Truyền thông và cảm biến tích hợp ở tần số mmWave và sub-THz có thể bổ sung tính năng phát hiện vị trí giúp tránh tai nạn giữa người đi bộ, xe đạp và phương tiện giao thông.
Với việc triển khai thương mại 5G đang được tiến hành tốt, giờ đây người dùng có thể sử dụng các khả năng của nó. Mặc dù vậy, ngành viễn thông đang đặt nền móng cho thế hệ truyền thông di động tiếp theo. 6G sẽ sử dụng nhiều công nghệ để kết nối thế giới vật lý và kỹ thuật số thông qua kết nối khắp nơi. Truyền thông và Cảm biến Tích hợp (ICAS) – còn được gọi là Truyền thông và Cảm biến chung (JCAS) – có vẻ sẽ trở thành một phần cốt lõi của 6G. Cảm biến trong mạng nhằm mục đích tận dụng số lượng lớn cơ sở hạ tầng mạng đã có sẵn để cảm biến có thể trở thành một tiện ích “miễn phí” có thể cải thiện khả năng kết nối giữa thiết bị với thiết bị và giữa thiết bị với con người.
Hình 1. Trong sơ đồ khái niệm này, tín hiệu liên lạc và cảm biến có thể truyền giữa trạm gốc, ô tô và người đi bộ.
Kết hợp truyền thông với cảm biến có thể mang lại lợi ích mạng đáng kể. Xét sơ đồ trong Hình 1 và trường hợp sử dụng lái xe tự động. Tín hiệu radar có thể tìm thấy vị trí chính xác của các vật thể xung quanh xe, tín hiệu này có thể chia sẻ thông tin này với các phương tiện tự hành khác cũng như mạng lưới. Sự kết hợp giữa cảm biến và truyền thông mang lại khả năng định vị chính xác và cho phép mạng 6G thực hiện giám sát không gian.
Ý tưởng của ICAS rất đơn giản: phát hiện dữ liệu về thế giới vật chất bằng cách thêm tín hiệu cảm biến vào tín hiệu truyền thông truyền thống. Về lý thuyết, tín hiệu truyền thông có thể chiếm một phần tổng băng thông được phân bổ. Tín hiệu cảm biến, chẳng hạn như tiếng kêu của radar hoặc tín hiệu âm thanh, có thể chiếm phần còn lại của băng thông được phân bổ. Việc kết hợp hai tín hiệu này thành một dạng sóng cho phép các ứng dụng khác nhau chia sẻ ăng-ten và phần cứng bộ thu phát trong khi chiếm cùng một lát phổ. Quang phổ và không gian vật lý bên trong thiết bị người dùng đều là tài nguyên hữu hạn và có thể dẫn đến các kỹ thuật sáng tạo giúp tối đa hóa cả hai. Nghiên cứu tiếp tục hướng tới các dạng sóng hoạt động tốt nhất cho tín hiệu cảm biến cũng như tỷ lệ lý tưởng giữa cảm biến và băng thông truyền thông.
Những cân nhắc và thách thức trong thiết kế
Đối với tín hiệu dưới 6 GHz, việc giảm băng thông của tín hiệu liên lạc là không thực tế. Tối đa hóa thông lượng dữ liệu vẫn là ưu tiên hàng đầu ở các tần số này vì chúng tiếp cận một khu vực rộng lớn với vùng phủ sóng ngoài trời và trong nhà. Ở các băng tần cao hơn, tổng băng thông khả dụng trong phạm vi gigahertz, việc cung cấp một phần băng thông đó cho tín hiệu cảm biến sẽ hoạt động. Bất kể tần số là gì, sự cân bằng sẽ luôn tồn tại giữa độ phân giải của tín hiệu cảm biến và thông lượng của tín hiệu liên lạc. Ví dụ: nếu tiếng kêu của radar là tín hiệu cảm biến thì cần có băng thông 1 GHz để có được độ chính xác trong phạm vi 15 cm. Một số ứng dụng có thể yêu cầu mức độ chính xác này hoặc chặt chẽ hơn. Do đó, khó có thể có một giải pháp “một kích thước phù hợp cho tất cả” đối với thách thức về băng thông cảm biến và truyền thông. Cấu trúc khung linh hoạt và số học có thể cấu hình lại có thể giải quyết được vấn đề này.
Hình 2. Sử dụng TDD, máy phát gửi tín hiệu cảm biến và tín hiệu liên lạc vào những thời điểm khác nhau trong đó mỗi tín hiệu nhận được toàn bộ băng thông.
Hãy xem xét ví dụ sau đây về hai cấu hình dạng sóng khác nhau. TRONG Hình 2, toàn bộ băng thông của tín hiệu được sử dụng để cảm nhận bằng cách sử dụng các khung xen kẽ. Phương pháp song công trong miền thời gian (TDD) này mang lại độ phân giải cảm biến cao. Thật không may, nó có phạm vi hạn chế.
Trong cấu hình thứ hai (Hình 3), tín hiệu cảm biến băng thông hẹp được đặt trong các sóng mang con không được sử dụng của tín hiệu OFDM. Phương pháp song công phân chia tần số (FDD) này cho phép phạm vi cảm biến dài hơn nhưng độ phân giải thấp hơn. Cả hai cách tiếp cận đều không sai, nhưng ví dụ này cho thấy những loại cân bằng mà các kỹ sư sẽ cần cân nhắc khi thiết kế máy phát và máy thu cho dạng sóng ISAC.
Hình 3. Sử dụng FDD, tín hiệu cảm biến và tín hiệu liên lạc xuất hiện đồng thời, nhưng mỗi tín hiệu chiếm ít băng thông hơn so với TDD.
Tần số cao hơn có lợi ích về cảm biến ngoài băng thông sẵn có. Đối với radar có độ phân giải cao, ăng-ten lớn ở băng tần K (18 GHz đến 26.5 GHz) và băng tần Ka (26.5 GHz đến 40 GHz) đã được áp dụng trong nhiều năm. Sự chồng chéo về tần số này và số lượng mảng ăng-ten lớn hơn ngày càng tăng trong các hệ thống thông tin liên lạc mở ra tiềm năng tái sử dụng cơ sở hạ tầng và thiết bị hiện có cho các ứng dụng ICAS. Nhìn xa hơn trong phổ tần, radar ô tô hoạt động ở tần số 77 GHz đã được mở rộng trong những năm gần đây, mang đến một cơ hội khác để tận dụng và tái sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có bằng cách bổ sung cảm biến vào mạng không dây.
Thử nghiệm và mô tả đặc tính
Các kỹ sư cần thử nghiệm để hiểu rõ hơn về hiệu suất cảm biến ở các tần số khác nhau. Ví dụ: chúng ta cần so sánh và cảm nhận độ tương phản ở tần số 24 GHz và 77 GHz với các băng thông khác nhau. Loại thông tin này sẽ giúp thương mại hóa ICAS công nghệ. Cơ bản hơn nữa, chúng ta cần hiểu rõ hơn về kênh truyền từ 7 GHz đến 24 GHz để biết tín hiệu cảm biến kết hợp với tín hiệu liên lạc trong băng tần được gọi là FR3 sẽ hoạt động như thế nào. Các mô hình kênh hiện có được chuẩn hóa bởi 3GPP thiếu chi tiết cho trường hợp sử dụng này. Liên minh NextG hiện đang thu thập dữ liệu âm thanh và nghiên cứu các dải tần khác nhau để chúng ta có thể hiểu rõ hơn về kênh trong bối cảnh ứng dụng cảm biến.
Chúng ta cần các mô hình đặc trưng cho độ phản xạ của đối tượng được cảm nhận vì các mô hình kênh truyền thông truyền thống không tính đến sự phản xạ. Chúng ta cũng cần các mô hình giải thích các độ cao tín hiệu khác nhau, đại diện cho thế giới vật lý phức tạp với các mục tiêu cảm biến từ con người trên mặt đất đến máy bay không người lái (UAV). Cuối cùng, ngành cần thảo luận xung quanh việc sử dụng mô hình động và mô hình ngẫu nhiên để tính đến tính di động và thay đổi vị trí của mục tiêu trong trường hợp sử dụng ICAS.
Kết luận
Nếu mục tiêu là đưa cảm biến vào cơ sở hạ tầng truyền thông, ngành truyền thông phải khám phá việc phân bổ phổ tần và lượng tài nguyên mạng cần dành riêng cho cảm biến. Chúng ta cần giảm thiểu tài nguyên từ mạng và tối đa hóa cảm biến. Hơn nữa, chúng ta phải xem xét các thiết kế dạng sóng mới vì thiết kế dạng sóng có thể mang lại sự dễ dàng cho việc cảm nhận. Cuối cùng, chúng ta cần thử nghiệm ở một số tần số để tìm ra tần số tối ưu cho hoạt động này. Theo truyền thống, các phép đo cảm biến xảy ra ở tần số mmWave cao hoặc ở tần số terahertz. Chúng ta cần thiết lập tính khả thi trong các dải này để cảm nhận. Mặc dù chúng tôi có nhiều câu hỏi về mặt kỹ thuật, nhưng việc bổ sung cảm biến vào mạng 6G là một tính năng đầy hứa hẹn sẽ giúp các mạng trong tương lai trở nên thông minh hơn và hỗ trợ nhiều ứng dụng mới.
Để biết thêm thông tin
Video: Hướng tới cảm biến và truyền thông tích hợp trong 6G, Nokia, https://www.youtube.com/watch?v=BCKQHQY7hMI.
Video: VTC2023-Spring Bài phát biểu chính: Cảm biến và Truyền thông Tích hợp: Đó là Ý nghĩa, Đại học College London, https://www.youtube.com/watch?v=Y8oCRAqtUCk
Cảm biến và Truyền thông Tích hợp: Kích hoạt các Kỹ thuật, Ứng dụng, Công cụ và Bộ Dữ liệu, Tiêu chuẩn hóa và Định hướng Tương lai, Viện Y tế Quốc gia, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10236932/
Giao tiếp và cảm biến chung trong mạng 6G, Ericcson, https://www .ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g
Nền tảng của Sarah là về công nghệ vi sóng và sóng milimet. Cô có bằng Cử nhân kỹ thuật điện của Đại học Texas Tech.
