Les communications et la détection intégrées aux fréquences mmWave et sub-THz pourraient ajouter une détection de localisation qui permettrait d'éviter les accidents entre piétons, vélos et véhicules.
Le déploiement commercial de la 5G étant bien avancé, les utilisateurs peuvent désormais utiliser ses capacités. Malgré tout, l’industrie des télécommunications prépare le terrain pour la prochaine génération de communications cellulaires. La 6G utilisera de nombreuses technologies pour relier les mondes numérique et physique grâce à une connectivité omniprésente. Les communications et détections intégrées (ICAS) – également appelées communications et détection conjointes (JCAS) – semblent devenir un élément essentiel de la 6G. La détection au sein du réseau vise à exploiter la grande quantité d’infrastructures réseau déjà en place afin que la détection puisse devenir un utilitaire « gratuit » capable d’améliorer la connectivité d’appareil à appareil et d’appareil à humain.
Figure 1. Dans ce diagramme conceptuel, les signaux de communication et de détection peuvent circuler entre une station de base, des voitures et des piétons.
La combinaison de la communication et de la détection peut offrir un avantage réseau important. Considérons le diagramme dans Figure 1 et le cas d'utilisation de la conduite autonome. Un signal radar peut trouver l'emplacement précis des objets autour de la voiture, qui peut partager ces informations avec d'autres véhicules autonomes ainsi qu'avec des réseaux. La combinaison de la détection et des communications permet un positionnement précis et permet à un réseau 6G d'assurer une surveillance spatiale.
L'idée d'ICAS est simple : détecter des données sur le monde physique en ajoutant des signaux de détection aux signaux de communication traditionnels. En théorie, les signaux de communication peuvent occuper une partie de la bande passante totale allouée. Un signal de détection, tel qu'un signal radar ou un signal sonore, peut occuper le reste de la bande passante allouée. La combinaison de ces deux signaux en une seule forme d'onde permet à différentes applications de partager des antennes et du matériel émetteur-récepteur tout en occupant la même tranche de spectre. Le spectre et l’espace physique à l’intérieur de l’équipement utilisateur sont tous deux des ressources limitées et peuvent conduire à des techniques créatives qui maximisent les deux. La recherche se poursuit sur les formes d'onde qui fonctionnent le mieux pour le signal de détection ainsi que pour le rapport idéal entre la bande passante de détection et la bande passante de communication.
Considérations et défis de conception
Pour les signaux inférieurs à 6 GHz, réduire la bande passante du signal de communication est irréaliste. Maximiser le débit de données reste une priorité sur ces fréquences car elles atteignent une vaste zone avec une couverture extérieure et intérieure. Aux bandes plus élevées, la bande passante totale disponible dans la plage des gigahertz, donnant une partie de cette bande passante à un signal de détection, fonctionnera. Quelle que soit la fréquence, un compromis existera toujours entre la résolution d'un signal de détection et le débit du signal de communication. Par exemple, si le signal de détection est un signal radar, une bande passante de 1 GHz est nécessaire pour obtenir une précision de portée de 15 cm. Certaines applications peuvent nécessiter ce niveau de précision, voire plus. Ainsi, il est peu probable qu’une solution « universelle » soit trouvée pour résoudre le problème de la bande passante de détection et de communication. Une structure de cadre flexible et une numérologie reconfigurable pourraient y remédier.
Figure 2. Grâce au TDD, un émetteur envoie des signaux de détection et de communication à différents moments où chacun obtient la totalité de la bande passante.
Considérez l'exemple suivant de deux configurations de forme d'onde différentes. Dans Figure 2, toute la bande passante du signal est utilisée pour la détection en utilisant des trames alternées. Cette approche duplex dans le domaine temporel (TDD) offre une résolution de détection élevée. Malheureusement, sa portée est limitée.
Dans la deuxième configuration (Figure 3), un signal de détection à bande passante étroite est placé dans des sous-porteuses inutilisées d'un signal OFDM. Cette approche du duplexage par répartition en fréquence (FDD) permet une plage de détection plus longue mais avec une résolution plus faible. Aucune des deux approches n'est fausse, mais cet exemple montre les types de compromis que les ingénieurs devront prendre en compte lors de la conception d'émetteurs et de récepteurs pour les formes d'onde ISAC.
Figure 3. Avec FDD, les signaux de détection et de communication apparaissent simultanément, mais chacun occupe moins de bande passante qu'avec TDD.
Les fréquences plus élevées présentent des avantages de détection en plus de la bande passante disponible. Pour les radars à haute résolution, de grandes antennes en bande K (18 GHz à 26.5 GHz) et en bande Ka (26.5 GHz à 40 GHz) sont en place depuis de nombreuses années. Ce chevauchement des fréquences et le nombre croissant de réseaux d’antennes plus grands dans les systèmes de communication ouvrent la possibilité de réutiliser l’infrastructure et les équipements existants pour les applications ICAS. En regardant plus haut dans le spectre, les radars automobiles fonctionnant à 77 GHz se sont développés ces dernières années, offrant une nouvelle opportunité d'exploiter et de réutiliser l'infrastructure existante en ajoutant des capteurs aux réseaux sans fil.
Essais et caractérisation
Les ingénieurs ont besoin de tests pour mieux comprendre les performances de détection à différentes fréquences. Par exemple, nous devons comparer et contraster la détection à 24 GHz et 77 GHz avec différentes bandes passantes. Ce type d'informations aidera à commercialiser ICAS sans souci. Plus fondamentalement encore, nous avons besoin d’une meilleure compréhension du canal de transmission de 7 GHz à 24 GHz pour savoir comment fonctionneront les signaux de détection combinés aux signaux de communication dans la bande dite FR3. Les modèles de canaux existants standardisés par 3GPP manquent de détails pour ce cas d'utilisation. L'Alliance NextG collecte actuellement des données de sondage et étudie différentes bandes de fréquences afin que nous puissions mieux comprendre le canal dans le contexte des applications de détection.
Nous avons besoin de modèles qui caractérisent la réflectivité de l'objet détecté, car les modèles traditionnels de canaux de communication ne tiennent pas compte de la réflexion. Nous avons également besoin de modèles prenant en compte différentes altitudes de signal, qui représentent le monde physique complexe avec des cibles de détection allant des personnes au sol aux véhicules aériens sans pilote (UAV). Enfin, l'industrie a besoin d'une discussion sur l'utilisation de modèles dynamiques ou stochastiques pour tenir compte de la mobilité et des positions changeantes des cibles dans un cas d'utilisation ICAS.
Conclusion
Si l’objectif est d’intégrer la détection dans l’infrastructure de communication, l’industrie des communications doit explorer l’allocation du spectre et la quantité de ressources réseau qui doivent être dédiées à la détection. Nous devons minimiser les ressources du réseau et maximiser la détection. En outre, nous devons envisager de nouvelles conceptions de formes d’onde, car la conception des formes d’onde peut faciliter la détection. Enfin, nous devons tester plusieurs fréquences pour trouver la fréquence optimale pour cette opération. Traditionnellement, les mesures de détection sont effectuées à des ondes millimétriques élevées ou à des fréquences térahertz. Nous devons établir la faisabilité de la détection au sein de ces bandes. Bien que nous ayons de nombreuses questions techniques, l’ajout de détection aux réseaux 6G est une fonctionnalité prometteuse qui rendra les futurs réseaux plus intelligents et permettra une multitude de nouvelles applications.
Pour plus d'informations
Vidéo : Vers une détection et des communications intégrées dans la 6G, Nokia, https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY7hMI.
Vidéo : VTC2023-Spring Keynote : Détection et communications intégrées : c'était censé être, University College de Londres, https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
Détection et communication intégrées : techniques habilitantes, applications, outils et ensembles de données, normalisation et orientations futures, National Institute of Health, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
Communication et détection conjointes dans les réseaux 6G, Ericcson, https://www .ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
L'expérience de Sarah est dans la technologie des micro-ondes et des ondes millimétriques. Elle est titulaire d'un BS en génie électrique de la Texas Tech University.
