ミリ波およびサブ THz 周波数での統合通信とセンシングにより、歩行者、自転車、車両間の事故を回避するのに役立つ位置検出が追加される可能性があります。
5G の商用展開が順調に進んでおり、ユーザーはその機能を使用できるようになりました。それでも、通信業界は次世代のセルラー通信の基礎を築いています。 6G は多くのテクノロジーを使用して、ユビキタス接続を通じてデジタル世界と物理世界の橋渡しをします。 Integrated Communications and Sensing (ICAS) - Joint Communications and Sensing (JCAS) とも呼ばれる - は、6G の中核部分となる見込みです。ネットワーク内のセンシングは、すでに設置されている大量のネットワーク インフラストラクチャを活用することを目的としているため、センシングはデバイス間およびデバイスと人間の接続を改善できる「無料」ユーティリティとして利用できます。
図 1. この概念図では、通信信号とセンシング信号が基地局、自動車、歩行者の間を通過できます。
通信とセンシングを組み合わせると、ネットワークに大きなメリットがもたらされます。の図を考えてみましょう。 図1 そして自動運転のユースケース。レーダー信号は車の周囲の物体の正確な位置を検出し、この情報を他の自動運転車やネットワークと共有できます。センシングと通信を組み合わせることで正確な測位が可能になり、6G ネットワークによる空間モニタリングが可能になります。
ICAS のアイデアはシンプルです。従来の通信信号にセンシング信号を追加することで、物理世界に関するデータを検出します。理論的には、通信信号は割り当てられた帯域幅全体の一部を占有することができます。レーダー チャープやサウンディング信号などの検知信号は、割り当てられた帯域幅の残りを占有することができます。これら 2 つの信号を 1 つの波形に結合すると、異なるアプリケーションが同じスペクトル スライスを占有しながらアンテナとトランシーバー ハードウェアを共有できるようになります。スペクトルとユーザー機器内の物理空間はどちらも有限のリソースであり、両方を最大化する創造的なテクニックにつながる可能性があります。センシング信号に最適な波形や、センシング帯域幅と通信帯域幅の理想的な比率について研究が続けられています。
設計上の考慮事項と課題
6 GHz 未満の信号の場合、通信信号の帯域幅を減らすことは非現実的です。これらの周波数では、屋外および屋内をカバーする広いエリアに到達するため、データ スループットを最大化することが引き続き優先事項となります。より高い帯域では、ギガヘルツ範囲の利用可能な帯域幅の合計が、その帯域幅の一部をセンシング信号に与えることで機能します。周波数に関係なく、センシング信号の解像度と通信信号のスループットの間には常にトレードオフが存在します。たとえば、レーダー チャープが感知信号である場合、1 cm の距離精度を得るには 15 GHz の帯域幅が必要です。アプリケーションによっては、このレベル以上の精度が必要な場合があります。したがって、センシング帯域幅と通信帯域幅の課題に対する「フリーサイズ」のソリューションはありそうにありません。柔軟なフレーム構造と再構成可能なヌメロロジーがそれに対処できる可能性があります。
図 2. TDD を使用して、送信機は異なる時間にセンシング信号と通信信号を送信し、それぞれが帯域幅全体を取得します。
次の 2 つの異なる波形構成の例を考えてみましょう。で 図2、信号の全帯域幅が交互フレームを使用したセンシングに使用されます。このタイムドメイン二重 (TDD) アプローチにより、高いセンシング分解能が得られます。残念ながら、範囲が限られています。
2 番目の構成では (図3）、狭帯域幅のセンシング信号は、OFDM 信号の未使用のサブキャリアに配置されます。この周波数分割二重 (FDD) アプローチにより、より長い検出範囲が可能になりますが、分解能は低くなります。どちらのアプローチも間違っているわけではありませんが、この例は、エンジニアが ISAC 波形の送信機と受信機を設計するときに考慮する必要がある一種のトレードオフを示しています。
図 3. FDD を使用すると、センシング信号と通信信号が同時に表示されますが、それぞれが占有する帯域幅は TDD よりも少なくなります。
周波数が高いと、利用可能な帯域幅に加えて、センシング上の利点もあります。高解像度レーダーの場合、K バンド (18 GHz ～ 26.5 GHz) および Ka バンド (26.5 GHz ～ 40 GHz) の大型アンテナが長年にわたって設置されてきました。この周波数の重複と、通信システムにおける大型アンテナ アレイの数の増加により、ICAS アプリケーションに既存のインフラストラクチャと機器を再利用できる可能性が開かれています。スペクトルの上位に目を向けると、77 GHz で動作する自動車レーダーが近年拡大しており、ワイヤレス ネットワークにセンシングを追加することで既存のインフラストラクチャを活用および再利用する新たな機会が提供されています。
テストと特性評価
エンジニアは、さまざまな周波数でのセンシング性能をより深く理解するためにテストが必要です。たとえば、異なる帯域幅の 24 GHz と 77 GHz でのセンシングを比較対照する必要があります。この種の情報はICASの商業化に役立ちます テクノロジー。さらに根本的には、いわゆる FR7 帯域の通信信号と組み合わせたセンシング信号がどのように機能するかを知るために、24 GHz から 3 GHz までの伝送チャネルをより深く理解する必要があります。 3GPP によって標準化された既存のチャネル モデルには、この使用例の詳細が不足しています。 NextG Alliance は現在、センシング アプリケーションのコンテキストでチャネルをよりよく理解できるように、サウンディング データを収集し、さまざまな周波数帯域を研究しています。
従来の通信チャネル モデルでは反射が考慮されていないため、感知されたオブジェクトの反射率を特徴付けるモデルが必要です。また、さまざまな信号高度を考慮したモデルも必要です。これは、地上の人々から飛行する無人航空機 (UAV) に至るまで、センシング対象を含む複雑な物理世界を表します。最後に、業界は、ICAS ユースケースにおけるターゲットの移動性と位置の変化を考慮した動的モデルと確率的モデルの使用についての議論を必要としています。
まとめ
目標がセンシングを通信インフラストラクチャに導入することである場合、通信業界はスペクトルの割り当てと、センシング専用に必要なネットワーク リソースの量を検討する必要があります。ネットワークからのリソースを最小限に抑え、センシングを最大限に高める必要があります。さらに、波形設計によりセンシングが容易になるため、新しい波形設計を検討する必要があります。最後に、この操作に最適な周波数を見つけるために、いくつかの周波数でテストする必要があります。従来、センシング測定は高ミリ波またはテラヘルツ周波数で行われてきました。これらの帯域内でセンシングの実現可能性を確立する必要があります。技術的な疑問はたくさんありますが、6G ネットワークにセンシングを追加することは、将来のネットワークをよりインテリジェントにし、多くの新しいアプリケーションを可能にする有望な機能です。
詳細は
ビデオ: 6G におけるセンシングと通信の統合に向けて、Nokia、https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY7hMI。
ビデオ: VTC2023-Spring 基調講演: Integrated Sensing and Communications: It was Meant to Be、ユニバーシティ カレッジ ロンドン、https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
統合センシングと通信: 実現する技術、アプリケーション、ツールとデータセット、標準化、および将来の方向性、国立衛生研究所、https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
6G ネットワークにおける共同通信とセンシング、エリクソン、https://www .ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
サラのバックグラウンドはマイクロ波とミリ波技術です。彼女はテキサス工科大学で電気工学の学士号を取得しています。
