透過整合 稜研科技(TMYTEK)的 mmW-SDR 平台,一個兼具靈活性與實用性的系統框架,得以輕鬆驗證先進的多波束毫米波感測與通訊系統。在我們針對生理運動偵測的 SideSense 研究中,該平台支援快速原型開發與可靠的即時實驗,大幅加速了通訊與感測一體化(ISAC)概念的評估與驗證。

摘要

隨著 5G 與 6G 技術的發展，通信感知一體化已成為關鍵趨勢。然而，一項根本性的挑戰仍然存在：通訊與感測在波束控制策略上具有本質差異。通訊依賴穩定的定向波束，而感測則需要具備自適應的空間探索能力，以捕捉微弱的反射訊號。傳統系統通常透過時間切換或效能折衷來解決此不匹配問題。

另一方面，毫米波天線陣列技術的進步，使得更靈活且複雜的波束形態（例如多波束與子波束）得以實現，為通感一體運作帶來新的機會。

本應用案例提出一套名為 SideSense 的系統架構，基於相控陣列之陣列（APA），並採用 TMYTEK 的毫米波平台，以實現低成本且高效率的雙功能系統。該系統利用子波束與旁瓣進行感測，同時維持專用的通訊波束，使通訊與感測得以在不中斷的情況下同步進行。

實驗結果顯示，在維持穩定通訊連線的同時，感測訊號雜訊比（SSNR）提升了 84%。

挑戰與痛點

• 單一波束架構的限制： 傳統毫米波系統多依賴單一主波束進行通訊最佳化，使其難以同時支援需要動態波束控制的感測功能。此種波束需求的不匹配，往往導致系統需採用時間切換機制或造成整體效能下降。
• 先進天線陣列的利用不足： 儘管現代相控陣列可產生更複雜的波束形態（例如多波束與子波束），但如何有效運用這些能力於通感一體系統中，仍是一項關鍵挑戰。
• 硬體成本高昂： 實現真正的多波束運作通常需仰賴昂貴的全數位雷達架構，因而限制了系統的可擴展性。
• 生理訊號偵測困難： 毫米尺度的生理訊號（如呼吸）在實際環境中容易被雜訊掩蓋，若不影響通訊品質，則難以進行穩定且可靠的感測。

TMYTEK 解決方案

本案例採用 TMYTEK BBox 與 UD Box 系列產品，構建了一個具備 APA (Array of Phased Arrays) 能力的實驗平台。此架構最大的優勢在於「簡易配置」與「靈活控制」。

核心硬體配置

系統採用 雙發射 (Dual-TX) / 單接收 (Single-RX) 的架構：

• 頻率轉換核心：TMYTEK UD Box (Up/Down Converter)
  • 負責將後端 SDR (USRP N210) 的 3.5 GHz 中頻訊號，升頻至 28 GHz 毫米波，並將接收訊號降頻回傳。它是連接數位世界與毫米波世界的橋樑。
• 波束成形發射端：TMYTEK BBox Lite (x2)
  • 利用兩台 BBox Lite 堆疊，連接至同一個 RF 訊號源。
  • Sub-Array 1 (感測波束 TXd)： 負責動態掃描，尋找並鎖定人體目標。
  • Sub-Array 2 (通訊波束 TXs)： 負責固定指向接收端，維持通訊連線。
• 波束成形接收端：TMYTEK BBox One (x1)
  • 負責接收來自通訊路徑 (直射) 與感測路徑 (反射) 的合成訊號。

架構優勢

透過 TMYTEK 的模組化設計，使用者不需要購買昂貴的專用雷達設備，僅需在現有的通訊架構上增加一組 BBox，即可升級為 ISAC 通感一體系統。

核心技術優勢：TMYTEK BBox 的精準波束賦能

本案例採用 TMYTEK BBox Lite (TX) 與 BBox One (RX) 作為毫米波前端，其獨特功能為 SideSense 系統提供了以下關鍵優勢：

1.高解析度空間掃描： 支援 ±45° (以 5° 為單位) 的精細波束轉向，讓系統能執行演算法中的「波束轉向 (Beam Switch)」，在不干擾主通訊鏈路的情況下，精準鎖定人體位置。

2. 動態增益優化： 透過 BBox 的放大器控制，系統能動態調整兩路波束的能量比例。實驗證實，當 BBox 將感測波束與通訊波束的強度調校至平衡 (Gain Ratio ≈ 1) 時，能最大化呼吸訊號的動態範圍。

3. 彈性 APA 架構： BBox 的輕量化設計，使其能輕鬆堆疊構建 APA (Array of Phased Arrays) 系統。僅需單一組 UD Box 頻率轉換器，即可驅動多台 BBox 進行多波束運作，大幅降低了 6G 通感一體技術的開發門檻與硬體成本。

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運作原理與簡易演算法

SideSense 不依賴複雜的數學公式，而是透過物理層的波束控制策略，利用 CSI (通道狀態資訊) 的 振幅 (Amplitude) 變化來偵測呼吸。

簡易演算法三步驟 (The 3-Step Tuning Protocol)

為了在「非同步」的環境下抓到微小的呼吸訊號，系統執行以下簡單邏輯：

• 1. 波束轉向 (Beam Switch) —「找目標」
  • 固定通訊波束 (TXs) 不動。
  • 控制感測波束 (TXd) 進行掃描，尋找反射訊號變化最大的角度，鎖定人體位置。
• 2. 增益調整 (Gain Tuning) —「調平衡」
  • 利用 BBox 的增益控制功能，調整感測波束的發射功率。
  • 目標： 讓「人體反射訊號強度」與「直射通訊訊號強度」接近 1:1。
  • 原理： 當兩路訊號強度相當並發生干涉時，微小的呼吸震動會造成合成訊號振幅最劇烈的變化（靈敏度最大化）。
• 3. 訊號解算 (Detection)
  • 蒐集調整後的 CSI 振幅數據。
  • 透過 FFT (快速傅立葉轉換) 分析，即可在頻譜上清晰看到 0.2 ~ 0.33 Hz (對應每分鐘 12-20 次) 的呼吸頻率峰值。

實驗場景與結果

實驗利用機械移動平台 (Mechanical Mover) 模擬胸腔起伏，並進行真人呼吸測試。

• 實驗設置：
  • 兩台 TX BBox Lite 堆疊，一台對準接收器 (1.08m 距離)，另一台對準側邊的金屬板或受測者。
• 關鍵成果：
  1. 高靈敏度： 相較於傳統單波束系統，SideSense 架構將感測信噪比 (SSNR) 提升了 84%。
  2. 通訊不中斷： 雖然為了分流能量給感測波束，導致通訊容量 (CCC) 下降了 35%，但這仍在 5G 網路的容許範圍內，未發生斷線 (No link failure)。
  3. 成功偵測： 在 IQ 星座圖上，可以清楚看到 ISAC 模式下的訊號軌跡形成明顯的圓弧，成功還原了呼吸波形。

結論

本案例成功展示了 TMYTEK 毫米波產品在 6G 通感一體 (ISAC) 研究中的應用價值。

透過 TMYTEK BBox 與 UD Box 建構的 SideSense 系統，研究人員可以：

1. 以低成本實現 APA 架構： 無需全數位雷達即可進行多波束實驗。
2. 彈性驗證演算法： 輕易控制波束角度與增益，驗證「通訊」與「感測」的最佳平衡點。
3. 應用於智慧醫療： 證實了在不中斷網路服務的前提下，可同時進行高精度的非接觸式健康監測。

這證明了 TMYTEK 的解決方案是開發下一代無線通訊應用的理想平台。

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參考文獻：

基於 IEEE 論文 "SideSense: Robust Physiological Motion Detection via mmWave Joint Communication and Sensing Systems With Multiple Beams".