Интегрированные средства связи и датчики на частотах миллиметрового диапазона и субТГц могут добавить определение местоположения, что поможет избежать несчастных случаев среди пешеходов, велосипедистов и транспортных средств.
Коммерческое внедрение 5G уже идет полным ходом, и теперь пользователи могут использовать его возможности. Несмотря на это, телекоммуникационная отрасль закладывает основу для следующего поколения сотовой связи. 6G будет использовать множество технологий, чтобы соединить цифровой и физический миры посредством повсеместного подключения. Интегрированная связь и зондирование (ICAS), также называемая совместной связью и зондированием (JCAS), похоже, станет основной частью 6G. Зондирование внутри сети направлено на использование большого объема уже существующей сетевой инфраструктуры, поэтому зондирование может стать «бесплатной» утилитой, которая может улучшить связь между устройствами и между устройствами и людьми.
Рисунок 1. На этой концептуальной схеме сигналы связи и датчиков могут передаваться между базовой станцией, автомобилями и пешеходами.
Сочетание связи с зондированием может обеспечить значительную сетевую выгоду. Рассмотрите диаграмму в Рисунок 1 и вариант использования автономного вождения. Радарный сигнал может определить точное местоположение объектов вокруг автомобиля, а затем передать эту информацию другим автономным транспортным средствам, а также сетям. Сочетание датчиков и связи обеспечивает точное позиционирование и позволяет сети 6G осуществлять пространственный мониторинг.
Идея ICAS проста: обнаруживать данные о физическом мире, добавляя сенсорные сигналы к традиционным сигналам связи. Теоретически сигналы связи могут занимать часть общей выделенной полосы пропускания. Сигнал зондирования, такой как радиолокационный сигнал или зондирующий сигнал, может занимать остальную часть выделенной полосы пропускания. Объединение этих двух сигналов в один сигнал позволяет различным приложениям совместно использовать антенны и оборудование приемопередатчика, занимая при этом один и тот же участок спектра. Спектр и физическое пространство внутри пользовательского оборудования являются ограниченными ресурсами и могут привести к творческим методам, которые максимизируют оба. Продолжаются исследования форм сигналов, которые лучше всего подходят для сенсорного сигнала, а также для идеального соотношения полосы пропускания зондирования и связи.
Соображения и проблемы проектирования
Для сигналов ниже 6 ГГц уменьшить полосу пропускания сигнала связи нереально. Максимизация пропускной способности данных остается приоритетом на этих частотах, поскольку они охватывают широкую территорию с покрытием как снаружи, так и внутри помещений. На более высоких диапазонах будет работать общая доступная полоса пропускания в гигагерцовом диапазоне, отдавая часть этой полосы пропусканию сенсорному сигналу. Независимо от частоты всегда будет существовать компромисс между разрешением сенсорного сигнала и пропускной способностью сигнала связи. Например, если сигналом зондирования является радиолокационный импульс, то для достижения точности дальности 1 см потребуется полоса пропускания 15 ГГц. Для некоторых приложений может потребоваться такой или более высокий уровень точности. Таким образом, решение проблемы «зондирования» и «ширины связи» по принципу «один размер подойдет всем» маловероятно. Гибкая структура фрейма и реконфигурируемая нумерология могут решить эту проблему.
Рисунок 2. Используя TDD, передатчик отправляет сигналы зондирования и связи в разное время, при этом каждый из них получает всю полосу пропускания.
Рассмотрим следующий пример двух различных конфигураций сигналов. В Рисунок 2, вся полоса пропускания сигнала используется для обнаружения с использованием чередующихся кадров. Этот дуплексный подход во временной области (TDD) обеспечивает высокое разрешение измерений. К сожалению, он имеет ограниченный диапазон.
Во второй конфигурации (Рисунок 3), сигнал обнаружения с узкой полосой пропускания помещается в неиспользуемые поднесущие сигнала OFDM. Этот подход дуплексной связи с частотным разделением каналов (FDD) обеспечивает больший диапазон измерения, но с более низким разрешением. Ни один из подходов не является неправильным, но этот пример показывает виды компромиссов, которые инженерам придется учитывать при проектировании передатчиков и приемников для сигналов ISAC.
Рисунок 3. При использовании FDD сигналы обнаружения и связи появляются одновременно, но каждый из них занимает меньшую полосу пропускания, чем при TDD.
Более высокие частоты имеют преимущества в восприятии в дополнение к доступной полосе пропускания. Для радаров высокого разрешения уже много лет используются большие антенны в K-диапазоне (от 18 до 26.5 ГГц) и Ka-диапазоне (от 26.5 до 40 ГГц). Такое перекрытие частот и растущее число более крупных антенных решеток в системах связи открывают потенциал повторного использования существующей инфраструктуры и оборудования для приложений ICAS. Автомобильный радар, работающий на частоте 77 ГГц, расширился в последние годы, предоставив еще одну возможность использовать и повторно использовать существующую инфраструктуру путем добавления датчиков к беспроводным сетям.
Тестирование и характеристика
Инженерам необходимо тестирование, чтобы лучше понять эффективность чувствительности на разных частотах. Например, нам нужно сравнить и противопоставить распознавание на частотах 24 ГГц и 77 ГГц с разными полосами пропускания. Такая информация поможет коммерциализировать ICAS. technology. Еще более фундаментально нам необходимо лучше понять канал передачи от 7 ГГц до 24 ГГц, чтобы знать, как будут работать сигналы зондирования в сочетании с сигналами связи в так называемом диапазоне FR3. Существующие модели каналов, стандартизированные 3GPP, не содержат подробностей для этого варианта использования. Альянс NextG в настоящее время собирает данные зондирования и исследует различные диапазоны частот, чтобы мы могли лучше понять канал в контексте приложений зондирования.
Нам нужны модели, характеризующие отражательную способность воспринимаемого объекта, поскольку традиционные модели каналов связи не учитывают отражение. Нам также нужны модели, учитывающие различные высоты сигнала, которые представляют сложный физический мир с объектами зондирования, начиная от людей на земле и заканчивая летающими беспилотными летательными аппаратами (БПЛА). Наконец, отрасли необходимо обсуждение использования динамических и стохастических моделей для учета мобильности и изменения положения целей в сценарии использования ICAS.
Заключение
Если цель состоит в том, чтобы внедрить датчики в инфраструктуру связи, отрасль связи должна изучить распределение спектра и объем сетевых ресурсов, которые необходимо выделить для обнаружения. Нам необходимо минимизировать ресурсы сети и максимизировать чувствительность. Кроме того, мы должны рассмотреть возможность создания новых форм сигналов, поскольку они могут облегчить считывание. Наконец, нам необходимо тестирование на нескольких частотах, чтобы найти оптимальную частоту для этой операции. Традиционно сенсорные измерения проводятся на высоких миллиметровых или терагерцовых частотах. Нам необходимо установить осуществимость зондирования в этих диапазонах. Хотя у нас есть много технических вопросов, добавление датчиков в сети 6G является многообещающей функцией, которая сделает будущие сети более интеллектуальными и позволит реализовать множество новых приложений.
Чтобы узнать больше
Видео: Переход к интегрированному зондированию и коммуникации в 6G, Nokia, https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY7hMI.
Видео: Весенний доклад VTC2023: Интегрированное зондирование и коммуникация: так и было задумано, Университетский колледж Лондона, https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
Интегрированное зондирование и коммуникация: эффективные методы, приложения, инструменты и наборы данных, стандартизация и будущие направления, Национальный институт здравоохранения, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
Совместная связь и зондирование в сетях 6G, Ericcson, https://www.ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
Сара имеет опыт работы в области микроволновых и миллиметровых волн. Она имеет степень бакалавра электротехники Техасского технологического университета.
