Geïntegreerde communicatie en detectie op mmWave- en sub-THz-frequenties kunnen locatiedetectie toevoegen die ongelukken tussen voetgangers, fietsen en voertuigen helpt voorkomen.
Nu de commerciële uitrol van 5G in volle gang is, kunnen gebruikers nu de mogelijkheden ervan gebruiken. Toch legt de telecomsector de basis voor de volgende generatie mobiele communicatie. 6G zal veel technologieën gebruiken om een brug te slaan tussen de digitale en de fysieke wereld via alomtegenwoordige connectiviteit. Integrated Communications and Sensing (ICAS) – ook wel Joint Communications and Sensing (JCAS) genoemd – lijkt een kernonderdeel van 6G te worden. Sensing binnen het netwerk heeft tot doel gebruik te maken van de grote hoeveelheid netwerkinfrastructuur die al aanwezig is, zodat detectie een ‘gratis’ hulpprogramma kan worden dat de connectiviteit tussen apparaten en apparaten kan verbeteren.
Figuur 1. In dit conceptuele diagram kunnen communicatie- en detectiesignalen zich verplaatsen tussen een basisstation, auto's en voetgangers.
Het combineren van communicatie met detectie kan een aanzienlijk netwerkvoordeel opleveren. Beschouw het diagram in Figuur 1 en de use case voor autonoom rijden. Een radarsignaal kan de exacte locatie van objecten rond de auto vinden, die deze informatie kan delen met andere autonome voertuigen en netwerken. De combinatie van detectie en communicatie zorgt voor nauwkeurige positionering en zorgt ervoor dat een 6G-netwerk ruimtelijke monitoring kan leveren.
Het idee van ICAS is simpel: gegevens over de fysieke wereld detecteren door detectiesignalen toe te voegen aan traditionele communicatiesignalen. In theorie kunnen communicatiesignalen een deel van de totale toegewezen bandbreedte in beslag nemen. Een detectiesignaal, zoals een radartjilp of een geluidssignaal, kan de rest van de toegewezen bandbreedte in beslag nemen. Door deze twee signalen in één golfvorm te combineren, kunnen verschillende toepassingen antennes en zendontvangerhardware delen terwijl ze hetzelfde spectrumsegment bezetten. Spectrum en fysieke ruimte in gebruikersapparatuur zijn beide eindige hulpbronnen en kunnen leiden tot creatieve technieken die beide maximaliseren. Er wordt onderzoek gedaan naar golfvormen die het beste werken voor het detectiesignaal en voor de ideale verhouding tussen detectie en communicatiebandbreedte.
Ontwerpoverwegingen en uitdagingen
Voor signalen onder 6 GHz is het verminderen van de bandbreedte van het communicatiesignaal onrealistisch. Het maximaliseren van de datadoorvoer blijft een prioriteit bij deze frequenties, omdat ze een breed gebied bereiken met zowel binnen- als buitendekking. Op hogere banden zal de totale beschikbare bandbreedte in het gigahertz-bereik werken, waarbij een deel van die bandbreedte aan een detectiesignaal wordt gegeven. Ongeacht de frequentie zal er altijd een afweging bestaan tussen de resolutie van een detectiesignaal en de doorvoercapaciteit van het communicatiesignaal. Als bijvoorbeeld een radarpiep het detectiesignaal is, is 1 GHz bandbreedte vereist om een bereiknauwkeurigheid van 15 cm te verkrijgen. Sommige toepassingen vereisen mogelijk dit nauwkeurigheidsniveau of zelfs nog strenger. Een ‘one size fits all’-oplossing voor de uitdaging van detectie- versus communicatiebandbreedte is dus onwaarschijnlijk. Een flexibele framestructuur en herconfigureerbare numerologie zouden dit kunnen aanpakken.
Figuur 2. Met behulp van TDD verzendt een zender detectie- en communicatiesignalen op verschillende tijdstippen, waarbij elk de volledige bandbreedte krijgt.
Bekijk het volgende voorbeeld van twee verschillende golfvormconfiguraties. In Figuur 2, wordt de volledige bandbreedte van het signaal gebruikt voor detectie door gebruik te maken van afwisselende frames. Deze time-domain duplex (TDD)-benadering levert een hoge detectieresolutie op. Helaas heeft het een beperkt bereik.
In de tweede configuratie (Figuur 3), wordt een detectiesignaal met een smalle bandbreedte in ongebruikte subdraaggolven van een OFDM-signaal geplaatst. Deze frequentieverdelingsduplex (FDD)-benadering maakt een groter detectiebereik mogelijk, maar met een lagere resolutie. Geen van beide benaderingen is verkeerd, maar dit voorbeeld laat zien met welke afwegingen ingenieurs rekening moeten houden bij het ontwerpen van zenders en ontvangers voor ISAC-golfvormen.
Figuur 3. Bij gebruik van FDD verschijnen detectie- en communicatiesignalen tegelijkertijd, maar nemen beide minder bandbreedte in beslag dan bij TDD.
Hogere frequenties hebben naast de beschikbare bandbreedte ook detectievoordelen. Voor radar met hoge resolutie bestaan er al jaren grote antennes in de K-band (18 GHz tot 26.5 GHz) en Ka-band (26.5 GHz tot 40 GHz). Deze overlap in frequenties en het groeiende aantal grotere antenne-arrays in communicatiesystemen openen de mogelijkheid om bestaande infrastructuur en apparatuur te hergebruiken voor ICAS-toepassingen. Hoger in het spectrum kijkend, is de autoradar die op 77 GHz werkt de afgelopen jaren uitgebreid, wat een nieuwe mogelijkheid biedt om bestaande infrastructuur te benutten en te hergebruiken door detectie aan draadloze netwerken toe te voegen.
Testen en karakteriseren
Ingenieurs hebben tests nodig om de detectieprestaties op verschillende frequenties beter te begrijpen. We moeten bijvoorbeeld de detectie op 24 GHz en 77 GHz met verschillende bandbreedtes vergelijken en contrasteren. Dit soort informatie zal ICAS helpen commercialiseren technologie. Nog fundamenteler is dat we een beter begrip nodig hebben van het transmissiekanaal van 7 GHz tot 24 GHz om te weten hoe detectiesignalen gecombineerd met communicatiesignalen in de zogenaamde FR3-band zullen presteren. De bestaande kanaalmodellen, gestandaardiseerd door 3GPP, missen details voor dit gebruiksscenario. De NextG Alliance verzamelt momenteel geluidsgegevens en onderzoekt verschillende frequentiebanden, zodat we het kanaal beter kunnen begrijpen in de context van detectietoepassingen.
We hebben modellen nodig die de reflectiviteit van het waargenomen object karakteriseren, omdat traditionele communicatiekanaalmodellen geen rekening houden met reflectie. We hebben ook modellen nodig die rekening houden met verschillende signaalhoogten, die de complexe fysieke wereld vertegenwoordigen met detectiedoelen variërend van mensen op de grond tot vliegende onbemande luchtvaartuigen (UAV's). Ten slotte heeft de industrie behoefte aan een discussie over het gebruik van dynamische versus stochastische modellen om rekening te houden met mobiliteit en veranderende posities van doelen in een ICAS-gebruiksscenario.
Conclusie
Als het doel is om detectie in de communicatie-infrastructuur te brengen, moet de communicatie-industrie de spectrumtoewijzing onderzoeken en de hoeveelheid netwerkbronnen die aan detectie moeten worden toegewezen. We moeten de bronnen van het netwerk minimaliseren en de detectie maximaliseren. Bovendien moeten we nieuwe golfvormontwerpen overwegen, omdat golfvormontwerp kan bijdragen aan het gemak van detectie. Ten slotte moeten we op verschillende frequenties testen om de optimale frequentie voor deze operatie te vinden. Traditioneel vinden detectiemetingen plaats bij hoge mmWave- of terahertz-frequenties. We moeten de haalbaarheid binnen deze banden voor detectie vaststellen. Hoewel we met veel technische vragen zitten, is het toevoegen van detectie aan 6G-netwerken een veelbelovende functie die toekomstige netwerken intelligenter zal maken en een groot aantal nieuwe toepassingen mogelijk zal maken.
Voor meer informatie
Video: Op weg naar geïntegreerde detectie en communicatie 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
Integrated Sensing and Communication: Enabling Techniques, Applications, Tools and Data Sets, Standardization, and Future Directions, National Institute of Health, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
Gezamenlijke communicatie en detectie in 6G-netwerken, Ericcson, https://www .ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
Sarah's achtergrond ligt in de microgolf- en millimetergolftechnologie. Ze heeft een BS in elektrotechniek van de Texas Tech University.
