基于光子学扩频相位编码的通感测一体化技术（特邀）

汪叶梦; 钟宁远; 白文林; 何韬; 潘炜; 闫连山; 邹喜华

doi:10.3788/gzxb20265503.0355107

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基于光子学扩频相位编码的通感测一体化技术（特邀）

“微波光子学”专题 | 更新时间：2026-04-21

- 基于光子学扩频相位编码的通感测一体化技术（特邀）
- Integration of Communication， Sensing， and Measurement Technology Based on Photonic Spread-spectrum Phase Encoding （Invited）
- 光子学报 2026年55卷第3期页码：114-125
- 作者机构：
  
  1.西南交通大学信息科学与技术学院信息光子与通信中心，成都 611756
  2.西南电子设备研究所微波光子技术实验室，成都 610036
- 作者简介：
  
  汪叶梦，ymwang@my.swjtu.edu.cn
  邹喜华，zouxihua@swjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(U21A20507)
- DOI：10.3788/gzxb20265503.0355107
  中图分类号： TN929.1
- CSTR：32255.14.gzxb20265503.0355107
- 收稿：2025-08-24，
  
  修回：2025-09-18，
  
  录用：2026-01-12，
  
  纸质出版：2026-03-25
- 稿件说明：
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汪叶梦，钟宁远，白文林，等. 基于光子学扩频相位编码的通感测一体化技术（特邀）［J］.光子学报，2026，55（3）：0355107

WANG Yemeng， ZHONG Ningyuan， BAI Wenlin， et al. Integration of Communication， Sensing， and Measurement Technology Based on Photonic Spread-spectrum Phase Encoding （Invited）［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（3）：0355107
汪叶梦，钟宁远，白文林，等. 基于光子学扩频相位编码的通感测一体化技术（特邀）［J］.光子学报，2026，55（3）：0355107 DOI： 10.3788/gzxb20265503.0355107. CSTR： 32255.14.gzxb20265503.0355107.

WANG Yemeng， ZHONG Ningyuan， BAI Wenlin， et al. Integration of Communication， Sensing， and Measurement Technology Based on Photonic Spread-spectrum Phase Encoding （Invited）［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（3）：0355107 DOI： 10.3788/gzxb20265503.0355107. CSTR： 32255.14.gzxb20265503.0355107.

摘要

针对通信感知一体化系统存在的抗多址、多径、窄带等能力弱的问题，提出一种基于光子学扩频相位编码的通感测一体化系统，该系统的关键是微波光子相位编码和扩频技术的结合。将每个用户的通信比特流扩频、扰频后加上直流偏置并编码到线性调频连续波上生成一体化信号，通过光子学去啁啾实现了雷达功能的同时辅助了通信同步，并利用阵列化系统实现了三维定位，有效实现实际场景中通感测一体化融合。仿真结果表明，在生成通信速率为12.5 Mb/s、扩频因子为256的一体化信号情况下，信干噪比为负时依然可以进行可靠通信；雷达的信干比可达33 dB，空间分辨率为12 cm，三维定位均方根误差为0.492 m。此外，灵活调节频率和扩频因子等参数，可以适应雷达和通信的不同需求。这是三维定位和光子学扩频码分多址ISAC系统的首次仿真演示。

Abstract

Integrated Sensing and Communication （ISAC） has become a pivotal technology for 6G networks， addressing the increasing demands for data transmission and environmental awareness in advanced applications such as autonomous vehicles and smart IoT homes. However， conventional Radio Frequency （RF）-based ISAC systems face inherent challenges， including limited bandwidth， susceptibility to electromagnetic interference， and frequency-dependent losses， which constrain their ability to generate and process high-frequency broadband signals. Microwave Photonics （MWP） has emerged as a transformative solution that leverages optical technologies to overcome electronic bottlenecks， offering three key advantages： high-bandwidth signal processing capability， inherent immunity to RF interference， and a compact architecture with low power consumption. In communication systems， traditional multiplexing methods—such as Time Division Multiplexing （TDM）， Frequency Division Multiplexing （FDM）， and hybrid approaches—have been widely employed to enhance channel efficiency. Nevertheless， these methods exhibit limited resilience to interference. Code Division Multiplexing （CDM）， a well-established wireless technology derived from spread spectrum communication， uses unique codes to differentiate user data， enabling simultaneous transmission over the same frequency band for multiple users. CDM provides three significant benefits： robust multiple-access capability， intrinsic resistance to multipath interference， and improved signal security. Although prior research has demonstrated the potential of CDM， the integration of photonic-based Code Division Multiple Access （CDMA） with ISAC systems remains an underexplored area that warrants further investigation.

To address this research gap， we introduce a photonics-based ISAC system that combines spread spectrum coding， CDMA， and chirp waveform modulation. The proposed scheme features two main innovations： First， it achieves orthogonalization of user signals through specialized spread spectrum codes and scrambling sequences， effectively reducing random noise， inter-user interference， and multipath effects. This significantly enhances interference resistance and enables multi-user scalability. Second， the DC-biased spread spectrum encoding applied to Linear Frequency Modulation （LFM） signals generates integrated waveforms with unique chirp-phase characteristics and improved cross-correlation performance. This approach not only supports synchronization of communication sequences but also facilitates radar sensing via simplified photonic de-chirping processing， substantially lowering the Analog-to-Digital Converter （ADC） sampling rate requirements in radar receivers. For 3D positioning， we employ the Time Difference of Arrival （TDOA） method combined with a Chan-Taylor hybrid algorithm， enabling accurate localization with smaller network overhead. This integration of communication， sensing， and measurement systems has been successfully realized. Simulation results demonstrate the system's robustness： even under negative Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio （SINR） conditions， spread spectrum phase coding sustains simultaneous multi-user communication and sensing. The system achieves decimeter-level distance resolution and high-precision near-field positioning. Parameter analysis evaluates the impact of DC bias， Voltage Peak-to-Peak （Vpp）， Received Optical Power （ROP）， and gain on communication performance in terms of Bit Error Rate （BER） and Signal-to-Interference Ratio （SIR）.

This research provides valuable insights for designing high-performance， interference-resistant integrated sensing and communication systems applicable to areas such as UAV control and management， smart homes， and intelligent transportation.

关键词

Keywords

references

WANG Yanyi ， LIU Jiaxuan ， DING Junjie ， et al . Joint communication and radar sensing functions system based on photonics at the W-band ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 8 ）： 13404 - 13415 .

GONG Chao . Sensing processing method for integrated sensing and communication in smart home linkage ［C］. 2024 International Conference on Ubiquitous Communication （Ucom）， IEEE ， 2024 ： 516 - 521 .

WANG Jian ， VARSHNEY N ， GENTILE C ， et al . Integrated sensing and communication： Enabling techniques， applications， tools and data sets， standardization， and future directions ［J］. IEEE Internet of Things Journal ， 2022 ， 9 （ 23 ）： 23416 - 23440 .

XU Jinlei ， ZHAO Junsheng ， LU Huabing ， et al . An overview on multi-dimensional expanded integrated sensing and communication for 6G ［J］. Journal of Electronics & Information Technology ， 2024 ， 46 （ 5 ）： 1672 - 1683 .

徐金雷，赵俊湦，卢华兵，等 . 面向6G的多维扩展通感一体化研究综述［J］. 电子与信息学报， 2024 ， 46 （ 5 ）： 1672 - 1683 .

WU Nan ， JIANG Rongkun ， WANG Xinyi ， et al . AI-enhanced integrated sensing and communications： Advancements， challenges， and prospects ［J］. IEEE Communications Magazine ， 2024 ， 62 （ 9 ）： 144 - 150 .

MAO Weihao ， LU Yang ， CHI Chongyung ， et al . Communication-sensing region for cell-free massive MIMO ISAC systems ［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications ， 2024 ， 23 （ 9 ）： 12396 - 12411 .

WANG Lihan ， WANG Xiangchuan ， PAN Shilong . Microwave photonics empowered integrated sensing and communication for 6G ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2025 ， 73 （ 8 ）： 5295 - 5315 .

BAI Wenlin ， ZOU Xihua ， XU Jiaxin ， et al . Microwave photonics promotes emerging integrated sensing and communication technology ［J］. APL Photonics ， 2025 ， 10 （ 3 ）： 031101 .

WANG Ruixuan ， MA Weichao ， LIU Jianwei ， et al . Integrated sensing and communication system based on a photonic integrated broadband multi-beamformer ［J］. Optics Express ， 2025 ， 33 （ 10 ）： 20619 - 20631 .

YAO Jianping . Microwave photonics ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2009 ， 27 （ 3 ）： 314 - 335 .

YAO Jianping . Microwave photonic systems ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2022 ， 40 （ 20 ）： 6595 - 6607 .

LI Zhongkun ， HAN Yishi ， GUO Zhongguo ， et al . A reconfigurable microwave photonic mixing and phase shifting system ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2021 ， 50 （ 11 ）： 1106004 .

李忠坤，韩一石，郭忠国，等 . 一种可重构的微波光子混频移相系统［J］. 光子学报， 2021 ， 50 （ 11 ）： 1106004 . DOI: 10.3788/gzxb20215011.1106004 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20215011.1106004

ZHANG Fangzheng ， SUN Guanqun ， ZHOU Yuewen ， et al . Towards high-resolution imaging with photonics-based time division multiplexing MIMO radar ［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics ， 2022 ， 28 （ 5 ）： 1 - 10 .

ZHONG Ningyuan ， LI Peixuan ， BAI Wenlin ， et al . Spectral-efficient frequency-division photonic millimeter-wave integrated sensing and communication system using improved sparse LFM sub-bands fusion ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2023 ， 41 （ 23 ）： 7105 - 7114 .

DONG Boyu ， JIA Junlian ， TAO Li ， et al . Photonic-based W-band integrated sensing and communication system with flexible time-frequency division multiplexed waveforms for fiber-wireless network ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2024 ， 42 （ 4 ）： 1281 - 1295 .

MICHAEL BUEHRER R . Code division multiple access （CDMA）［M］. Springer Nature ， 2022 .

SHEN Bingsheng ， ZHOU Zhengchun ， YANG Yang ， et al . A non-interference multi-carrier complementary coded division multiple access dual-functional radar ［J］. Journal of Electronics & Information Technology ， 2025 ， 47 （ 1 ）： 201 - 210 .

沈炳声，周正春，杨洋，等 . 一种无扰的多载波互补码分多址通信雷达一体化方案［J］. 电子与信息学报， 2025 ， 47 （ 1 ）： 201 - 210 . DOI: 10.11999/JEIT240297 http://dx.doi.org/10.11999/JEIT240297

LIU Xiqing ， LI Junpeng ， ZHAO Linglan ， et al . A three-dimensional complete complementary coded spread spectrum system designed for multi-user-multi-target ISAC scenarios ［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications ， 2025 ： 1 .

ZOU Xihua ， LI Wangzhe ， PAN Wei ， et al . Photonic approach to the measurement of time-difference-of-arrival and angle-of-arrival of a microwave signal ［J］. Optics Letters ， 2012 ， 37 （ 4 ）： 755 - 757 .

YANG Zuoming ， ZHANG Lu ， ZHANG Hongqi ， et al . Photonic THz InISAR for 3D positioning with high resolution ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2023 ， 41 （ 10 ）： 2999 - 3006 .

YANG Yue ， MA Cong ， FAN Beichen ， et al . Photonics-based simultaneous angle of arrival and frequency measurement system with multiple-target detection capability ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2021 ， 39 （ 24 ）： 7656 - 7663 .

LI Shangyuan ， CAO Haidong ， ZHENG Xiaoping . Concurrent photonic measurement of angle-of-arrival and chirp rate of microwave LFM signal ［J］. Chinese Optics Letters ， 2020 ， 18 （ 12 ）： 123902 .

CHEN Hao ， CHAN E H W . Photonics-based CW/pulsed microwave signal AOA measurement system ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2020 ， 38 （ 8 ）： 2292 - 2298 .

WANG Wei ， WANG Gang ， HO K C ， et al . Robust TDOA localization based on maximum correntropy criterion with variable center ［J］. Signal Processing ， 2023 ， 205 ： 108860 .

MA Taofeng . Research on indoor localization technology based on UWB-TDOA ［D］. Chengdu ： University of Electronic Science and Technology of China ， 2025 .

马涛锋 . 基于UWB-TDOA的室内定位技术研究［D］. 成都：电子科技大学， 2025 .

BAI Wenlin ， ZOU Xihua ， LI Peixuan ， et al . Photonic millimeter-wave joint radar communication system using spectrum-spreading phase-coding ［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ， 2022 ， 70 （ 3 ）： 1552 - 1561 .

LEI Mingzheng ， HUA Bingchang ， CAI Yuancheng ， et al . Photonics-aided integrated sensing and communications in mmW bands based on a DC-offset QPSK-encoded LFMCW ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 24 ）： 43088 - 43103 .

CHOI K ， LIU Huaping . Quasi-synchronous CDMA using properly scrambled Walsh codes as user-spreading sequences ［J］. IEEE Transactions on vehicular Technology ， 2010 ， 59 （ 7 ）： 3609 - 3617 .

MA Dongdong . Research on time reversal mirror in underwater acoustic spread spectrum communication technology ［D］. Harbin Engineering University ， 2019 .

马冬冬 . 时间反转镜水声扩频通信技术研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2019 .

MENG Weiqiang ， CHEN Jun . Improved Chan-Taylor joint localization algorithm ［J］. Radio Communications Technology ， 2024 ， 50 （ 5 ）： 932 - 939 .

孟伟强，陈俊 . 改进的Chan-Taylor联合定位算法［J］. 无线电通信技术， 2024 ， 50 （ 05 ）： 932 - 939 . DOI: 10.3969/j.issn.1003-3114.2024.05.011 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1003-3114.2024.05.011

LI Mao ， XIN Xiaoyou ， ZHONG Zhiwen ， et al . A study on target positioning and tracking algorithm based onoved TDOA and Kalman prediction model ［J］. Modern Radar ， 2024 ， 46 （ 7 ）： 62 - 70 .

李茂，幸小又，钟志文，等 . 基于改进TDOA与卡尔曼预测模型的目标定位跟踪算法研究［J］. 现代雷达， 2024 ， 46 （ 7 ）： 62 - 70 .

HAN Yufei . Research on uav wireless positioning algorithm based on TDOA ［D］. Hohhot ： Inner Mongolia University ， 2022 .

韩宇飞 . 基于TDOA的无人机无线定位算法研究［D］. 呼和浩特：内蒙古大学， 2022 .

CHENG Yun ， ZHOU Taoyun . UWB indoor positioning algorithm based on TDOA technology ［C］. 2019 10th International Conference on Information Technology in Medicine and Education （ITME）， IEEE ， 2019 ： 777 - 782 .

COUCH L W ， KULKARNI M ， ACHARYA U S . Digital and analog communication systems ［M］. Upper Saddle River ： Pearson ， 2013 .

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