Integrierte Kommunikation und Erfassung bei mmWave- und Sub-THz-Frequenzen könnten eine Standorterkennung ermöglichen, die dazu beiträgt, Unfälle zwischen Fußgängern, Fahrrädern und Fahrzeugen zu vermeiden.
Da die kommerzielle Einführung von 5G bereits in vollem Gange ist, können Benutzer nun dessen Fähigkeiten nutzen. Dennoch legt die Telekommunikationsbranche den Grundstein für die nächste Generation der Mobilfunkkommunikation. 6G wird viele Technologien nutzen, um die digitale und physische Welt durch allgegenwärtige Konnektivität zu verbinden. Integrated Communications and Sensing (ICAS) – auch Joint Communications and Sensing (JCAS) genannt – scheint ein zentraler Bestandteil von 6G zu werden. Die Erfassung innerhalb des Netzwerks zielt darauf ab, die große Menge der bereits vorhandenen Netzwerkinfrastruktur zu nutzen, sodass die Erfassung als „kostenloses“ Dienstprogramm bereitgestellt werden kann, das die Konnektivität von Gerät zu Gerät und von Gerät zu Mensch verbessern kann.
Abbildung 1. In diesem konzeptionellen Diagramm können Kommunikations- und Sensorsignale zwischen einer Basisstation, Autos und Fußgängern übertragen werden.
Die Kombination von Kommunikation und Sensorik kann einen erheblichen Netzwerkvorteil bieten. Betrachten Sie das Diagramm in Figure 1 und der Anwendungsfall des autonomen Fahrens. Ein Radarsignal kann die genaue Position von Objekten um das Auto herum ermitteln und diese Informationen mit anderen autonomen Fahrzeugen sowie Netzwerken teilen. Die Kombination aus Sensorik und Kommunikation sorgt für eine genaue Positionierung und ermöglicht einem 6G-Netzwerk die räumliche Überwachung.
Die Idee von ICAS ist einfach: Erfassen Sie Daten über die physische Welt, indem Sie den herkömmlichen Kommunikationssignalen Sensorsignale hinzufügen. Theoretisch können Kommunikationssignale einen Teil der gesamten zugewiesenen Bandbreite beanspruchen. Ein Erfassungssignal, beispielsweise ein Radar-Chirp oder ein Sondierungssignal, kann den Rest der zugewiesenen Bandbreite belegen. Durch die Kombination dieser beiden Signale in einer Wellenform können verschiedene Anwendungen Antennen und Transceiver-Hardware gemeinsam nutzen und gleichzeitig denselben Spektrumabschnitt belegen. Spektrum und physischer Raum innerhalb der Benutzerausrüstung sind beide endliche Ressourcen und können zu kreativen Techniken führen, die beides maximieren. Es wird weiterhin an Wellenformen geforscht, die sich am besten für das Erfassungssignal sowie für das ideale Verhältnis von Erfassungs- und Kommunikationsbandbreite eignen.
Designüberlegungen und Herausforderungen
Bei Signalen unter 6 GHz ist eine Reduzierung der Bandbreite des Kommunikationssignals unrealistisch. Die Maximierung des Datendurchsatzes bleibt bei diesen Frequenzen eine Priorität, da sie ein weites Gebiet mit Außen- und Innenabdeckung erreichen. Bei höheren Bändern reicht die gesamte verfügbare Bandbreite im Gigahertz-Bereich aus, sodass ein Teil dieser Bandbreite einem Erfassungssignal zur Verfügung gestellt wird. Unabhängig von der Frequenz besteht immer ein Kompromiss zwischen der Auflösung eines Sensorsignals und dem Durchsatz des Kommunikationssignals. Wenn beispielsweise ein Radar-Chirp das Erkennungssignal ist, ist eine Bandbreite von 1 GHz erforderlich, um eine Entfernungsgenauigkeit von 15 cm zu erreichen. Einige Anwendungen erfordern möglicherweise dieses Maß an Genauigkeit oder eine höhere Genauigkeit. Daher ist es unwahrscheinlich, dass es eine „Einheitslösung“ für die Herausforderung zwischen Sensorik und Kommunikationsbandbreite gibt. Eine flexible Rahmenstruktur und eine rekonfigurierbare Numerologie könnten Abhilfe schaffen.
Abbildung 2. Mithilfe von TDD sendet ein Sender zu unterschiedlichen Zeiten Erfassungs- und Kommunikationssignale, wobei jeder Sender die gesamte Bandbreite erhält.
Betrachten Sie das folgende Beispiel für zwei verschiedene Wellenformkonfigurationen. In Figure 2, wird die volle Bandbreite des Signals für die Erfassung genutzt, indem alternierende Frames verwendet werden. Dieser Time-Domain-Duplex (TDD)-Ansatz ermöglicht eine hohe Erfassungsauflösung. Leider ist die Reichweite begrenzt.
In der zweiten Konfiguration (Figure 3) wird ein Erfassungssignal mit schmaler Bandbreite in ungenutzte Unterträger eines OFDM-Signals gelegt. Dieser Frequenzduplex-Ansatz (FDD) ermöglicht einen größeren Erfassungsbereich, jedoch mit geringerer Auflösung. Keiner dieser Ansätze ist falsch, aber dieses Beispiel zeigt die Art von Kompromissen, die Ingenieure beim Entwurf von Sendern und Empfängern für ISAC-Wellenformen berücksichtigen müssen.
Abbildung 3. Bei Verwendung von FDD treten Erfassungs- und Kommunikationssignale gleichzeitig auf, belegen jedoch jeweils weniger Bandbreite als bei TDD.
Höhere Frequenzen bieten neben der verfügbaren Bandbreite auch Vorteile bei der Wahrnehmung. Für hochauflösendes Radar sind seit vielen Jahren große Antennen im K-Band (18 GHz bis 26.5 GHz) und Ka-Band (26.5 GHz bis 40 GHz) im Einsatz. Diese Überlappung der Frequenzen und die wachsende Zahl größerer Antennenarrays in Kommunikationssystemen eröffnen die Möglichkeit, vorhandene Infrastruktur und Ausrüstung für ICAS-Anwendungen wiederzuverwenden. Das weiter oben im Spektrum angesiedelte Fahrzeugradar, das bei 77 GHz arbeitet, hat sich in den letzten Jahren ausgeweitet und bietet eine weitere Möglichkeit, bestehende Infrastruktur durch die Hinzufügung von Sensorik zu drahtlosen Netzwerken zu nutzen und wiederzuverwenden.
Testen und Charakterisieren
Ingenieure benötigen Tests, um die Sensorleistung bei verschiedenen Frequenzen besser zu verstehen. Beispielsweise müssen wir die Wahrnehmung bei 24 GHz und 77 GHz mit unterschiedlichen Bandbreiten vergleichen und gegenüberstellen. Diese Art von Informationen wird zur Kommerzialisierung von ICAS beitragen Technologie. Noch grundlegender ist, dass wir den Übertragungskanal von 7 GHz bis 24 GHz besser verstehen müssen, um zu wissen, wie sich Sensorsignale in Kombination mit Kommunikationssignalen im sogenannten FR3-Band verhalten. Den vorhandenen durch 3GPP standardisierten Kanalmodellen fehlen Details für diesen Anwendungsfall. Die NextG Alliance sammelt derzeit Sondierungsdaten und erforscht verschiedene Frequenzbänder, damit wir den Kanal im Kontext von Sensoranwendungen besser verstehen können.
Wir benötigen Modelle, die das Reflexionsvermögen des erfassten Objekts charakterisieren, da herkömmliche Kommunikationskanalmodelle die Reflexion nicht berücksichtigen. Wir brauchen auch Modelle, die unterschiedliche Signalhöhen berücksichtigen, die die komplexe physikalische Welt mit Erfassungszielen abbilden, die von Menschen am Boden bis hin zu fliegenden unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) reichen. Schließlich braucht die Branche eine Diskussion über die Verwendung dynamischer versus stochastischer Modelle, um Mobilität und sich ändernde Positionen von Zielen in einem ICAS-Anwendungsfall zu berücksichtigen.
Zusammenfassung
Wenn das Ziel darin besteht, die Sensorik in die Kommunikationsinfrastruktur zu integrieren, muss die Kommunikationsbranche die Frequenzzuweisung und die Menge an Netzwerkressourcen untersuchen, die für die Sensorik bereitgestellt werden müssen. Wir müssen die Ressourcen des Netzwerks minimieren und die Erfassung maximieren. Darüber hinaus müssen wir neuartige Wellenformdesigns in Betracht ziehen, da das Wellenformdesign die Erfassung erleichtern kann. Schließlich müssen wir bei mehreren Frequenzen testen, um die optimale Frequenz für diesen Vorgang zu finden. Traditionell erfolgen Sensormessungen bei hohen mmWellen- oder Terahertz-Frequenzen. Wir müssen die Machbarkeit innerhalb dieser Bänder für die Erfassung feststellen. Obwohl wir viele technische Fragen haben, ist die Hinzufügung von Sensorik zu 6G-Netzwerken eine vielversprechende Funktion, die zukünftige Netzwerke intelligenter machen und eine Vielzahl neuer Anwendungen ermöglichen wird.
Für mehr Informationen
Video: Auf dem Weg zu integrierter Sensorik und Kommunikation in 6G, Nokia, https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY7hMI.
Video: VTC2023-Spring Keynote: Integrated Sensing and Communications: It was Meant to Be, University College London, https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
Integrierte Sensorik und Kommunikation: Enabling Techniques, Applications, Tools and Data Sets, Standardization, and Future Directions, National Institute of Health, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
Gemeinsame Kommunikation und Erfassung in 6G-Netzwerken, Ericcson, https://www .ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
Sarahs Hintergrund liegt in der Mikrowellen- und Millimeterwellentechnologie. Sie hat einen BS in Elektrotechnik von der Texas Tech University.
