Las comunicaciones integradas y la detección en frecuencias mmWave y sub-THz podrían agregar detección de ubicación que ayude a evitar accidentes entre peatones, bicicletas y vehículos.
Con el lanzamiento comercial de 5G en marcha, los usuarios ahora pueden utilizar sus capacidades. Aun así, la industria de las telecomunicaciones está sentando las bases para la próxima generación de comunicaciones celulares. 6G utilizará muchas tecnologías para unir los mundos digital y físico a través de una conectividad ubicua. Las Comunicaciones y Detección Integradas (ICAS), también llamadas Comunicaciones y Detección Conjuntas (JCAS), parecen convertirse en una parte central del 6G. La detección dentro de la red tiene como objetivo aprovechar la gran cantidad de infraestructura de red que ya existe para que la detección pueda convertirse en una utilidad "gratuita" que pueda mejorar la conectividad de dispositivo a dispositivo y de dispositivo a humano.
Figura 1. En este diagrama conceptual, las señales de detección y comunicaciones pueden viajar entre una estación base, automóviles y peatones.
Combinar la comunicación con la detección puede proporcionar un beneficio de red significativo. Considere el diagrama en Figura 1 y XNUMX y el caso de uso de la conducción autónoma. Una señal de radar puede encontrar la ubicación precisa de objetos alrededor del automóvil, que puede compartir esta información con otros vehículos autónomos y con redes. La combinación de detección y comunicaciones proporciona un posicionamiento preciso y permite que una red 6G brinde monitoreo espacial.
La idea de ICAS es simple: detectar datos sobre el mundo físico agregando señales de detección a las señales de comunicaciones tradicionales. En teoría, las señales de comunicaciones pueden ocupar parte del ancho de banda total asignado. Una señal de detección, como un chirrido de radar o una señal sonora, puede ocupar el resto del ancho de banda asignado. La combinación de estas dos señales en una forma de onda permite que diferentes aplicaciones compartan antenas y hardware transceptor mientras ocupan la misma porción del espectro. El espectro y el espacio físico dentro del equipo del usuario son recursos finitos y pueden conducir a técnicas creativas que maximicen ambos. Continúan las investigaciones sobre las formas de onda que funcionan mejor para la señal de detección, así como para la relación ideal entre el ancho de banda de detección y el de comunicaciones.
Consideraciones y desafíos de diseño
Para señales por debajo de 6 GHz, reducir el ancho de banda de la señal de comunicaciones no es realista. Maximizar el rendimiento de los datos sigue siendo una prioridad en estas frecuencias porque llegan a un área amplia con cobertura exterior e interior. En bandas más altas, funcionará el ancho de banda total disponible en el rango de gigahercios, dando parte de ese ancho de banda a una señal de detección. Independientemente de la frecuencia, siempre existirá un equilibrio entre la resolución de una señal de detección y el rendimiento de la señal de comunicaciones. Por ejemplo, si la señal de detección es un chirrido de radar, se requiere 1 GHz de ancho de banda para obtener 15 cm de precisión de alcance. Algunas aplicaciones pueden requerir este nivel de precisión o más estricto. Por lo tanto, es poco probable que exista una solución única para el desafío del ancho de banda entre detección y comunicaciones. Una estructura de marco flexible y una numerología reconfigurable podrían abordarlo.
Figura 2. Usando TDD, un transmisor envía señales de detección y comunicaciones en diferentes momentos donde cada una obtiene todo el ancho de banda.
Considere el siguiente ejemplo de dos configuraciones de formas de onda diferentes. En Figura 2 y XNUMX, todo el ancho de banda de la señal se utiliza para la detección mediante el uso de cuadros alternos. Este enfoque dúplex en el dominio del tiempo (TDD) proporciona una alta resolución de detección. Desafortunadamente, tiene un alcance limitado.
En la segunda configuración (Figura 3 y XNUMX), se coloca una señal de detección de ancho de banda estrecho en subportadoras no utilizadas de una señal OFDM. Este enfoque dúplex por división de frecuencia (FDD) permite un rango de detección más largo pero con menor resolución. Ninguno de los dos enfoques es incorrecto, pero este ejemplo muestra los tipos de compensaciones que los ingenieros deberán considerar al diseñar transmisores y receptores para formas de onda ISAC.
Figura 3. Al usar FDD, las señales de detección y comunicaciones aparecen simultáneamente, pero cada una ocupa menos ancho de banda que con TDD.
Las frecuencias más altas tienen beneficios de detección además del ancho de banda disponible. Para los radares de alta resolución, desde hace muchos años se utilizan grandes antenas en la banda K (de 18 GHz a 26.5 GHz) y en la banda Ka (de 26.5 GHz a 40 GHz). Esta superposición de frecuencias y el creciente número de conjuntos de antenas más grandes en los sistemas de comunicaciones abren el potencial de reutilizar la infraestructura y los equipos existentes para aplicaciones ICAS. Mirando más arriba en el espectro, el radar automotriz que opera a 77 GHz se ha expandido en los últimos años, brindando otra oportunidad para aprovechar y reutilizar la infraestructura existente agregando sensores a las redes inalámbricas.
Pruebas y caracterización
Los ingenieros necesitan pruebas para comprender mejor el rendimiento de la detección en diferentes frecuencias. Por ejemplo, necesitamos comparar y contrastar la detección a 24 GHz y 77 GHz con diferentes anchos de banda. Este tipo de información ayudará a comercializar ICAS. la tecnología. Aún más fundamental, necesitamos una mejor comprensión del canal de transmisión de 7 GHz a 24 GHz para saber cómo funcionarán las señales de detección combinadas con señales de comunicaciones en la llamada banda FR3. Los modelos de canales existentes estandarizados por 3GPP carecen de detalles para este caso de uso. Actualmente, la NextG Alliance está recopilando datos de sondeo e investigando diferentes bandas de frecuencia para que podamos comprender mejor el canal en el contexto de las aplicaciones de detección.
Necesitamos modelos que caractericen la reflectividad del objeto detectado porque los modelos de canales de comunicación tradicionales no tienen en cuenta la reflexión. También necesitamos modelos que tengan en cuenta diferentes altitudes de señal, que representen el complejo mundo físico con objetivos de detección que van desde personas en tierra hasta vehículos aéreos no tripulados (UAV) voladores. Finalmente, la industria necesita un debate sobre el uso de modelos dinámicos versus estocásticos para tener en cuenta la movilidad y las posiciones cambiantes de los objetivos en un caso de uso de ICAS.
Conclusión
Si el objetivo es incorporar la detección a la infraestructura de comunicaciones, la industria de las comunicaciones debe explorar la asignación de espectro y la cantidad de recursos de red que deben dedicarse a la detección. Necesitamos minimizar los recursos de la red y maximizar la detección. Además, debemos considerar diseños novedosos de formas de onda porque el diseño de formas de onda puede facilitar la detección. Finalmente, necesitamos realizar pruebas en varias frecuencias para encontrar la frecuencia óptima para esta operación. Tradicionalmente, las mediciones de detección se realizan a frecuencias altas de mmWave o de terahercios. Necesitamos establecer la viabilidad dentro de estas bandas de detección. Si bien tenemos muchas preguntas técnicas, agregar sensores a las redes 6G es una característica prometedora que hará que las redes futuras sean más inteligentes y permitirá una gran cantidad de nuevas aplicaciones.
Para más información
Vídeo: Avanzando hacia la detección y las comunicaciones integradas en 6G, Nokia, https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY7hMI.
Vídeo: Conferencia magistral de primavera de VTC2023: Comunicaciones y sensores integrados: estaba destinado a ser, University College London, https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
Sensación y comunicación integradas: técnicas habilitantes, aplicaciones, herramientas y conjuntos de datos, estandarización y direcciones futuras, Instituto Nacional de Salud, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
Comunicación y detección conjuntas en redes 6G, Ericcson, https://www .ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
La experiencia de Sarah es en tecnología de microondas y ondas milimétricas. Tiene una licenciatura en ingeniería eléctrica de la Universidad Tecnológica de Texas.
