方法、基于子空间方法的距离和多普勒感知方法(如基于MUSIC、ESPRIT等的方法)、基于张量估计方法的距离和多普勒感知方法等。对感知精度要求不高的情况，可以使用基于FFT的距离和多普勒感知方法进行低复杂度估计；对于复杂度要求不高而对感知精度和分辨率要求较高的情况，可以使用基于子空间方法或张量估计方法的距离和多普勒感知方法。
在一些实施例中，上行信号包括上行导频信号和上行数据信号，下行信号包括下行导频信号和下行数据信号。参见图3，为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第三种结构示意图，通信感知一体化信号处理系统还包括部署于接入设备上的第一信道估计模块114、CSI融合模块115和第一通信解调模块116，以及部署于终端侧的第二信号处理模块122、第二信道估计模块123和第二通信解调模块124，第一信道估计模块114和第一通信解调模块116分别与第一信号处理模块111相连，CSI融合模块115与第一信道估计模块114相连，第二信道估计模块123和第二通信解调模块124分别与第二信号处理模块122相连。
第一信道估计模块114，用于在接收到上行导频信号后，对上行导频信号进行信道估计，得到上行CSI估计值。
在上行前导符号时隙，终端通过第二信号发射模块121，在融合感知信息的辅助下对上行导频信号进行上行发射波束成形和管理，向接入设备发送上行导频信号。接入设备通过第一信号处理模块111接收经过上行通信信道的上行导频信号，对上行导频信号进行入射角估计、上行接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到第一感知信息和上行接收通信波束成形向量，并通过感知融合模块112，更新融合感知信息。同理，在上行数据符号时隙，终端通过第二信号发射模块121，在融合感知信息的辅助下的对上行数据信号进行上行发射波束成形和管理，向接入设备发送上行数据信号。接入设备通过第一信号处理模块111接收经过上行通信信道的上行数据信号，对上行数据信号进行入射角估计、上行接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到第一感知信息和上行接收通信波束成形向量，并通过感知融合模块112，更新融合感知信息。
本申请实施例中，在接收到上行导频信号后，第一信道估计模块114对通过第一信号处理模块111进行上行接收波束成形和管理后的上行导频信号进行上行信道估计，得到上行CSI估计值。
本申请实施例中，接入设备可以利用接收到的导频信号进行信道估计，获得用于通信解调的CSI估计值。接入设备可以使用任意的信道估计方法进行信道估计，如基于最小二乘法的信道估计、基于最小均方误差(MMSE，Minimum Mean Square Error)准则的信道估计、基于线性最小均方误差(LMMSE，Linear Minimum Mean Square Error)准则的信道估计等。第一信道估计模块114还可以在融合感知信息的辅助下，进行信道估计，以提高信道估计的准确性，对此不作限定。
本申请实施例中，终端可以将对上行导频信号进行上行发射波束成形和管理得到的上行发射通信波束成形向量，直接作为上行数据信号的上行发射通信波束成形向量，进行上行数据信号的发射，如采用与上行导频信号的上行发射通信波束成形向量相同的天线权重向量进行上行数据信号的发射。同理，接入设备可以将对上行导频信号进行上行接收波束成形和管理得到的上行接收通信波束成形向量，直接作为上行数据信号的上行接收通信波束成形向量，对上行数据信号进行处理，对此不作限定。
本申请实施例中，接入设备在接收上行数据信号后，可以只对上行数据信号进行高精度的入射角估计，将得到角度感知信息作为第一感知信息。
第二信号处理模块122，用于在下行时隙接收下行信号；利用融合感知信息，对下行信号进行下行接收波束成形和管理。
本申请实施例中，在下行前导符号时隙，接入设备通过第一信号发射模块113，在融合感知信息的辅助下进行下行发射波束成形和管理，得到下行发射通信波束成形向量，向终端发送下行导频信号。终端接收经过下行通信信道的下行导频信号，在接入设备反馈的融合感知信息的辅助下，通过第二信号处理模块122对下行导频信号进行下行接收波束成形和管理，得到下行接收通信波束成形向量。同理，在下行数据符号时隙，接入设备通过第一信号发射模块113，在融合感知信息的辅助下进行下行发射波束成形和管理，得到下行发射通信波束成形向量，向终端发送下行数据信号。终端接收经过下行通信信道的下行数据信号，在接入设备反馈的融合感知信息的辅助下，通过第二信号处理模块122对下行数据信号进行下行接收波束成形和管理，得到下行接收通信波束成形向量。
本申请实施例中，上行接收通信波束成形向量和下行发射通信波束成形向量可以相同，也就是，接入设备可以将对上行导频信号进行上行接收波束成形和管理得到的上行接收通信波束成形向量，直接作为下行导频信号的下行发射通信波束成形向量，进行下行导频信号的发射，不再进行波束成形和管理。如采用与上行导频信号的上行接收通信波束成形向量相同的天线权重向量进行下行导频信号的发射。由于TDD系统的信道互易性，接入设备采用与上行接收通信波束成形向量相同的下行发射通信波束成形向量，可以降低系统复杂度，节省计算资源。
同理，接入设备还可以将下行导频信号的下行发射通信波束成形向量，直接作为下行数据信号的下行发射通信波束成形向量，进行下行数据信号的发射。终端可以将对上行导频信号进行上行发射波束成形和管理得到的上行发射通信波束成形向量，直接作为下行导频信号的下行接收通信波束成形向量，进行下行导频信号的接收。终端还可以将对下行导频信号的下行接收通信波束成形向量，直接作为下行数据信号的下行接收通信波束成形向量，进行下行数据信号的接收。
第二信道估计模块123，用于在接收到下行导频信号后，对下行导频信号进行信道估计，得到下行CSI估计值。
本申请实施例中，终端通过第二信道估计模块123，对通过第二信号处理模块122进行下行接收波束成形和管理后的下行导频信号进行下行信道估计，得到下行CSI估计值，信道估计的具体方式可参见上述第一信道估计模块114进行上行信道估计的相关描述。
CSI融合模块115，用于基于上行CSI估计值与下行CSI估计值，更新融合CSI估计值；
本申请实施例中，终端可以在上行信号中携带下行CSI估计值，将下行CSI估计值反馈给接入设备。通过CSI融合模块115，接入设备可以根据获得的CSI估计值(如上行CSI估计值和下行CSI估计值)对融合CSI估计值进行更新。例如，若接入设备已获得融合CSI估计值，则在获得上行CSI估计值后，CSI融合模块115可以将上行CSI估计值与当前的融合CSI估计值进行融合，得到融合后的融合CSI估计值作为新的融合CSI估计值；若还未获得融合CSI估计值，CSI融合模块115可以将获得的上行CSI估计值作为融合CSI估计值。同理，在获得下行CSI估计值后，CSI融合模块115可以将下行CSI估计值与当前的融合CSI估计值进行融合，更新融合CSI估计值。
第一通信解调模块116，用于在接收到上行数据信号后，利用融合CSI估计值对上行数据信号进行解调。
本申请实施例中，在接收到上行数据信号后，第一通信解调模块116利用融合CSI估计值，对通过第一信号处理模块111进行上行接收波束成形和管理后的上行数据信号进行解调。
接入设备可以利用CSI估计值对接收到的数据信号进行信道均衡和译码。接入设备可以使用任意的信道均衡准则和译码准则实现通信解调。例如，采用基于LS或MMSE准则的信道均衡准则，基于最大似然准则(ML，Maximum Likelihood)的译码准则等，对此不作限定。
第二通信解调模块124，用于在接收到下行数据信号后，利用融合CSI估计值对下行数据信号进行解调。
本申请实施例中，在接收到下行数据信号后，第二通信解调模块124利用融合CSI估计值，对通过第二信号处理模块122进行下行接收波束成形和管理后的下行数据信号进行解调，解调的具体方式可参见上述第一通信解调模块116进行解调的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，由于相干时间内，TDD系统存在信道互易性，可以通过CSI融合模块将上、下行CSI估计值进行融合，得到融合CSI估计值，利用融合CSI估计值进行通信解调，提高信道估计的精度，进而提升通信可靠性。
在一些实施例中，下行信号包括下行导频信号、下行数据信号和主动探测信号。第一信号发射模块113具体用于在下行时隙向终端方向发送下行导频信号和下行数据信号，并在下行时隙向(DoI，Direction of Interests)感兴趣方向发送主动探测信号。第一信号处理模块111具体用于在下行时隙接收下行导频信号的回波信号、下行数据信号的回波信号和主动探测信号的回波信号。
本申请实施例中，在下行前导符号时隙，接入设备通过第一信号发射模块113在融合感知信息的辅助下进行下行发射波束成形和管理，得到下行发射通信波束成形向量，向终端方向发送下行导频信号。在下行前导符号时隙，第一信号处理模块111接收终端以及终端方向上的环境反射体的回波信号。在下行数据符号时隙，接入设备通过第一信号发射模块113，在融合感知信息的辅助下进行下行发射波束成形和管理，得到下行发射通信波束成形向量和下行发射感知波束成形向量，向终端方向和感兴趣方向分别发送下行数据信号和主动探测信号。在下行数据符号时隙，第一信号处理模块111接收终端、终端方向上的环境反射体以及感兴趣方向上的潜在环境反射体的回波信号。接入设备可以向预设的感兴趣方向发射主动探测信号，也可以通过扫描的方式发射主动探测信号，对此不作限定。
本申请实施例中，在接收下行导频信号、下行数据信号和主动探测信号的回波信号后，接入设备可以通过第一信号处理模块111，对各个回波信号分别进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计。
本申请实施例提供的技术方案中，第一信号发射模块在向终端方向发送下行信号的同时，还向感兴趣方向发送主动探测信号，使得接入设备可以通过主动探测信号对感兴趣的其他方向进行探测，获得环境中潜在环境反射体的感知信息，增强对环境中目标的感知精度以及检测率。
在一些实施例中，CSI融合模块115，具体用于：利用接收信号矩阵，估计上行CSI估计值与下行CSI估计值对应的误差值；利用得到的误差值，将上行CSI估计值与下行CSI估计值进行融合，得到融合CSI估计值。在获得上行CSI估计值和下行CSI估计值后，CSI融合模块115可以估计CSI估计值对应的误差值，如将用于信道估计的接收信号矩阵作为输入，估计上行CSI估计值和下行CSI估计值对应的的误差值，误差值可以为均方误差等，在此不作限定。CSI融合模块115将对应的误差值关联到CSI估计结果，将上行CSI估计结果和下行CSI估计结果进行数据融合，获得精度更高的融合CSI估计值。
本申请实施例中，在获得上行CSI估计值后，CSI融合模块115可以基于上行CSI估计值，对融合CSI估计值进行更新。CSI融合模块115估计上行CSI估计值和当前的融合CSI估计值对应的误差值，将对应的误差值关联到CSI估计结果进行数据融合，对融合CSI估计值进行更新。同理，在获得下行CSI估计值后，CSI融合模块115可以基于下行CSI估计值，对融合CSI估计值进行更新，在此不再赘述。
本申请实施例中，在进行CSI估计值融合的过程中，可以采用多种数据融合方式，如采用基于最小方差准则的数据融合方法，参见公式(1)。以将上行CSI估计结果和下行CSI估计结果进行数据融合为例进行说明，并不起限定作用。
M＝K1*W1+K2*W2 公式(1)
其中，M表示融合CSI估计值，W1表示上行CSI估计结果，W2表示下行CSI估计结果，K1表示上行CSI估计结果的权重，K1＝σ2 2/(σ1 2+σ2 2)，σ2 2表示下行CSI估计结果的方差，σ1 2表示上行CSI估计结果的方差，K2表示下行CSI估计结果的权重，K2＝σ1 2/(σ1 2+σ2 2)。
参见图4，为本申请实施例提供的CSI融合模块处理流程的一种示意图。
步骤S41，输入上行通信感知一体化获得的接收信号矩阵以及上行CSI估计值和下行通信感知一体化获得的接收信号矩阵以及下行CSI估计值。
步骤S42，由接收信号矩阵估计上行CSI估计值的均方误差。
步骤S43，由接收信号矩阵估计下行CSI估计值的均方误差。
步骤S44，将估计的CSI均方误差关联到CSI估计结果。
步骤S45，对上、下行CSI估计结果进行数据融合，获得精度更高的CSI估计值。
步骤S46，输出CSI估计的融合结果(即融合CSI估计值)。
本申请实施例提供的技术方案中，CSI融合模块将上行和下行获得的CSI估计值以及用于信道估计的接收信号矩阵作为输入，利用信道互易性，对上行和下行通信信道的CSI进行数据融合，获得更高精度的融合CSI估计值作为输出，进而提升通信可靠性。
在一些实施例中，第一感知信息和第二感知信息包括多个目标对应的感知信息。感知融合模块112，具体用于：利用接收信号矩阵，估计每个目标进行感知的信噪比；利用每个目标进行感知的信噪比，估计每个目标对应的感知信息的误差值；利用每个目标对应的误差值，将每个目标对应的感知信息进行融合，得到融合感知信息。
在获得第一感知信息和第二感知信息后，感知融合模块112可以估计第一感知信息和第二感知信息包括的所有感知信息所属的每个目标进行感知的信噪比，如将用于感知估计的接收信号矩阵作为输入，估计每个目标进行感知的信噪比。根据每个目标的信噪比，估计每个目标对应的感知信息的误差值，误差值可以为均方误差或均方误差下界等，在此不作限定。感知融合模块112将每个目标对应的感知信息的误差值关联到每个目标的感知结果(即感知信息)，对上行感知结果(即第一感知信息)和下行感知结果(即第二感知信息)进行匹配，将配对的目标的感知结果进行数据融合，获得精度更好的融合感知结果。对于未匹配成功的目标，感知融合模块112将该目标的感知结果标识为独立感知结果，将该目标的独立感知结果添加至融合感知结果的集合内。感知融合模块112输出融合感知结果作为融合感知信息。本申请实施例中，目标可以为终端、环境反射体等，对此不作限定。
本申请实施例中，在获得第一感知信息后，感知融合模块112可以基于第一感知信息，对融合感知信息进行更新。感知融合模块112估计第一感知信息和融合感知信息包括的所有感知信息所属的每个目标进行感知的信噪比，并估计每个目标对应的感知信息的误差值，将误差值关联到每个目标对应的感知信息进行数据融合，对融合感知信息进行更新。同理，在获得第二感知信息后，感知融合模块112可以基于第二感知信息，对融合感知信息进行更新，在此不再赘述。
本申请实施例中，在进行感知信息融合的过程中，可以采用多种数据融合方式，如采用基于最小方差准则的数据融合方法，参见公式(2)。以将第一感知信息包括的一个目标的第一角度感知结果和第二感知信息包括的同一个目标的第二角度感知结果进行数据融合为例进行说明，并不起限定作用。
M'＝K1'*W1'+K2'*W2' 公式(2)
其中，M'表示融合感知信息，W1'表示第一角度感知结果，W2'表示第二角度感知结果，K1'表示第一角度感知结果的权重，K1'＝σ2'2/(σ1'2+σ2'2)，σ2'2表示第二角度感知结果的方差，σ1'2表示第一角度感知结果的方差，K2'表示第二角度感知结果的权重，K2'＝σ1'2/(σ1'2+σ2'2)。
参见图5，为本申请实施例提供的感知融合模块处理流程的一种示意图。
步骤S51，输入上行通信感知一体化获得的接收信号矩阵以及目标的感知结果(如AoA、距离和多普勒频移)和下行通信感知一体化获得的接收信号矩阵以及目标的感知结果(如AoA、距离和多普勒频移)。
步骤S52，由接收信号矩阵估计每个目标进行感知的信噪比。
步骤S53，由信噪比估计感知结果的均方误差或其下界。
步骤S54，将均方误差估计值关联到每个目标的感知结果。
步骤S55，匹配上、下行感知结果，并对配对的感知结果进行数据融合，获得精度更高的融合感知结果。
步骤S56，将未匹配的感知结果标识为独立感知结果，将其与融合感知结果置于集合内输出。
本申请实施例提供的技术方案中，感知融合模块将上行和下行获得的感知信息以及用于感知估计的接收信号矩阵作为输入，匹配并融合上行和下行感知信息中对于相同目标的感知结果，最后将未匹配的感知结果与匹配融合的感知结果作为并集输出，得到输出更高精度的融合感知信息，作为辅助增强通信性能以及用于应用决策的先验信息。
在一些实施例中，第二信号发射模块121，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行上行发射波束成形和管理；第一信号处理模块111，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行接收波束成形和管理；第一信号发射模块113，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行发射波束成形和管理；第二信号处理模块122，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行接收波束成形和管理。接入设备和终端可以在感知融合模块112提供的融合感知信息以及CSI融合模块115提供的融合CSI估计值的辅助下，进行发射波束成形和管理以及接收波束成形和管理。例如，在上行时隙，第二信号发射模块121利用融合感知信息和融合CSI估计值，对上行信号进行上行发射波束成形和管理，第一信号处理模块111利用融合感知信息和融合CSI估计值，对上行信号进行接收波束成形和管理。在下行时隙，第一信号发射模块113利用融合感知信息和融合CSI估计值，对下行信号进行下行发射波束成形和管理，第二信号处理模块122利用融合感知信息和融合CSI估计值，对下行信号的回波信号进行下行接收波束成形和管理。
本申请实施例提供的技术方案中，利用精度更高的融合感知信息和融合CSI估计值，进行波束成形和管理，进一步提高感知性能，提升上下行通信的信噪比、可靠性等通信性能。
在一些实施例中，第一信号处理模块111和第一信号发射模块113，具体用于：判断是否处于波束成形阶段；若是，则利用融合感知信息产生参考信道；利用参考信道和融合CSI估计值生成第一函数，并利用参考信道和感兴趣方向信息生成第二函数，第一函数为通信波束的目标和约束函数，第二函数为专用感知波束的目标和约束函数；求解第一函数和第二函数，得到通信波束成形向量以及专用感知波束成形向量；若否，则利用融合感知信息辅助波束对准；在波束对准后，利用融合感知信息辅助波束追踪。
本申请实施例中，接入设备通过第一信号处理模块111和第一信号发射模块113(如波束成形和管理子模块)进行波束成形和管理时，判断是否处于波束成形阶段，也就是，判断波束成形向量是否已生成。例如，当通信感知一体化信号处理系统处于初始接入状态时，波束成形向量还未生成，则波束成形和管理子模块处于波束成形阶段。
由于不同时隙、不同模块进行波束成形和管理的方式不同，具体可以分为以下几种情况。
情况1，在下行前导符号时隙第一信号发射模块113进行下行发射波束成形和管理。第一信号发射模块113在进行下行发射波束成形和管理时，判断当前是否处于波束成形阶段，也就是，判断下行发射通信波束成形向量和下行发射感知波束成形向量是否已经生成。若第一信号发射模块113判断下行发射通信波束成形向量还未生成，则第一信号发射模块113在融合感知信息的辅助下，生成通信波束成形向量(即下行发射通信波束成形向量)。也就是，第一信号发射模块113利用融合感知信息产生参考信道，利用参考信道和融合CSI估计值生成第一函数(即通信波束的目标和约束函数)，通过构造和求解第一函数的优化问题，最大化通信(即导频信号和数据信号)的接收功率且最小化感知(即环境反射体)对通信的干扰，生成下行发射通信波束成形向量，向终端发射下行导频信号。若第一信号发射模块113判断下行发射感知波束成形向量还未生成，则第一信号发射模块113在融合感知信息的辅助下，生成专用感知波束成形向量(即下行发射感知波束成形向量)。也就是，第一信号发射模块113利用融合感知信息产生参考信道，利用参考信道和感兴趣方向信息(即DoI)生成第二函数(即专用感知波束的目标和约束函数)，通过构造和求解第二函数的优化问题，最大化DoI方向的感知信号(即主动探测信号)功率且最小化通信方向(即终端方向)与DoI方向的互干扰，生成下行发射感知波束成形向量，并在下行数据符号时隙，向DoI方向发射主动探测信号。
若当前不处于波束成形阶段，则第一信号发射模块113在融合感知信息的辅助下进行波束管理。也就是，第一信号发射模块113利用融合感知信息作为先验信息辅助波束对准；在波束对准后，利用融合感知信息(即AOA、距离、多普勒频移)进行计算，得到目标的位置信息，构建运动学模型，辅助波束追踪。
本申请实施例中，当上行接收通信波束成形向量和下行发射通信波束成形向量相同时，在下行前导符号时隙，第一信号发射模块113可以不需要判断是否处于波束成形阶段，而是直接将通过第一信号处理模块111获得的上行接收通信波束成形向量作为下行发射通信波束成形向量。
情况2，在上行时隙(包括上行前导符号时隙和上行数据符号时隙)第一信号处理模块111进行上行接收波束成形和管理。在上行时隙，第一信号处理模块111仅接收上行信号，则第一信号处理模块111判断上行接收通信波束成形向量是否已经生成。若未生成，则第一信号处理模块111在融合感知信息的辅助下，只需要生成通信波束成形向量(即上行接收通信波束成形向量)。若已生成，则第一信号处理模块111在融合感知信息的辅助下进行波束管理。具体可参见上述情况1的相关描述。
情况3，在下行前导符号时隙第一信号处理模块111进行下行接收波束成形和管理。在下行前导符号时隙，第一信号处理模块111仅接收下行导频信号的回波信号，则第一信号处理模块111判断下行接收通信波束成形向量是否已经生成。若未生成，则第一信号处理模块111在融合感知信息的辅助下，只需要生成通信波束成形向量(即下行接收通信波束成形向量)。若已生成，则第一信号处理模块111在融合感知信息的辅助下进行波束管理。具体可参见上述情况1的相关描述。
情况4，在下行数据符号时隙第一信号处理模块111进行下行接收波束成形和管理。在下行数据符号时隙，第一信号处理模块111接收下行数据信号的回波信号和主动探测信号的回波信号，则第一信号处理模块111判断下行接收通信波束成形向量和下行接收感知波束成形向量是否已经生成。若未生成，则第一信号处理模块111在融合感知信息的辅助下，生成通信波束成形向量(即下行接收通信波束成形向量)和专用感知波束成形向量(即下行接收感知波束成形向量)。若已生成，则第一信号处理模块111在融合感知信息的辅助下进行波束管理。具体可参见上述情况1的相关描述。
本申请实施例中，第二信号发射模块121和第二信号处理模块122也可以通过上述方式进行波束成形和管理，在此不再赘述。
参见图6，为本申请实施例提供的波束成形和管理子模块处理流程的一种示意图。
步骤S61，输入上下行协作的通信感知一体化融合感知结果(即融合感知信息)、上下行协作的通信感知一体化CSI估计值(即融合CSI估计值)和已知的感兴趣探测方向(即DoI)。
步骤S62，判断是否为波束成形阶段，若是，则执行步骤S63；若否，则执行步骤S67。
步骤S63，利用融合感知结果产生参考信道。
步骤S64，利用参考信道与通信感知一体化CSI估计值构建生成通信波束的目标和约束函数，分别为最大化通信接收功率以及最小化感知对通信的干扰。
步骤S65，利用参考信道和已知的DoI信息构建生成专用感知波束的目标和约束函数，分别为最大化DoI的感知信号功率以及最小化通信与DoI的互干扰。
步骤S66，构造和求解以上两个优化问题，分别获得通信链路的发射和接收波束成形向量以及感知专用的发射和接收波束成形向量。
步骤S67，将融合感知结果作为先验信息辅助波束对准。
步骤S68，波束对准后，利用融合感知结果中的多普勒频移、角度(即AOA)和距离求得的位置信息构建运动学模型，辅助波束追踪。
本申请实施例提供的技术方案中，第一信号处理模块和第一信号发射模块将融合了上下行感知信息的融合感知信息、融合了上下行CSI估计值的融合CSI估计值和感兴趣方向作为输入，利用上述先验信息辅助进行波束成形和波束管理，提升通信和感知互干扰抑制能力，进而提升通信和感知性能。
下面对本申请实施例中涉及的信道和信号进行简单描述。
本申请实施例中，上行通信信道可参见公式(3)所示的第m个OFDM符号的第n个子载波上的上行通信信道的频域响应
其中，l表示通信路径的编号，l＝0表示视距(LoS，Line of Sight)路径的幅度和相位衰落系数，l＝{1,…,L-1}表示第l条非视距(NLoS，Non-line-of-sight)路径的幅度和相位衰落系数，L为总路径数；上标中的U表示该参数为上行通信信道的相关参数，和分别表示接收和发射天线阵列导向向量，和分别表示对应的AoA(即来波角度)和发射角度(AoD，Angle-of-departure)，fc,l表示第l径的多普勒频移，τc,l为第l径的时延，下标c表示该参数为通信信道的相关参数。bl表示第l径的幅度和相位响应系数。Ts表示OFDM符号时长，Δf表示子载波间隔。j表示复数单位，п表示圆周率，e表示自然底数。接入设备估计上行通信信道中的来波角度多普勒频移fc,l和时延τc,l，以得到终端和环境反射体的AoA、多普勒频移和时延(即距离)。本申请实施例中，记入射角估计子模块估计得到的角度为
接入设备接收的上行导频信号可参见公式(4)所示的第n个子载波的第m个OFDM上行通信导频接收符号向量
其中，上标和下标中的U表示该参数为上行通信信道的相关参数，表示终端的上行导频符号发射功率，表示终端发射的第n个子载波的第m个OFDM符号位置上的上行导频符号，表示第m个OFDM符号的第n个子载波上的上行通信信道的频域响应，表示终端的上行发射波束成形向量(即上行发射通信波束成形向量)，表示上行前导符号时隙的白噪声接收向量。接入设备利用阵列接收信号和已知的发射符号(即终端发送的导频符号)来估计包含的来波角度多普勒频移fc,l和时延τc,l，以得到角度感知信息、距离感知信息和频移感知信息。
接入设备接收的上行数据信号可参见公式(5)所示的第n个子载波的第m个OFDM上行数据通信接收符号向量
其中，上标和下标中的U表示该参数为上行通信信道的相关参数，PU为终端的上行数据符号发射功率，表示终端发射的第n个子载波的第m个OFDM符号位置上的随机数据符号，表示第m个OFDM符号的第n个子载波上的上行通信信道的频域响应，表示终端的上行发射波束成形向量(即上行发射通信波束成形向量)，表示上行数据符号时隙的白噪声接收向量。
本申请实施例中，由于相干时间内信道互易性的特点，下行通信信道的频域响应是上行通信信道的频域响应的转置。如第m个OFDM符号的第n个子载波上的下行通信信道的频域响应为其中，表示第m个OFDM符号的第n个子载波上的上行通信信道的频域响应，上标D表示该参数为下行通信信道的相关参数。
终端接收的下行导频信号可参见公式(6)所示的第n个子载波的第m个OFDM下行通信导频接收符号向量
其中，上标和下标中的D表示该参数为下行通信信道的相关参数，表示接入设备的下行导频符号发射功率，表示接入设备发射的第n个子载波的第m个OFDM符号位置上的下行导频符号，表示终端的下行接收波束成形向量(即下行接收通信波束成形向量)，有表示终端的上行发射波束成形向量，(*)H表示对括号内的矩阵进行共轭转置，表示接入设备的下行发射波束成形向量(即下行发射通信波束成形向量)，通过融合感知信息辅助的波束成形和管理子模块生成。表示第m个OFDM符号的第n个子载波上的下行通信信道的频域响应，表示接收波束成形后的高斯白噪声，即下行前导符号时隙的白噪声接收向量。
终端接收的下行数据信号可参见公式(7)所示的第n个子载波的第m个OFDM下行数据通信接收符号向量
其中，上标和下标中的D表示该参数为下行通信信道的相关参数，下标C表示该参数为通信信道的相关参数。表示终端的下行接收波束成形向量，(*)H表示对括号内的矩阵进行共轭转置，表示第m个OFDM符号的第n个子载波上的下行通信信道的频域响应，PD为接入设备的下行数据信号发射功率，表示接入设备发射的第n个子载波的第m个OFDM符号位置上的随机数据符号，表示接入设备对终端方向上的下行发射波束成形向量(即下行发射通信波束成形向量)，上标和下标S表示该参数为下行感知信道的相关参数，PS表示感知符号(即主动探测信号符号)的发射功率，表示专用于感知的发射符号，表示接入设备对DoI方向上的专用感知波束成形向量(即下行发射感知波束成形向量)，表示下行数据符号时隙的白噪声接收向量。本申请实施例中，为专用的感知波束信号(即主动探测信号)可能对通信造成的干扰。
本申请实施例中，下行导频信号、下行数据信号和主动探测信号的回波信号经过回波感知信道，如公式(8)所示的第m个OFDM符号的第n个子载波的下行单基回波感知信道HS,n,m。
其中，K表示目标(包括终端、终端方向上的环境反射体和感兴趣方向上的潜在环境反射体)的数目，k表示目标的标号，上标和下标中的S表示与单基回波感知有关的参数，bS,k是第k个目标的幅度和相位反射系数，fS,k是第k个目标的多普勒频移，τS,k是第k个目标的往返时延。和分别表示第k个目标的接收和发射天线阵列导向向量，和分别表示对应的来波角度和发射角度。对于单基主动方式的感知，有Ts表示OFDM符号时长，Δf表示子载波间隔。j表示复数单位，п表示圆周率，e表示自然底数。接入设备估计下行单基回波感知信道中的来波角度多普勒频移fS,k和时延τS,k，以得到目标的AoA、多普勒频移和时延(即距离)。本申请实施例中，记入射角估计子模块估计得到的角度为
在下行数据符号时隙，接入设备接收的回波信号参见公式(9)所示的第n个子载波的第m个OFDM下行通信感知一体化信号的回波接收信号
其中，上标和下标中的D表示该参数为下行通信信道的相关参数，上标和下标中的S表示与单基回波感知有关的参数，HS,n,m表示第m个OFDM符号的第n个子载波的下行单基回波感知信道，PD为接入设备的下行数据信号发射功率，表示接入设备发射的第n个子载波的第m个OFDM符号位置上的随机数据符号，表示接入设备对终端方向上的下行发射波束成形向量，PS表示感知符号(即主动探测信号符号)的发射功率，表示专用于感知的发射符号，表示接入设备对DoI方向上的专用感知波束成形向量(即下行发射感知波束成形向量)，nS,n,m是阵列接收的白噪声向量，即下行数据符号时隙的白噪声接收向量。下行通信感知一体化需要利用接收符号来估计HS,n,m中包含的终端AoA方向以及DoI方向上的目标(如终端以及环境反射体)的时延(即距离)和多普勒频移。
下面结合图7-图12对本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统进行详细说明。以终端为用户设备(以下简称用户)、接入设备为基站或AP为例进行说明，并不起限定作用。
图7为本申请实施例提供的收发双向通信感知一体化场景示意图。其中，UL(uplink)表示上行链路，DL(downlink)表示下行链路，Tx表示发射信号，Rx表示接收信号。
在连续的下行和上行时隙中，AP与用户交替进行下行和上行通信感知一体化操作。AP与用户均使用阵列天线。用户搭载一副阵列天线，随着上下行通信时隙的变化而改变收发状态。AP搭载两副空间隔离良好的阵列天线，可以实现同时进行信号收发的能力。
在上行前导符号时隙，用户发射协议标准规定的上行导频信号(即UL TX前导符号)，而AP在接收上行导频信号(即UL RX前导符号)进行同步、信道估计等通信控制信令操作的同时，基于双基感知方式来估计用户的AoA、距离和径向相对运动速度。在上行数据符号时隙，用户发射上行数据信号(即UL TX数据符号)，AP接收并解调上行数据信号(即UL RX数据符号)。在下行前导符号和下行数据符号时隙，导频序列和数据帧均可以用作通信感知一体化。
在上行时隙中，用户发射的上行信号经过LoS直接到达AP，并通过反射体经过第l(l＝{1,…,L-1})条NLoS到达AP，AP采用两副阵列天线进行上行信号的接收，并同时进行通信信号处理和感知信号处理。
在下行前导符号时隙，AP向用户发射下行导频信号(即DL TX前导符号)，用户接收下行导频信号(即DL RX前导符号)进行同步、信道估计等通信控制信令操作，而AP可以接收用户方向上潜在目标(如环境反射体)的回波进行单基主动感知。在下行数据符号时隙，AP向用户发射下行数据信号(即DL TX数据符号)，用户接收并解调下行数据信号(即DL RX数据符号)。同时，AP可以向感兴趣方向发射主动感知信号(即主动探测信号)；AP接收用户方向和感兴趣方向上的回波信号进行单基主动感知，估计用户方向和感兴趣方向上的潜在目标的感知信息。
在下行时隙中，AP发射的下行信号经过LoS直接到达用户，并通过反射体经过第l(l＝{1,…,L-1})条NLoS到达用户，用户接收多条路径上的下行信号并进行下行通信信号处理。而AP采用一副阵列天线进行下行信号的发射，采用另一副阵列天线接收回波信号，进行感知信号处理。
根据上述过程描述，AP在连续交替的上下行时隙中均对同一物理环境进行感知，而在极短的时隙时间内，物理环境中的目标的位置和速度几乎保持不变，这也使得时分双工系统存在信道互易性。因此，连续的上下行时隙中的通信感知一体化获得的感知信息可以视作对相同的目标的独立估计，AP可以融合上下行通信感知一体化的感知结果以提高环境感知能力；另一方面，由于TDD系统存在信道互易性，上下行信道状态信息矩阵互为转置，因此，也可以利用TDD系统的互易性进行CSI估计值融合，提高信道估计的精度，进而提升通信可靠性。
图8为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第四种结构示意图。
在连续的上、下行通信感知一体化过程中，基站或AP使用统一的通信感知一体化信号处理模块(即第一信号处理模块)处理下行通感一体化的回波信号(包括下行信号和主动探测信号通过回波感知信道的回波信号)和上行通感一体化直射信号(即上行信号)获得感知信息，感知信息协作融合模块(即感知融合模块)对上、下行通信感知一体化获得的感知信息进行数据融合，获得精度更高、更大范围的环境感知信息(即融合感知信息)。感知辅助通信增强模块利用以上感知信息(即统一的通信感知一体化信号处理模块获得的感知信息和感知信息协作融合模块获得的感知信息)作为先验信息，辅助信道估计、波束管理、波束成形、资源分配等检测估计和优化步骤。在感知辅助通信增强模块的辅助下，上行通信接收模块(包括第一信道估计模块、第一通信解调模块等)接收通过上行通信信道的上行接收信号，并解调通信数据。下行通信感知一体化信号发射模块(即第一信号发射模块)在感知辅助通信增强模块的辅助下，向用户发射下行信号。用户通过下行通信接收模块(即第二信号处理模块)接收通过下行通信信道的下行接收信号，并在感知辅助通信增强模块的辅助下解调通信数据。在上行时隙，感知辅助通信增强模块利用基站反馈的感知信息作为先验信息，辅助信道估计、波束管理、波束成形、资源分配等检测估计和优化步骤的辅助下。在感知辅助通信增强模块的辅助下，用户通过上行通信感知一体化信号发射模块(即第二信号发射模块)向基站或AP发送上行信号。
图8所示的上下行协作的通信感知一体化信号处理系统实现上、下行通信感知一体化感知信息的协作融合增强，并利用增强的感知信息为上、下行通信感知一体化过程中的信道估计、波束管理、波束成形、资源分配等检测估计和优化步骤提供先验信息，增强下一轮上、下行通信感知一体化的资源、波束等资源的优化配置，实现通信感知一体化性能的迭代提升。
图9为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第五种结构示意图。通信感知一体化信号处理系统也称为上下行协作通信感知一体化系统。
上下行协作通信感知一体化系统包括通用功能模块：入射角估计模块(即入射角估计子模块)、距离-多普勒估计模块(即距离-多普勒频移估计子模块)、信道估计模块(包括上行信道估计模块和下行信道估计模块，即第一信道估计模块和第二信道估计模块)、通信解调模块(即第一通信解调模块和第二通信解调模块)；以及功能模块：基于上下行协作的通信感知一体化感知数据融合模块(即感知融合模块)、基于上下行协作的通信CSI融合模块(即CSI融合模块)，以及基于上下行协作的感知信息辅助波束成形和波束管理模块(包括接收波束成形模块和发射波束成形模块，即波束成形和管理子模块)。通信感知一体化信号处理系统还包括OFDM符号映射模块和OFDM信号生成模块(即OFDM信号生成子模块)，基站侧的入射角估计模块、接收波束成形模块和距离-多普勒估计模块构成统一的通信感知一体化信号处理模块(即第一信号处理模块)，OFDM符号映射模块和发射波束成形模块构成下行通感一体化信号发射模块(即第一信号发射模块)。基站与用户之间的通信感知一体化信道包括上行通信子信道(即上行通信信道)、下行通信子信道(即上行通信信道)和下行回波感知子信道(即回波感知信道)。
上下行协作通信感知一体化系统的信号处理流程如下。一次上下行协作通信感知一体化系统的信号处理流程包括四个时隙：上行前导符号时隙、上行数据符号时隙、下行前导符号时隙和下行数据符号时隙。在上行前导符号时隙，用户通过OFDM信号生成模块和发射波束成形模块对上行导频符号进行处理，发射导频信号(即上行导频信号)。通过上行通信子信道，基站接收到导频信号的阵列接收信号后，利用入射角估计模块进行入射角估计。在上下行协作通信感知一体化系统的感知数据融合模块获得的增强感知信息(即融合感知信息，包括用户和环境反射体的角度、距离、多普勒频移)的辅助下，进行波束成形，利用接收波束成形模块产生接收波束成形向量(即上行接收通信波束成形向量)进行基带空间滤波，并判断当前信号是否为通信导频信号。若是，对基带空间滤波后的信号进行上行信道估计，得到上行CSI估计值，输入通信CSI融合模块。通信CSI融合模块将上行CSI估计值和获得的下行CSI估计反馈(即下行CSI估计值)进行融合。同时，在增强感知信息的辅助下，基于双基感知方式的通信感知一体化方法来估计用户以及环境中的强反射体的距离和多普勒频移。以上角度、距离和多普勒频移等感知信息(即第一感知信息)被输入到感知数据融合模块，与下行通信感知一体化获得的感知数据(即第二感知信息)进行数据融合，增强对环境目标的感知精度以及检测率。
在上行数据符号时隙，用户通过OFDM信号生成模块和发射波束成形模块发射载有随机数据符号(即上行数据符号)的上行数据信号。通过上行通信子信道，基站阵列接收到上行数据信号后，利用入射角估计模块进行入射角估计，利用接收波束成形模块产生接收波束成形向量进行基带空间滤波，并判断当前信号是否为通信导频信号。若否，将基带空间滤波后的信号输送到通信解调模块。通信解调模块利用上下行协作通信感知一体化系统的通信CSI融合模块获得的融合增强CSI估计值(即融合CSI估计值)，进行上行通信符号估计，对上述滤波后的上行数据信号进行解调和译码。
在下行前导符号时隙，基站利用OFDM符号映射模块和发射波束成形模块对下行数据或前导码进行处理，向用户发射导频信号(即下行导频信号)。由于TDD系统的信道互易性，基站和用户分别使用与上行接收波束成形向量(即上行接收通信波束成形向量)和上行发射波束成形向量(即上行发射通信波束成形向量)相同的天线权重向量即可进行下行通信信号(即下行导频信号和下行数据信号)的发射和接收。用户接收通过下行通信子信道的导频信号(即下行导频信号)，通过接收波束成形模块进行接收波束成形，并判断当前信号是否为通信导频信号，若是，则利用接收波束成形后的导频信号进行下行信道估计，并将下行通信CSI估计结果(即下行CSI估计值)反馈回基站。同时，用户方向上的波束范围内存在的环境反射体会反射导频信号，基站的接收阵列接收到导频信号的回波信号后，对用户方向上的反射体的入射角、距离和多普勒频移进行估计。以上角度、距离和多普勒频移感知信息被输入到感知数据融合模块，与上行通信感知一体化的感知数据(即第一感知信息)进行数据融合，增强对环境目标(如用户、环境反射体)的感知精度以及检测率。
在下行数据符号时隙，基站使用下行前导符号时隙建立的通信链路的波束成形向量(即下行发射通信波束成形向量)，向用户方向发射下行数据信号；与此同时，基站向DoI方向发射主动探测波束信号(即主动探测信号)来对感兴趣方向进行目标探测。发射波束成形模块在感知数据融合模块获得的增强感知信息的辅助下，保证主动探测波束信号对下行数据信号的接收和解调无干扰，并且最大化主动探测波束的功率增益。用户利用上下行协作通信感知一体化系统的通信CSI融合模块获得的融合增强CSI估计值(即利用来自基站反馈的融合CSI估计值)，使用通信解调模块进行下行数据信号解调。同时，用户方向上的反射体和DoI方向上的潜在反射体会产生回波信号，并被基站的接收阵列接收。在感知数据融合模块获得的增强感知信息的辅助下，利用接收波束成形模块，最小化用户方向上和DoI方向上的反射回波信号的互干扰，实现对回波信号进行空间滤波分离接收。而后基站对上述两个方向上的分离信号分别估计其中包含的潜在目标的距离和多普勒频移。以上角度、距离和多普勒频移感知信息被输入到感知数据融合模块，与上行通信感知一体化的感知数据进行数据融合，增强对环境目标的感知精度以及检测率。
本申请实施例提供的技术方案中，基于上下行协作的通信感知一体化感知数据融合模块匹配和融合上、下行通信感知一体化感知结果中对于相同目标的感知结果，输出更高精度的感知结果。基于上下行协作的通信CSI融合模块利用时分双工系统的信道互易性对上行和下行信道CSI估计结果进行数据融合，获得更高精度的通信估计结果。以上属于感知信息范畴的性能提升仅仅需要增加少量的计算资源。而基于上下行协作的感知信息辅助波束成形和波束管理模块利用上述融合的感知结果和信道估计信息作为先验信息辅助增强波束成形和波束管理性能。整个过程不需要其他传感器的辅助，只需要利用网络本身获得的感知信息即可实现，大大提高了系统的能量利用效率。通过上下行协作获得的增强感知信息和融合增强CSI值实现上下行协作增益，提升通信和感知性能。
图10为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第六种结构示意图。通信感知一体化信道包括上行通信信道和下行通信信道。
本申请实施例中，上行通信感知一体化的感知信息(即第一感知信息)辅助下行波束成形、波束对准。用户通过上行通信感知一体化信号发射模块(即第二信号发射模块)发射上行信号。基站或AP对上行接收信号(即通过上行通信信道的上行信号)进行接收，利用上行通信感知一体化信号处理模块(即第一信号处理模块)进行上行通信感知一体化感知估计，获得用户与基站或AP间的环境中的目标(如用户和环境反射体)的角度、距离、多普勒频移等环境感知信息，利用这些感知信息作为先验信息，辅助下行波束成形和波束对准，向用户发送下行信号，增强下行通信性能。
另外，下行通信接收模块(包括第二信号处理模块、第二信道估计模块、第二通信解调模块)对下行接收信号(即通过下行通信信道的下行信号)进行接收。下行通信接收模块和上行通信接收模块(包括第一信道估计模块、第一通信解调模块等)分别解调通信数据。
图11为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第七种结构示意图。通信感知一体化信道包括上行通信信道和下行通信信道。
本申请实施例中，上行通信感知一体化的感知信息(即第一感知信息)辅助的信道估计增强，增强信道估计信息辅助波束预编码、波束成形。用户通过上行通信感知一体化信号发射模块(即第二信号发射模块)发射上行信号。基站或AP对上行接收信号(即通过上行通信信道的上行信号)进行接收，利用上行通信感知一体化信号处理模块(即第一信号处理模块)进行上行通信感知一体化感知估计，获得用户与基站或AP间的环境中的目标(如用户和环境反射体)的角度、距离、多普勒频移等环境感知信息。由于这些环境感知信息与信道状态矩阵之间是强相关的，可利用感知信息辅助的信道估计增强模块通过自适应滤波、机器学习等方法增强信道估计精度，提高上行通信的可靠性。此外，增强信道估计信息可以辅助波束预编码，提升下行通信的信噪比、可靠性等通信性能。
另外，上行通信接收模块(包括第一信道估计模块、第一通信解调模块等)在感知信息辅助的信道估计增强模块的辅助下解调通信数据。在下行时隙，下行通信接收模块(包括第二信号处理模块、第二信道估计模块、第二通信解调模块)对下行接收信号(即通过下行通信信道的下行信号)进行接收，并在基站共享的信道估计结果的辅助下解调通信数据。
图12为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理系统的第八种结构示意图。通信感知一体化信道包括上行通信信道和下行通信信道。图中用户数量仅为示例，并不起限定作用。
本申请实施例中，多用户情况下，上行通信感知一体化的感知信息(即第一感知信息)辅助下行通信增强。考虑在多用户情况下，多用户(如用户1-用户n)通过上行通信感知一体化信号发射模块(即第二信号发射模块)向基站发射正交通信感知一体化信号(即上行信号)，基站接收到多用户的上行接收信号(即通过上行通信信道的上行信号)，利用上行通信感知一体化信号处理模块(即第一信号处理模块)进行上行通信感知一体化感知估计，获得多用户与基站或AP间的环境感知信息。例如：多用户和环境反射体的角度、距离、多普勒频移等信息。通过感知信息辅助的信道估计增强模块，利用感知信息可以辅助增强对多用户的信道估计精度，同时，多用户位置信息(即感知信息)可以辅助增强下行资源分配、波束成形和波束管理，通过下行通信信道向多用户发送下行信号，抑制多用户间干扰，增强多用户的下行通信性能。另外，上行通信接收模块(包括第一信道估计模块、第一通信解调模块等)在感知信息辅助的信道估计增强模块的辅助下解调通信数据。
上述图10-图12所示的上下行协作通信感知一体化系统，规模较小但包含上下行协作通信感知一体化系统的核心架构，涵盖了从单用户到多用户等多种情况下的轻量化上下行协作通信感知一体化系统框架。
本申请实施例提供的技术方案中，在相干时间内，以上的上行和下行通信感知一体化获得的感知估计结果中，部分结果是对相同环境目标的感知。本申请利用这一特点，提出了上下行协作的通信感知一体化系统，实现上、下行通信感知一体化过程中的感知结果和通信信道估计结果的数据融合，分别提升感知精度和通信可靠性；同时，利用感知结果对信道信息的重建，实现上下行协作的波束成形，降低通信感知互干扰，提升通信和感知的性能。
本申请涉及无线接入网领域的通信感知一体化信号处理。特别提出一种收发双向协作的通信感知一体化信号处理和信息融合系统。利用通信系统收发时隙交替的特点以及时分双工系统的信道互易性，收发双向的通信感知一体化过程互相提供感知信息作为先验信息，进而提升通感一体化系统的通信和感知性能。本申请提供的通信感知一体化信号处理系统适用于基于6G(6th generation mobile networks，第六代移动通信技术)的智能车联网、无人机网络、智慧城市监测、智能制造等需要无线智能机器的网络应用、基于WiFi的智慧家居、乃至无人机、智能车辆自组织网络应用中。
本申请实施例提供的技术方案中，由于在极短的连续收发时隙中，环境反射体的位置和速度可以视作不变，因而TDD系统具有信道互易性特点。基于这个特点，在连续收发时隙中进行通信感知一体化获得的感知信息和信道估计信息均具有进行数据融合以提升感知和信道估计精度的潜能。而且，由于连续收发时隙的信道状态几乎保持不变，连续收发时隙内的通信感知一体化过程获得的感知信息可以为收发双方彼此提供先验信息以进一步提升例如波束成形、波束管理等通信优化过程的性能、通信过程的时效性。而传统的收发过程割裂设计的通信感知一体化信号处理方法未能利用这些潜在的增益。因此，本申请突破了传统的收发过程割裂设计的通信感知一体化信号处理系统和方法，进一步研究收发双向协作的通信感知一体化方法。
与上述通信感知一体化信号处理系统对应，本申请实施例还提供了一种通信感知一体化信号处理方法，如图13所示，为本申请实施例提供的通信感知一体化信号处理方法的一种流程示意图，应用于接入设备，该方法包括如下步骤。
步骤S131，在上行时隙接收上行信号，并在下行时隙接收下行信号的回波信号。
步骤S132，利用融合感知信息，对上行信号和回波信号分别进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到上行信号的第一感知信息以及回波信号的第二感知信息。
步骤S133，基于第一感知信息和第二感知信息，更新融合感知信息。
步骤S134，利用融合感知信息，进行下行发射波束成形和管理，并基于下行发射波束成形和管理，在下行时隙发送下行信号。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，接入设备在已获得的融合感知信息的辅助下，对接收的上行信号和回波信号进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，获得新的感知信息，即第一感知信息和第二感知信息。接入设备基于新获得的感知信息，对融合感知信息进行更新，以得到精度更高的融合感知信息，并在精度更高的融合感知信息的辅助下，发射下行信号。由于接入设备与终端在极短的连续收发时隙内进行通信，环境中各个目标(如终端、环境反射体)的状态基本保持不变，因此，可以采用已获得的融合感知信息，对接收的信号进行处理，提高了信号处理的准确度，并通过接收的信号获得新的感知信息，对融合感知信息进行更新，提高了融合感知信息的准确度。进而，采用更新后的融合感知信息辅助下行信号发射，实现了双向通信过程中的通信感知一体化，进一步提高了环境感知能力，提升了通信优化过程的性能。
在一些实施例中，上行信号包括上行导频信号和上行数据信号，上述方法还包括：
在接收到上行导频信号后，对上行导频信号进行信道估计，得到上行CSI估计值；基于上行CSI估计值与下行CSI估计值，更新融合CSI估计值；在接收到上行数据信号后，利用融合CSI估计值对上行数据信号进行解调。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，由于相干时间内，TDD系统存在信道互易性，可以将上、下行CSI估计值进行融合，得到融合CSI估计值，利用融合CSI估计值进行通信解调，提高信道估计的精度，进而提升通信可靠性。
在一些实施例中，上述基于上行CSI估计值与下行CSI估计值，更新融合CSI估计值的步骤，可以包括：利用接收信号矩阵，估计上行CSI估计值与下行CSI估计值对应的误差值；利用得到的误差值，将上行CSI估计值与下行CSI估计值进行融合，得到融合CSI估计值。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，将上行和下行获得的CSI估计值以及用于信道估计的接收信号矩阵作为输入，利用信道互易性，对上行和下行通信信道的CSI进行数据融合，获得更高精度的融合CSI估计值作为输出，进而提升通信可靠性。
在一些实施例中，下行信号包括下行导频信号、下行数据信号和主动探测信号；上述在下行时隙发送下行信号的步骤，可以包括：在下行时隙向终端方向发送下行导频信号和下行数据信号，并在下行时隙向感兴趣方向发送主动探测信号；
上述在下行时隙接收下行信号的回波信号的步骤，可以包括：在下行时隙接收下行导频信号的回波信号、下行数据信号的回波信号和主动探测信号的回波信号。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，在向终端方向发送下行信号的同时，还向感兴趣方向发送主动探测信号，使得接入设备可以通过主动探测信号对感兴趣的其他方向进行探测，获得环境中潜在环境反射体的感知信息，增强对环境目标的感知精度以及检测率。
在一些实施例中，第一感知信息和第二感知信息包括多个目标对应的感知信息；上述基于第一感知信息和第二感知信息，更新融合感知信息的步骤，可以包括：
利用接收信号矩阵，估计每个目标进行感知的信噪比；利用每个目标进行感知的信噪比，估计每个目标对应的感知信息的误差值；利用每个目标对应的误差值，将每个目标对应的感知信息进行融合，得到融合感知信息。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，将上行和下行获得的感知信息以及用于感知估计的接收信号矩阵作为输入，匹配并融合上行和下行感知信息中对于相同目标的感知结果，最后将未匹配的感知结果与匹配融合的感知结果作为并集输出，得到输出更高精度的融合感知信息，作为辅助增强通信性能以及用于应用决策的先验信息。
在一些实施例中，可以通过如下方式进行接收波束成形和管理：利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行接收波束成形和管理；
上述利用融合感知信息，进行下行发射波束成形和管理的步骤，可以包括：利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行发射波束成形和管理。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，利用精度更高的融合感知信息和融合CSI估计值，进行波束成形和管理，进一步提高感知性能，提升上下行通信的信噪比、可靠性等通信性能。
在一些实施例中，上述利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行接收波束成形和管理的步骤，可以包括：判断是否处于波束成形阶段；若是，则利用融合感知信息产生参考信道；利用参考信道和融合CSI估计值生成第一函数，并利用参考信道和感兴趣方向信息生成第二函数，第一函数为通信波束的目标和约束函数，第二函数为专用感知波束的目标和约束函数；求解第一函数和第二函数，得到通信波束成形向量以及专用感知波束成形向量；若否，则利用融合感知信息辅助波束对准；在波束对准后，利用融合感知信息辅助波束追踪。
上述利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行发射波束成形和管理的步骤，可以包括：判断是否处于波束成形阶段；若是，则利用融合感知信息产生参考信道；利用参考信道和融合CSI估计值生成第一函数，并利用参考信道和感兴趣方向信息生成第二函数，第一函数为通信波束的目标和约束函数，第二函数为专用感知波束的目标和约束函数；求解第一函数和第二函数，得到通信波束成形向量以及专用感知波束成形向量；若否，则利用融合感知信息辅助波束对准；在波束对准后，利用融合感知信息辅助波束追踪。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，将融合了上下行感知信息的融合感知信息、融合了上下行CSI估计值的融合CSI估计值和感兴趣方向作为输入，利用上述先验信息辅助进行波束成形和波束管理，提升通信和感知互干扰抑制能力，进而提升通信和感知性能。
在一些实施例中，上行接收通信波束成形向量和下行发射通信波束成形向量相同。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，由于TDD系统的信道互易性，接入设备采用与上行接收通信波束成形向量相同的下行发射通信波束成形向量，可以降低系统复杂度，节省计算资源。
与上述通信感知一体化信号处理系统对应，本申请实施例还提供了一种通信感知一体化信号处理方法，应用于终端，该方法包括如下步骤：利用融合感知信息，进行上行发射波束成形和管理，并基于上行发射波束成形和管理，在上行时隙发送上行信号。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，终端在接入设备反馈的融合感知信息的辅助下，进行上行发射波束成形和管理，向接入设备发送上行信号。由于接入设备与终端在极短的连续收发时隙内进行通信，环境中各个目标的状态基本保持不变，因此，终端可以采用已获得的融合感知信息，进行上行发射波束成形和管理，提高了信号发射的准确度，实现了双向通信过程中的通信感知一体化，进一步提高了环境感知能力，提升了通信优化过程的性能。
在一些实施例中，下行信号包括下行导频信号和下行数据信号。上述方法还包括：在下行时隙接收下行信号；利用融合感知信息，对下行信号进行下行接收波束成形和管理；在接收到下行导频信号后，对下行导频信号进行信道估计，得到下行CSI估计值；在接收到下行数据信号后，利用融合CSI估计值对下行数据信号进行解调。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，由于相干时间内，TDD系统存在信道互易性，接入设备可以将上、下行CSI估计值进行融合，得到融合CSI估计值，终端可以利用融合CSI估计值进行通信解调，提高信道估计的精度，进而提升通信可靠性。
在一些实施例中，上述利用融合感知信息，进行上行发射波束成形和管理的步骤，可以包括：利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行上行发射波束成形和管理；
上述利用融合感知信息，对下行信号进行下行接收波束成形和管理的步骤，可以包括：利用融合感知信息和融合CSI估计值，对下行信号进行下行接收波束成形和管理。
具体可参见上述通信感知一体化信号处理系统部分的相关描述。
本申请实施例提供的技术方案中，利用精度更高的融合感知信息和融合CSI估计值，进行波束成形和管理，进一步提高感知性能，提升上下行通信的信噪比、可靠性等通信性能。
本申请实施例还提供了一种接入设备，如图14所示，包括处理器141、通信接口142、存储器143和通信总线144，其中，处理器141，通信接口142，存储器143通过通信总线144完成相互间的通信，
存储器143，用于存放计算机程序；
处理器141，用于执行存储器143上所存放的程序时，实现上述任一应用于接入设备的通信感知一体化信号处理方法的步骤。
本申请实施例还提供了一种终端，如图15所示，包括处理器151、通信接口152、存储器153和通信总线154，其中，处理器151，通信接口152，存储器153通过通信总线154完成相互间的通信，
存储器153，用于存放计算机程序；
处理器151，用于执行存储器153上所存放的程序时，实现上述任一应用于终端的通信感知一体化信号处理方法的步骤。
上述接入设备和终端提到的通信总线可以是外设部件互连标准(PeripheralComponent Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一应用于接入设备或终端的通信感知一体化信号处理方法的步骤。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一应用于接入设备或终端的通信感知一体化信号处理方法。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于通信感知一体化信号处理方法、接入设备、终端、计算机程序产品、计算机可读存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种通信感知一体化信号处理系统，其特征在于，所述系统包括部署于接入设备上的第一信号处理模块、感知融合模块、第一信号发射模块，以及部署于终端侧的第二信号发射模块，所述第一信号处理模块与所述感知融合模块连接，所述感知融合模块与所述第一信号发射模块连接；
所述第二信号发射模块，用于利用融合感知信息，进行上行发射波束成形和管理，并基于所述上行发射波束成形和管理，在上行时隙发送上行信号；
所述第一信号处理模块，用于在上行时隙接收上行信号，并在下行时隙接收下行信号的回波信号；利用融合感知信息，对所述上行信号和所述回波信号分别进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到所述上行信号的第一感知信息以及所述回波信号的第二感知信息；
所述感知融合模块，用于基于所述第一感知信息和所述第二感知信息，更新所述融合感知信息；
所述第一信号发射模块，用于利用所述融合感知信息，进行下行发射波束成形和管理，并基于所述下行发射波束成形和管理，在下行时隙发送下行信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上行信号包括上行导频信号和上行数据信号，所述下行信号包括下行导频信号和下行数据信号；
所述系统还包括部署于接入设备上的第一信道估计模块、CSI融合模块和第一通信解调模块，以及部署于终端侧的第二信号处理模块、第二信道估计模块和第二通信解调模块，所述第一信道估计模块和所述第一通信解调模块分别与所述第一信号处理模块相连，所述CSI融合模块与所述第一信道估计模块相连，所述第二信道估计模块和所述第二通信解调模块分别与所述第二信号处理模块相连；
所述第一信道估计模块，用于在接收到所述上行导频信号后，对所述上行导频信号进行信道估计，得到上行CSI估计值；
所述第二信号处理模块，用于在下行时隙接收所述下行信号；利用融合感知信息，对所述下行信号进行下行接收波束成形和管理；
所述第二信道估计模块，用于在接收到所述下行导频信号后，对所述下行导频信号进行信道估计，得到下行CSI估计值；
所述CSI融合模块，用于基于所述上行CSI估计值与所述下行CSI估计值，更新融合CSI估计值；
所述第一通信解调模块，用于在接收到所述上行数据信号后，利用融合CSI估计值对所述上行数据信号进行解调；
所述第二通信解调模块，用于在接收到所述下行数据信号后，利用融合CSI估计值对所述下行数据信号进行解调。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述CSI融合模块，具体用于：
利用接收信号矩阵，估计所述上行CSI估计值与所述下行CSI估计值对应的误差值；
利用得到的误差值，将所述上行CSI估计值与所述下行CSI估计值进行融合，得到融合CSI估计值。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下行信号包括下行导频信号、下行数据信号和主动探测信号；
所述第一信号发射模块，具体用于在下行时隙向所述终端方向发送所述下行导频信号和所述下行数据信号，并在下行时隙向感兴趣方向发送所述主动探测信号；
所述第一信号处理模块，具体用于在下行时隙接收所述下行导频信号的回波信号、所述下行数据信号的回波信号和所述主动探测信号的回波信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一感知信息和所述第二感知信息包括多个目标对应的感知信息；所述感知融合模块，具体用于：
利用接收信号矩阵，估计每个目标进行感知的信噪比；
利用每个目标进行感知的信噪比，估计每个目标对应的感知信息的误差值；
利用每个目标对应的误差值，将每个目标对应的感知信息进行融合，得到融合感知信息。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二信号发射模块，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行上行发射波束成形和管理；
所述第一信号处理模块，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行接收波束成形和管理；
所述第一信号发射模块，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行发射波束成形和管理；
所述第二信号处理模块，具体用于利用融合感知信息和融合CSI估计值，进行下行接收波束成形和管理。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一信号处理模块和所述第一信号发射模块，具体用于：
判断是否处于波束成形阶段；
若是，则利用融合感知信息产生参考信道；利用所述参考信道和融合CSI估计值生成第一函数，并利用所述参考信道和感兴趣方向信息生成第二函数，所述第一函数为通信波束的目标和约束函数，所述第二函数为专用感知波束的目标和约束函数；求解所述第一函数和所述第二函数，得到通信波束成形向量以及专用感知波束成形向量；
若否，则利用融合感知信息辅助波束对准；在波束对准后，利用所述融合感知信息辅助波束追踪。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上行接收通信波束成形向量和下行发射通信波束成形向量相同。
9.一种通信感知一体化信号处理方法，其特征在于，应用于接入设备，所述方法包括：
在上行时隙接收上行信号，并在下行时隙接收下行信号的回波信号；
利用融合感知信息，对所述上行信号和所述回波信号分别进行入射角估计、接收波束成形和管理、距离和多普勒频移估计，得到所述上行信号的第一感知信息以及所述回波信号的第二感知信息；
基于所述第一感知信息和所述第二感知信息，更新所述融合感知信息；
利用所述融合感知信息，进行下行发射波束成形和管理，并基于所述下行发射波束成形和管理，在下行时隙发送下行信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述上行信号包括上行导频信号和上行数据信号，所述方法还包括：
在接收到所述上行导频信号后，对所述上行导频信号进行信道估计，得到上行CSI估计值；
基于所述上行CSI估计值与下行CSI估计值，更新融合CSI估计值；
在接收到所述上行数据信号后，利用融合CSI估计值对所述上行数据信号进行解调。
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