Comunicações integradas e detecção em frequências mmWave e sub-THz poderiam adicionar detecção de localização que ajuda a evitar acidentes entre pedestres, bicicletas e veículos.
Com o lançamento comercial do 5G em andamento, os usuários agora podem usar seus recursos. Mesmo assim, a indústria das telecomunicações está a lançar as bases para a próxima geração de comunicações celulares. O 6G utilizará muitas tecnologias para unir os mundos digital e físico através de conectividade onipresente. Comunicações e Detecção Integradas (ICAS) – também chamadas de Comunicações e Detecção Conjuntas (JCAS) – parecem tornar-se uma parte central do 6G. A detecção dentro da rede visa aproveitar a grande quantidade de infraestrutura de rede já instalada para que a detecção possa ser um utilitário “gratuito” que pode melhorar a conectividade entre dispositivos e entre dispositivos e humanos.
Figura 1. Neste diagrama conceitual, os sinais de comunicação e detecção podem viajar entre uma estação base, carros e pedestres.
Combinar a comunicação com a detecção pode proporcionar um benefício significativo para a rede. Considere o diagrama em Figura 1 e o caso de uso de direção autônoma. Um sinal de radar pode encontrar a localização precisa de objetos ao redor do carro, que pode compartilhar essas informações com outros veículos autônomos, bem como com redes. A combinação de detecção e comunicação fornece posicionamento preciso e permite que uma rede 6G forneça monitoramento espacial.
A ideia do ICAS é simples: detectar dados sobre o mundo físico adicionando sinais de detecção aos sinais de comunicação tradicionais. Em teoria, os sinais de comunicação podem ocupar parte da largura de banda total alocada. Um sinal de detecção, como um sinal sonoro de radar ou um sinal sonoro, pode ocupar o restante da largura de banda alocada. A combinação desses dois sinais em uma forma de onda permite que diferentes aplicações compartilhem antenas e hardware de transceptor enquanto ocupam a mesma fatia do espectro. O espectro e o espaço físico dentro do equipamento do usuário são recursos finitos e podem levar a técnicas criativas que maximizam ambos. A pesquisa continua em formas de onda que funcionam melhor para o sinal de detecção, bem como para a proporção ideal de detecção versus largura de banda de comunicação.
Considerações e desafios de design
Para sinais abaixo de 6 GHz, reduzir a largura de banda do sinal de comunicação não é realista. Maximizar a taxa de transferência de dados continua sendo uma prioridade nessas frequências porque elas alcançam uma ampla área com cobertura interna e externa. Em bandas mais altas, a largura de banda total disponível na faixa de gigahertz, fornecendo parte dessa largura de banda a um sinal de detecção, funcionará. Independentemente da frequência, sempre existirá uma compensação entre a resolução do sinal de detecção e a taxa de transferência do sinal de comunicação. Por exemplo, se um sinal de radar for o sinal de detecção, será necessário 1 GHz de largura de banda para obter 15 cm de precisão de alcance. Algumas aplicações podem exigir esse nível de precisão ou mais rigoroso. Portanto, é improvável uma solução “tamanho único” para o desafio de detecção versus largura de banda de comunicação. Uma estrutura flexível e uma numerologia reconfigurável poderiam resolver isso.
Figura 2. Usando TDD, um transmissor envia sinais de detecção e comunicação em momentos diferentes, onde cada um obtém toda a largura de banda.
Considere o seguinte exemplo de duas configurações de formas de onda diferentes. Em Figura 2, toda a largura de banda do sinal é usada para detecção usando quadros alternados. Esta abordagem duplex no domínio do tempo (TDD) oferece alta resolução de detecção. Infelizmente, tem um alcance limitado.
Na segunda configuração (Figura 3), um sinal de detecção de largura de banda estreita é colocado em subportadoras não utilizadas de um sinal OFDM. Esta abordagem duplex por divisão de frequência (FDD) permite um alcance de detecção mais longo, mas com resolução mais baixa. Nenhuma das abordagens está errada, mas este exemplo mostra os tipos de compensações que os engenheiros precisarão considerar ao projetar transmissores e receptores para formas de onda ISAC.
Figura 3. Usando FDD, os sinais de detecção e comunicação aparecem simultaneamente, mas cada um ocupa menos largura de banda do que com TDD.
Frequências mais altas trazem benefícios de detecção além da largura de banda disponível. Para radares de alta resolução, grandes antenas na banda K (18 GHz a 26.5 GHz) e na banda Ka (26.5 GHz a 40 GHz) já existem há muitos anos. Esta sobreposição de frequências e o número crescente de conjuntos de antenas maiores em sistemas de comunicações abrem o potencial de reutilização da infra-estrutura e dos equipamentos existentes para aplicações ICAS. Olhando mais acima no espectro, o radar automotivo operando a 77 GHz expandiu-se nos últimos anos, proporcionando outra oportunidade de aproveitar e reutilizar a infraestrutura existente, adicionando detecção às redes sem fio.
Teste e caracterização
Os engenheiros precisam de testes para compreender melhor o desempenho da detecção em diferentes frequências. Por exemplo, precisamos comparar e contrastar a detecção em 24 GHz e 77 GHz com diferentes larguras de banda. Este tipo de informação ajudará a comercializar o ICAS tecnologia. Ainda mais fundamentalmente, precisamos de uma melhor compreensão do canal de transmissão de 7 GHz a 24 GHz para saber como será o desempenho dos sinais de detecção combinados com sinais de comunicação na chamada banda FR3. Os modelos de canais existentes padronizados pelo 3GPP carecem de detalhes para este caso de uso. A NextG Alliance está atualmente reunindo dados de sondagem e pesquisando diferentes bandas de frequência para que possamos compreender melhor o canal no contexto de aplicações de detecção.
Precisamos de modelos que caracterizem a refletividade do objeto detectado porque os modelos tradicionais de canais de comunicação não levam em conta a reflexão. Também precisamos de modelos que considerem diferentes altitudes de sinal, que representem o complexo mundo físico com detecção de alvos que vão desde pessoas no solo até veículos aéreos não tripulados (UAVs) voadores. Finalmente, a indústria precisa de uma discussão sobre o uso de modelos dinâmicos versus modelos estocásticos para levar em conta a mobilidade e a mudança de posição dos alvos em um caso de uso do ICAS.
Conclusão
Se o objectivo é trazer a detecção para a infra-estrutura de comunicações, a indústria das comunicações deve explorar a atribuição de espectro e a quantidade de recursos de rede que precisam de ser dedicados à detecção. Precisamos minimizar os recursos da rede e maximizar a detecção. Além disso, devemos considerar novos designs de formas de onda porque o design de formas de onda pode facilitar a detecção. Finalmente, precisamos testar em diversas frequências para encontrar a frequência ideal para esta operação. Tradicionalmente, as medições de detecção ocorrem em altas ondas mm ou em frequências terahertz. Precisamos estabelecer a viabilidade dentro dessas faixas para detecção. Embora tenhamos muitas questões técnicas, adicionar detecção às redes 6G é um recurso promissor que tornará as redes futuras mais inteligentes e permitirá uma série de novas aplicações.
Para mais informações
Vídeo: Rumo à detecção e comunicações integradas em 6G, Nokia, https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY7hMI.
Vídeo: Palestra VTC2023-Spring: Sensoriamento e comunicações integrados: era para ser, University College London, https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
Sensoriamento e comunicação integrados: habilitando técnicas, aplicativos, ferramentas e conjuntos de dados, padronização e direções futuras, Instituto Nacional de Saúde, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
Comunicação e detecção conjunta em redes 6G, Ericcson, https://www.ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
A formação de Sarah é em tecnologia de microondas e ondas milimétricas. Ela é formada em engenharia elétrica pela Texas Tech University.
