การสื่อสารและการตรวจจับแบบบูรณาการที่ความถี่ mmWave และ sub-THz สามารถเพิ่มการตรวจจับตำแหน่งที่ช่วยหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุในหมู่คนเดินเท้า จักรยาน และยานพาหนะ
ด้วยการเปิดตัว 5G เชิงพาณิชย์ที่กำลังดำเนินการอยู่ ผู้ใช้จึงสามารถใช้ความสามารถของตนได้แล้ว ถึงกระนั้น อุตสาหกรรมโทรคมนาคมก็กำลังวางรากฐานสำหรับการสื่อสารเคลื่อนที่รุ่นต่อไป 6G จะใช้เทคโนโลยีมากมายเพื่อเชื่อมโยงโลกดิจิทัลและโลกกายภาพผ่านการเชื่อมต่อที่แพร่หลาย Integrated Communications and Sensing (ICAS) หรือที่เรียกว่า Joint Communications and Sensing (JCAS) ดูเหมือนจะกลายเป็นส่วนสำคัญของ 6G การตรวจจับภายในเครือข่ายมีจุดมุ่งหมายเพื่อใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายจำนวนมากที่มีอยู่แล้ว เพื่อให้การตรวจจับกลายเป็นยูทิลิตี้ "ฟรี" ที่สามารถปรับปรุงการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์และอุปกรณ์กับมนุษย์ได้
รูปที่ 1 ในแผนภาพแนวคิดนี้ การสื่อสารและสัญญาณการตรวจจับสามารถเดินทางระหว่างสถานีฐาน รถยนต์ และคนเดินเท้าได้
การรวมการสื่อสารเข้ากับการตรวจจับสามารถให้ประโยชน์เครือข่ายที่สำคัญได้ พิจารณาแผนภาพใน รูป 1 และกรณีการใช้งานระบบขับขี่อัตโนมัติ สัญญาณเรดาร์สามารถค้นหาตำแหน่งที่แม่นยำของวัตถุรอบๆ รถ ซึ่งสามารถแบ่งปันข้อมูลนี้กับรถยนต์ไร้คนขับคันอื่นๆ และเครือข่ายต่างๆ ได้ การผสมผสานระหว่างการตรวจจับและการสื่อสารช่วยให้ระบุตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ และช่วยให้เครือข่าย 6G สามารถตรวจสอบตำแหน่งได้
แนวคิดของ ICAS นั้นเรียบง่าย: ตรวจจับข้อมูลเกี่ยวกับโลกทางกายภาพโดยการเพิ่มสัญญาณการตรวจจับให้กับสัญญาณการสื่อสารแบบดั้งเดิม ตามทฤษฎีแล้ว สัญญาณการสื่อสารสามารถครอบครองส่วนหนึ่งของแบนด์วิธที่จัดสรรทั้งหมดได้ สัญญาณการตรวจจับ เช่น เสียงร้องเรดาร์หรือสัญญาณเสียง สามารถใช้แบนด์วิธที่เหลือที่จัดสรรได้ การรวมสัญญาณทั้งสองนี้เข้าไว้ในรูปคลื่นเดียวทำให้แอปพลิเคชันที่แตกต่างกันใช้เสาอากาศและฮาร์ดแวร์ตัวรับส่งสัญญาณร่วมกันในขณะที่ใช้สเปกตรัมชิ้นเดียวกัน สเปกตรัมและพื้นที่ทางกายภาพภายในอุปกรณ์ของผู้ใช้เป็นทรัพยากรที่มีจำกัดและสามารถนำไปสู่เทคนิคการสร้างสรรค์ที่ทำให้เกิดประโยชน์สูงสุดทั้งสองอย่าง การวิจัยยังคงดำเนินต่อไปในรูปคลื่นที่ทำงานได้ดีที่สุดสำหรับสัญญาณการตรวจจับ รวมถึงอัตราส่วนที่เหมาะสมของการตรวจจับกับแบนด์วิดท์การสื่อสาร
ข้อควรพิจารณาและความท้าทายในการออกแบบ
สำหรับสัญญาณที่ต่ำกว่า 6 GHz การลดแบนด์วิดท์ของสัญญาณการสื่อสารนั้นไม่สมจริง การเพิ่มปริมาณการรับส่งข้อมูลสูงสุดยังคงมีความสำคัญเป็นอันดับแรกที่ความถี่เหล่านี้ เนื่องจากความถี่เหล่านี้เข้าถึงพื้นที่กว้างโดยมีความครอบคลุมทั้งภายนอกและภายในอาคาร ที่แบนด์วิธที่สูงกว่า แบนด์วิดท์ทั้งหมดที่มีอยู่ในช่วงกิกะเฮิรตซ์ ซึ่งให้แบนด์วิธบางส่วนกับสัญญาณการตรวจจับจะทำงานได้ ไม่ว่าความถี่จะเป็นอย่างไร จะมีการเสียอย่างระหว่างความละเอียดของสัญญาณการตรวจจับและทรูพุตของสัญญาณการสื่อสารเสมอ ตัวอย่างเช่น หากเสียงร้องของเรดาร์เป็นสัญญาณการตรวจจับ ต้องใช้แบนด์วิดท์ 1 GHz เพื่อให้ได้ความแม่นยำของช่วง 15 ซม. แอปพลิเคชันบางตัวอาจต้องการความแม่นยำระดับนี้หรือเข้มงวดกว่านี้ ดังนั้นโซลูชัน "ขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคน" สำหรับความท้าทายด้านการตรวจจับและแบนด์วิธการสื่อสารจึงไม่น่าเป็นไปได้ โครงสร้างเฟรมที่ยืดหยุ่นและวิทยาตัวเลขที่กำหนดค่าใหม่ได้สามารถช่วยแก้ปัญหานี้ได้
รูปที่ 2 การใช้ TDD เครื่องส่งสัญญาณจะส่งสัญญาณการตรวจจับและการสื่อสารในเวลาที่ต่างกันโดยที่แต่ละเครื่องได้รับแบนด์วิธทั้งหมด
ลองพิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ของการกำหนดค่ารูปคลื่นที่แตกต่างกันสองแบบ ใน รูป 2จะใช้แบนด์วิธเต็มของสัญญาณในการตรวจจับโดยใช้เฟรมสลับกัน วิธีการดูเพล็กซ์โดเมนเวลา (TDD) นี้ให้ความละเอียดการตรวจจับสูง น่าเสียดายที่มันมีจำนวนจำกัด
ในการกำหนดค่าที่สอง (รูป 3) สัญญาณการตรวจจับแบนด์วิธที่แคบจะถูกวางไว้ในคลื่นพาหะย่อยที่ไม่ได้ใช้ของสัญญาณ OFDM วิธีการดูเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่ (FDD) นี้ช่วยให้มีช่วงการตรวจจับที่ยาวขึ้น แต่มีความละเอียดต่ำกว่า แนวทางทั้งสองไม่ผิด แต่ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นถึงข้อดีประการต่างๆ ที่วิศวกรจะต้องพิจารณาเมื่อออกแบบเครื่องส่งและเครื่องรับสำหรับรูปคลื่น ISAC
รูปที่ 3 การใช้ FDD สัญญาณการตรวจจับและการสื่อสารจะปรากฏขึ้นพร้อมกัน แต่แต่ละสัญญาณใช้แบนด์วิธน้อยกว่า TDD
ความถี่ที่สูงกว่ามีประโยชน์ในการตรวจจับนอกเหนือจากแบนด์วิธที่มีอยู่ สำหรับเรดาร์ความละเอียดสูง เสาอากาศขนาดใหญ่ในย่านความถี่ K (18 GHz ถึง 26.5 GHz) และ Ka-band (26.5 GHz ถึง 40 GHz) มีการใช้งานมาหลายปีแล้ว การทับซ้อนของความถี่นี้และจำนวนอาร์เรย์เสาอากาศขนาดใหญ่ที่เพิ่มขึ้นในระบบการสื่อสารเปิดศักยภาพของการนำโครงสร้างพื้นฐานและอุปกรณ์ที่มีอยู่กลับมาใช้ใหม่สำหรับแอปพลิเคชัน ICAS เมื่อพิจารณาจากสเปกตรัมที่สูงขึ้น เรดาร์ยานยนต์ที่ทำงานที่ 77 GHz ได้ขยายตัวในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มอบโอกาสในการใช้ประโยชน์และนำโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่กลับมาใช้ใหม่โดยการเพิ่มการตรวจจับไปยังเครือข่ายไร้สาย
การทดสอบและการกำหนดลักษณะ
วิศวกรจำเป็นต้องทำการทดสอบเพื่อทำความเข้าใจประสิทธิภาพการตรวจจับที่ความถี่ต่างๆ ให้ดียิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น เราจำเป็นต้องเปรียบเทียบและตรวจจับคอนทราสต์ที่ 24 GHz และ 77 GHz ด้วยแบนด์วิดท์ที่แตกต่างกัน ข้อมูลประเภทนี้จะช่วยในการทำ ICAS ในเชิงพาณิชย์ เทคโนโลยี- โดยพื้นฐานแล้ว เราต้องการความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับช่องสัญญาณส่งสัญญาณจาก 7 GHz ถึง 24 GHz เพื่อทราบว่าสัญญาณการตรวจจับที่รวมกับสัญญาณการสื่อสารในย่านความถี่ที่เรียกว่า FR3 จะทำงานอย่างไร โมเดลช่องทางที่มีอยู่ที่เป็นมาตรฐานโดย 3GPP ขาดรายละเอียดสำหรับกรณีการใช้งานนี้ ขณะนี้ NextG Alliance กำลังรวบรวมข้อมูลที่มีเสียงและค้นคว้าคลื่นความถี่ต่างๆ เพื่อให้เราเข้าใจช่องสัญญาณในบริบทของแอปพลิเคชันการตรวจจับได้ดียิ่งขึ้น
เราต้องการแบบจำลองที่แสดงลักษณะการสะท้อนของวัตถุที่สัมผัสได้ เนื่องจากโมเดลช่องทางการสื่อสารแบบเดิมๆ ไม่ได้คำนึงถึงการสะท้อนกลับด้วย นอกจากนี้เรายังต้องการแบบจำลองที่คำนึงถึงความสูงของสัญญาณที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นตัวแทนของโลกทางกายภาพที่ซับซ้อนโดยมีเป้าหมายการตรวจจับตั้งแต่ผู้คนภาคพื้นดินไปจนถึงการบินอากาศยานไร้คนขับ (UAV) สุดท้ายนี้ อุตสาหกรรมต้องการการอภิปรายเกี่ยวกับการใช้แบบจำลองไดนามิกกับแบบจำลองสุ่มเพื่อพิจารณาความคล่องตัวและการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของเป้าหมายในกรณีการใช้งาน ICAS
สรุป
หากเป้าหมายคือการนำการตรวจจับมาสู่โครงสร้างพื้นฐานการสื่อสาร อุตสาหกรรมการสื่อสารจะต้องสำรวจการจัดสรรคลื่นความถี่และจำนวนทรัพยากรเครือข่ายที่ต้องใช้เพื่อการตรวจจับโดยเฉพาะ เราจำเป็นต้องลดทรัพยากรจากเครือข่ายให้เหลือน้อยที่สุดและเพิ่มการตรวจจับให้สูงสุด นอกจากนี้ เราต้องพิจารณาการออกแบบรูปคลื่นแบบใหม่ เนื่องจากการออกแบบรูปคลื่นสามารถช่วยให้ตรวจจับได้ง่าย สุดท้ายนี้ เราจำเป็นต้องทำการทดสอบที่ความถี่ต่างๆ เพื่อค้นหาความถี่ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการดำเนินการนี้ โดยทั่วไป การวัดการตรวจจับจะเกิดขึ้นที่ mmWave สูงหรือที่ความถี่เทราเฮิร์ตซ์ เราจำเป็นต้องสร้างความเป็นไปได้ภายในแถบความถี่เหล่านี้เพื่อการตรวจจับ แม้ว่าเราจะมีคำถามทางเทคนิคมากมาย แต่การเพิ่มการตรวจจับให้กับเครือข่าย 6G ถือเป็นคุณสมบัติที่น่าหวังซึ่งจะทำให้เครือข่ายในอนาคตมีความชาญฉลาดมากขึ้น และเปิดใช้งานโฮสต์ของแอปพลิเคชันใหม่ๆ
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม
วิดีโอ: ก้าวไปสู่การตรวจจับและการสื่อสารแบบผสานรวมใน 6G, Nokia, https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY7hMI
วิดีโอ: VTC2023-Spring Keynote: Integrated Sensing and Communications: It was Meant to Be, University College London, https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
การตรวจจับและการสื่อสารแบบบูรณาการ: เทคนิคการเปิดใช้งาน แอปพลิเคชัน เครื่องมือ และชุดข้อมูล การกำหนดมาตรฐาน และทิศทางในอนาคต สถาบันสุขภาพแห่งชาติ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
การสื่อสารและการตรวจจับร่วมในเครือข่าย 6G, Ericcson, https://www .ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
พื้นหลังของ Sarah อยู่ในเทคโนโลยีไมโครเวฟและคลื่นมิลลิเมตร เธอสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าจาก Texas Tech University
