يمكن أن تضيف الاتصالات المتكاملة والاستشعار عند ترددات الموجات المليمترية والترددات الفرعية تيراهيرتز اكتشاف الموقع الذي يساعد على تجنب وقوع الحوادث بين المشاة والدراجات والمركبات.
مع الطرح التجاري لتقنية الجيل الخامس (5G) على قدم وساق، يمكن للمستخدمين الآن استخدام قدراتها. ومع ذلك، فإن صناعة الاتصالات تضع الأساس للجيل القادم من الاتصالات الخلوية. ستستخدم تقنية 6G العديد من التقنيات لربط العالمين الرقمي والمادي من خلال الاتصال في كل مكان. تتطلع الاتصالات المتكاملة والاستشعار (ICAS) - والتي تسمى أيضًا الاتصالات والاستشعار المشتركة (JCAS) - إلى أن تصبح جزءًا أساسيًا من 6G. يهدف الاستشعار داخل الشبكة إلى الاستفادة من الكمية الكبيرة من البنية التحتية للشبكة الموجودة بالفعل بحيث يمكن أن يأتي الاستشعار كأداة مساعدة "مجانية" يمكنها تحسين الاتصال من جهاز إلى جهاز ومن جهاز إلى إنسان.
الشكل 1. في هذا المخطط المفاهيمي، يمكن أن تنتقل إشارات الاتصالات والاستشعار بين المحطة الأساسية والسيارات والمشاة.
يمكن أن يوفر الجمع بين الاتصال والاستشعار فائدة كبيرة للشبكة. النظر في الرسم البياني في الشكل 1 وحالة استخدام القيادة الذاتية. يمكن لإشارة الرادار العثور على الموقع الدقيق للأشياء المحيطة بالسيارة، والتي يمكنها مشاركة هذه المعلومات مع المركبات ذاتية القيادة الأخرى وكذلك الشبكات. يوفر الجمع بين الاستشعار والاتصالات تحديد المواقع بدقة ويتيح لشبكة 6G توفير المراقبة المكانية.
فكرة ICAS بسيطة: اكتشاف البيانات حول العالم المادي عن طريق إضافة إشارات الاستشعار إلى إشارات الاتصالات التقليدية. من الناحية النظرية، يمكن لإشارات الاتصالات أن تشغل جزءًا من إجمالي عرض النطاق الترددي المخصص. يمكن لإشارة الاستشعار، مثل غرد الرادار أو إشارة السبر، أن تشغل بقية عرض النطاق الترددي المخصص. إن الجمع بين هاتين الإشارتين في شكل موجة واحد يتيح لتطبيقات مختلفة مشاركة الهوائيات وأجهزة الإرسال والاستقبال بينما تشغل نفس شريحة الطيف. يعد كل من الطيف والمساحة المادية داخل أجهزة المستخدم من الموارد المحدودة ويمكن أن يؤدي إلى تقنيات إبداعية تعمل على تحقيق أقصى قدر من الاثنين. يستمر البحث في الأشكال الموجية التي تعمل بشكل أفضل لإشارة الاستشعار بالإضافة إلى النسبة المثالية للاستشعار مقابل عرض النطاق الترددي للاتصالات.
اعتبارات التصميم والتحديات
بالنسبة للإشارات التي تقل عن 6 جيجا هرتز، فإن تقليل عرض النطاق الترددي لإشارة الاتصالات أمر غير واقعي. يظل تعظيم إنتاجية البيانات أولوية في هذه الترددات لأنها تصل إلى منطقة واسعة ذات تغطية خارجية وداخلية. في النطاقات الأعلى، فإن إجمالي عرض النطاق الترددي المتاح في نطاق جيجاهيرتز، مما يعطي بعضًا من عرض النطاق الترددي لإشارة الاستشعار سيعمل. بغض النظر عن التردد، ستوجد دائمًا مقايضة بين دقة إشارة الاستشعار وإنتاجية إشارة الاتصالات. على سبيل المثال، إذا كانت إشارة الاستشعار هي غرد الرادار، يلزم عرض نطاق ترددي يبلغ 1 جيجاهرتز للحصول على دقة نطاق تبلغ 15 سم. قد تتطلب بعض التطبيقات هذا المستوى من الدقة أو أكثر إحكامًا. وبالتالي، فمن غير المرجح التوصل إلى حل "مقاس واحد يناسب الجميع" لتحدي الاستشعار مقابل عرض النطاق الترددي للاتصالات. يمكن لهيكل الإطار المرن وعلم الأعداد القابل لإعادة التشكيل معالجته.
الشكل 2. باستخدام TDD، يرسل جهاز الإرسال إشارات الاستشعار والاتصالات في أوقات مختلفة حيث يحصل كل منها على عرض النطاق الترددي بأكمله.
خذ بعين الاعتبار المثال التالي لتكوينين مختلفين لشكل الموجة. في الشكل 2، يتم استخدام النطاق الترددي الكامل للإشارة للاستشعار باستخدام الإطارات المتناوبة. يوفر أسلوب الإرسال المزدوج للمجال الزمني (TDD) دقة استشعار عالية. لسوء الحظ، لديها نطاق محدود.
في التكوين الثاني (الشكل 3)، يتم وضع إشارة استشعار عرض النطاق الضيق في الموجات الحاملة الفرعية غير المستخدمة لإشارة OFDM. يسمح أسلوب الإرسال المزدوج بتقسيم التردد (FDD) بنطاق استشعار أطول ولكن بدقة أقل. لا يعتبر أي من النهجين خاطئًا، لكن هذا المثال يوضح أنواع المفاضلات التي سيحتاج المهندسون إلى أخذها في الاعتبار عند تصميم أجهزة الإرسال والاستقبال لأشكال موجة ISAC.
الشكل 3. باستخدام FDD، تظهر إشارات الاستشعار والاتصالات في وقت واحد، لكن كل واحدة منها تشغل نطاقًا تردديًا أقل من TDD.
تتمتع الترددات الأعلى بفوائد استشعار بالإضافة إلى النطاق الترددي المتوفر. بالنسبة للرادار عالي الدقة، توجد هوائيات كبيرة في النطاق K (من 18 جيجا هرتز إلى 26.5 جيجا هرتز) والنطاق Ka (من 26.5 جيجا هرتز إلى 40 جيجا هرتز) منذ سنوات عديدة. هذا التداخل في الترددات والعدد المتزايد من صفائف الهوائيات الأكبر حجمًا في أنظمة الاتصالات يفتح إمكانية إعادة استخدام البنية التحتية والمعدات الحالية لتطبيقات ICAS. وبالنظر إلى مستوى أعلى في الطيف، فقد توسعت رادارات السيارات التي تعمل بتردد 77 جيجا هرتز في السنوات الأخيرة، مما يوفر فرصة أخرى للاستفادة من البنية التحتية الحالية وإعادة استخدامها من خلال إضافة الاستشعار إلى الشبكات اللاسلكية.
الاختبار والتوصيف
يحتاج المهندسون إلى إجراء اختبارات لفهم أداء الاستشعار بشكل أفضل عند الترددات المختلفة. على سبيل المثال، نحتاج إلى مقارنة وتباين الاستشعار عند 24 جيجا هرتز و77 جيجا هرتز مع عروض نطاق مختلفة. سيساعد هذا النوع من المعلومات في تسويق ICAS التكنلوجيا. والأهم من ذلك، أننا بحاجة إلى فهم أفضل لقناة الإرسال من 7 جيجا هرتز إلى 24 جيجا هرتز لمعرفة كيفية أداء إشارات الاستشعار المدمجة مع إشارات الاتصالات في ما يسمى بنطاق FR3. تفتقر نماذج القنوات الحالية التي تم توحيدها بواسطة 3GPP إلى التفاصيل الخاصة بحالة الاستخدام هذه. يقوم NextG Alliance حاليًا بجمع بيانات الصوت والبحث في نطاقات تردد مختلفة حتى نتمكن من فهم القناة بشكل أفضل في سياق تطبيقات الاستشعار.
نحن بحاجة إلى نماذج تميز انعكاسية الشيء المحسوس لأن نماذج قنوات الاتصال التقليدية لا تأخذ في الاعتبار الانعكاس. نحن بحاجة أيضًا إلى نماذج تأخذ في الاعتبار ارتفاعات الإشارة المختلفة، والتي تمثل العالم المادي المعقد مع أهداف استشعار تتراوح من الأشخاص على الأرض إلى المركبات الجوية بدون طيار (UAVs). أخيرًا، تحتاج الصناعة إلى مناقشة حول استخدام النماذج الديناميكية مقابل النماذج العشوائية لمراعاة التنقل وتغيير مواقع الأهداف في حالة استخدام ICAS.
وفي الختام
إذا كان الهدف هو إدخال الاستشعار في البنية التحتية للاتصالات، فيجب على صناعة الاتصالات استكشاف تخصيص الطيف ومقدار موارد الشبكة التي يجب تخصيصها للاستشعار. نحن بحاجة إلى تقليل الموارد من الشبكة وزيادة الاستشعار إلى أقصى حد. علاوة على ذلك، يجب علينا أن نأخذ في الاعتبار تصميمات شكل موجة جديدة لأن تصميم شكل الموجة يمكن أن يضفي سهولة الاستشعار. وأخيرا، نحتاج إلى اختبار على عدة ترددات للعثور على التردد الأمثل لهذه العملية. تقليديا، يتم إجراء قياسات الاستشعار عند الموجات المليمترية العالية أو عند ترددات تيراهيرتز. نحن بحاجة إلى تحديد جدوى الاستشعار ضمن هذه النطاقات. وبينما لدينا العديد من الأسئلة التقنية، فإن إضافة الاستشعار إلى شبكات الجيل السادس يعد ميزة واعدة ستجعل شبكات المستقبل أكثر ذكاءً وستتيح مجموعة من التطبيقات الجديدة.
للمزيد من المعلومات
فيديو: التحرك نحو الاستشعار والاتصالات المتكاملة في الجيل السادس، نوكيا، https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY6hMI.
فيديو: VTC2023-Spring Keynote: الاستشعار المتكامل والاتصالات: كان من المفترض أن يكون، كلية لندن الجامعية، https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
الاستشعار والاتصالات المتكاملة: تمكين التقنيات والتطبيقات والأدوات ومجموعات البيانات والتوحيد القياسي والاتجاهات المستقبلية، المعهد الوطني للصحة، https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
الاتصالات والاستشعار المشترك في شبكات الجيل السادس، إريكسون، https://www .ericsson.com/en/blog/6/2021/joint-sensing-and-communication-10g
خلفية سارة في تكنولوجيا الميكروويف والموجات المليمترية. حصلت على درجة البكالوريوس في الهندسة الكهربائية من جامعة تكساس التقنية.
