Конвергенция электромагнитных радиочастот ( РЧ ) - это парадигма обработки сигналов, которая используется, когда несколько радиочастотных систем должны совместно использовать между собой конечное количество ресурсов. РЧ конвергенция указывает на идеальную рабочую точку для всей сети РЧ-систем, совместно использующих ресурсы, чтобы системы могли эффективно совместно использовать ресурсы взаимовыгодным образом. Поскольку перегрузка коммуникационного спектра в последнее время становится все более важной проблемой для телекоммуникационного сектора, исследователи начали изучать методы достижения РЧ-конвергенции для совместного использования спектра между системами дистанционного зондирования (такими как радары).) и системы связи . [1] Следовательно, радиочастотная конвергенция обычно упоминается как рабочая точка сети дистанционного зондирования и связи, в которой спектральные ресурсы совместно используются всеми узлами (или системами) сети взаимовыгодным образом. [2] Дистанционное зондирование и связь имеют противоречивые требования и функциональность. Кроме того, подходы к совместному использованию спектра между дистанционным зондированием и связью традиционно заключались в разделении или изоляции обеих систем (во временном, спектральном или пространственном). [3] Это приводит к тому, что конструкции печных труб не имеют обратной совместимости. Будущее гибридных радиочастотных систем требует сосуществования и сотрудничества между чувствительными элементами при гибком проектировании и внедрении системы. Следовательно, достижение радиочастотной конвергенции может быть невероятно сложной проблемой. Даже для простой сети, состоящей из одной системы дистанционного зондирования и связи каждая, существует несколько независимых факторов во временной, пространственной и частотной областях, которые необходимо учитывать, чтобы определить оптимальный метод совместного использования спектральных ресурсов. [4] Для данного многообразия ресурсов спектра, пространства и времени практическая сеть будет включать в себя многочисленные методы дистанционного зондирования и системы связи, что сделает проблему достижения РЧ конвергенции нематериальной.
Мотивация
Спектральная перегрузка вызвана тем, что слишком много пользователей радиочастотной связи одновременно получают доступ к электромагнитному спектру . Эта перегрузка может ухудшить производительность связи и уменьшить или даже ограничить доступ к спектральным ресурсам. Совместное использование спектра между радиолокаторами и приложениями связи было предложено как способ облегчить проблемы, вызванные перегрузкой спектра. Это привело к тому, что исследователи стали уделять больше внимания изучению методов сотрудничества и совместной разработки радиолокационных средств связи. [1] [5] Государственные агентства, такие как Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и другие, начали финансирование исследований, изучающих методы сосуществования военных радиолокационных систем, чтобы их производительность не пострадала при совместном использовании спектра с системами связи. Эти агентства также заинтересованы в фундаментальных исследованиях, исследующих пределы сотрудничества между военными радарами и системами связи, которые в конечном итоге приведут к более совершенным методам совместного проектирования, улучшающим характеристики. Однако проблемы, вызванные совместным использованием спектра, затрагивают не только военные системы. Существует широкий спектр приложений дистанционного зондирования и связи, на которые неблагоприятно повлияет совместное использование спектра с системами связи, такими как автомобильные радары, медицинские устройства , 5G и т. Д. Кроме того, такие приложения, как автономные автомобили и сети умного дома, могут существенно выиграть от совместной работы. дистанционное зондирование и связь. Следовательно, исследователи начали исследовать фундаментальные подходы к совместному дистанционному зондированию и связи.
Дистанционное зондирование и связь по сути имеют тенденцию конфликтовать друг с другом. Дистанционное зондирование обычно передает известную информацию в окружающую среду (или канал) и измеряет отраженный отклик, который затем используется для извлечения неизвестной информации об окружающей среде. Например, в случае радиолокационной системы известная информация - это передаваемый сигнал, а неизвестная информация - это целевой канал, который желательно оценить. С другой стороны, система связи в основном отправляет неизвестную информацию в известную среду. Хотя система связи не знает заранее, какова среда (также называемая каналом распространения ), каждая система работает в предположении, что она либо предварительно оценена, либо известно ее базовое распределение вероятностей. Из-за конфликтной природы обеих систем ясно, что когда дело доходит до разработки систем, которые могут совместно воспринимать и сообщать информацию, решение нетривиально. Из-за трудностей совместного восприятия и связи обе системы часто разрабатываются изолированными во времени, пространстве и / или частоте. Часто устаревшие системы рассматривают другого пользователя в своем режиме работы только в соответствии с правилами, которые устанавливаются такими агентствами, как FCC (США), которые ограничивают функциональность другого пользователя. [2] Поскольку спектральная перегрузка по-прежнему вынуждает систему дистанционного зондирования и связи совместно использовать спектральные ресурсы, достижение радиочастотной конвергенции является решением для оптимального функционирования во все более переполненном беспроводном спектре.
Применение совместных зондо-коммуникационных систем
Некоторые приложения могут извлечь выгоду из исследований радиочастотной конвергенции, например, автономное вождение, облачные медицинские устройства, приложения на основе освещения и т. Д. Каждое приложение может иметь разные цели, требования и правила, которые создают разные проблемы для достижения радиочастотной конвергенции. [2] Несколько примеров совместных приложений зондирования и связи перечислены ниже.
- Интеллектуальные транспортные системы (связь между автомобилями) [6] [7]
- Управление коммерческими полетами [8]
- Связь и военный радар [9]
- Дистанционный медицинский мониторинг и носимые медицинские датчики [10] [11]
- Высокочастотная визуализация и связь [12] [13]
- Li-Fi и лидар [14]
- RFID и отслеживание активов [15]
- Возможные беспроводные сенсорные сети [7]
Совместное проектирование и интеграция систем зондирования и связи
Совместные системы зондирования и связи могут быть спроектированы на основе четырех различных типов системной интеграции . Эти различные уровни варьируются от полной изоляции до полного совместного проектирования систем. [2] Некоторые уровни интеграции, такие как неинтеграция (или изоляция) и сосуществование, не являются сложными по своей природе и не требуют пересмотра того, как работают сенсорные или коммуникационные системы. Однако это отсутствие сложности также означает, что совместные системы, использующие такие методы системной интеграции, не получат значительного повышения производительности при достижении РЧ конвергенции. Таким образом, методы отсутствия интеграции и сосуществования являются более краткосрочным решением проблемы спектральной перегрузки. В долгосрочной перспективе системы должны будут разрабатываться совместно, чтобы увидеть значительные улучшения в совместных характеристиках системы.
Неинтеграция
Системы, использующие неинтегрированные методы, вынуждены работать в изолированных областях спектра-пространства-времени. Однако в реальном мире идеальная изоляция неосуществима, и в результате изолированные системы будут просачиваться наружу и занимать участки спектра-пространства-времени, занятые другими системами. Вот почему системы, в которых используются методы отсутствия интеграции, в конечном итоге создают помехи друг другу, и из-за применяемой философии изоляции каждая система не предпринимает попыток уменьшения помех. Как следствие, производительность каждого пользователя снижается. Отсутствие интеграции - одно из распространенных и традиционных решений, и, как здесь подчеркивается, это часть проблемы.
Сосуществование
Системы дистанционного зондирования и связи, реализующие методы сосуществования, вынуждены сосуществовать друг с другом и рассматривать друг друга как источники помех. Это означает, что в отличие от методов без интеграции каждая система пытается уменьшить помехи. Однако, поскольку обе системы не взаимодействуют друг с другом и ничего не знают о другой системе, любая информация, необходимая для выполнения такого уменьшения помех, не является общедоступной и неизвестной, и ее необходимо оценивать. В результате эффективность уменьшения помех ограничена, поскольку она зависит от оценочной информации.
Сотрудничество
Совместные методы, в отличие от методов сосуществования, не требуют, чтобы и системы зондирования, и системы связи рассматривали друг друга как источники помех, и обе системы обменивались некоторыми знаниями или информацией. Совместные методы используют это совместное знание, чтобы обе системы могли эффективно устранять помехи и впоследствии улучшать свои характеристики. Системы охотно обмениваются необходимой информацией друг с другом, чтобы способствовать уменьшению взаимных помех. Совместные методы - это первый шаг к разработке совместных систем и достижению РЧ конвергенции как эффективного решения проблемы спектральной перегрузки.
Совместное проектирование
Методы совместного проектирования заключаются в совместном рассмотрении радиолокационных систем и систем связи при разработке новых систем для оптимального распределения спектральных ресурсов. Такие системы совместно разрабатываются с нуля для эффективного использования спектра и потенциально могут привести к повышению производительности по сравнению с изолированным подходом к проектированию системы. Совместно спроектированные системы не обязательно физически расположены в одном месте. При работе с одной и той же платформы совместное проектирование включает случаи, когда радиолокационные лучи и формы сигналов модулируются для передачи сообщений связи, подход, который обычно называют системами радиолокационной связи двойного назначения. [16] Например, некоторые недавние экспериментально продемонстрированные подходы к совместному проектированию включают:
- Тандемно-скачкообразный радар и связь (THoRaCs), [17] где неискаженные поднесущие мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM) встроены в сигнал радара с частотной модуляцией (FM).
- Радар / связь с фазовой привязкой (PARC), [18] где FM и непрерывная фазовая модуляция (CPM) объединены в единую форму волны
- Конструкция излучаемого излучения в дальней зоне (FFRED), [19] [20], где формы сигналов FM с множеством входов и множеством выходов (MIMO) создают отдельные радиолокационные и коммуникационные лучи в разных пространственных направлениях.
Смотрите также
- Радар
- Системы связи
- Помехи в совмещенном канале
- Управление спектром
- Управление радиоресурсами
Рекомендации
- ^ а б Гриффитс, Хью; Коэн, Лоуренс; Уоттс, Саймон; Моколе, Эрик; Бейкер, Крис; Уикс, Майк; Блант, Шеннон (2015). «Разработка и управление радиолокационным спектром: технические и нормативные вопросы» . Труды IEEE . 103 : 85–102. DOI : 10,1109 / jproc.2014.2365517 .
- ^ а б в г Пол, Брайан; Chiriyath, Alex R .; Блисс, Дэниел В. (2017). "Обзор радиосвязи и исследования конвергенции зондирования" . Доступ IEEE . 5 : 252–270. DOI : 10,1109 / access.2016.2639038 .
- ^ "Радиочастотная связь и конвергенция зондирования: теория, системы и видео экспериментов MATLAB-in-the-Loop" . www.mathworks.com . Проверено 21 марта 2019 .
- ^ Chiriyath, Alex R .; Пол, Брайан; Блисс, Дэниел В. (2017). «Конвергенция радиолокационных средств связи: сосуществование, сотрудничество и совместное проектирование». IEEE Transactions по когнитивным коммуникациям и сетям . 3 : 1–12. DOI : 10.1109 / TCCN.2017.2666266 . S2CID 13648867 .
- ^ Блант, Шеннон Д .; Перринс, Эрик С. (октябрь 2018 г.). Совместное использование радиолокационного и коммуникационного спектра . Блант, Шеннон Д .; Перринс, Эрик Сэмюэл, 1973-. Эдисон. ISBN 9781785613579. OCLC 1079815876 .
- ^ Cailean, A .; Cagneau, B .; Chassagne, L .; Topsu, S .; Алайли, Ю .; Blosseville, JM. (2012). «Связь в видимом свете: применение для взаимодействия между транспортными средствами и дорожной инфраструктурой» (PDF) . 2012 IEEE Интеллектуальные Транспортные средства Symposium . С. 1055–1059. DOI : 10.1109 / ivs.2012.6232225 . ISBN 9781467321181. S2CID 6069018 .
- ^ а б Штурм, Кристиан; Висбек, Вернер (2011). «Дизайн формы волны и аспекты обработки сигналов для объединения беспроводной связи и радиолокационного зондирования». Труды IEEE . 99 (7): 1236–1259. DOI : 10,1109 / jproc.2011.2131110 . S2CID 1002111 .
- ^ Орландо, V (1989). «Радиолокационная система маяка режима S». Журнал лаборатории Линкольна . 2 (3): 345–362.
- ^ «Общий доступ к спектру для радаров и связи (SSPARC)» . www.darpa.mil . Проверено 27 июля 2018 .
- ^ Фортино, Джанкарло; Патан, Мукаддим; Ди Фатта, Джузеппе (2012). « Облако тела : интеграция облачных вычислений и сетей датчиков тела». 4-я Международная конференция IEEE по технологиям облачных вычислений и научным трудам . С. 851–856. DOI : 10,1109 / cloudcom.2012.6427537 . ISBN 9781467345101. S2CID 17482174 .
- ^ Аламри, Атиф; Ансари, Васай Шадаб; Хасан, Мохаммад Мехеди; Хоссейн, М. Шамим; Алелайви, Абдулхамид; Хоссейн, М. Анвар (январь 2013 г.). «Обзор Sensor-Cloud: архитектура, приложения и подходы» . Международный журнал распределенных сенсорных сетей . 9 (2): 917923. DOI : 10,1155 / 2013/917923 . ISSN 1550-1477 .
- ^ Гу, Чангжан; Пэн, Чжэнъюй; Ли, Чанчжи (2016). «Высокоточное обнаружение движения с использованием легкого доплеровского радара с цифровой техникой пост-искажения». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения : 1–11. DOI : 10.1109 / tmtt.2016.2519881 . S2CID 17399822 .
- ^ Липски, Джессика. «Жесты Google на 60 ГГц» . EE Times .
- ^ Лангер, Клаус-Дитер; Грубор, Елена (2007). «Последние разработки в области оптической беспроводной связи с использованием инфракрасного и видимого света». 2007 9-я Международная конференция по прозрачным оптическим сетям . С. 146–151. DOI : 10.1109 / icton.2007.4296267 . ISBN 978-1424412488. S2CID 17692631 .
- ^ Бидигар, П. (2002). «Пропускная способность канала Шеннона радиолокационной системы». Конференция Запись тридцать шестой Asilomar конференции на сигналах, системы и компьютеры, 2002 . 1 . С. 113–117. DOI : 10,1109 / acssc.2002.1197159 . ISBN 978-0780375765. S2CID 22136743 .
- ^ Хассаниен, Абулнаср; Amin, Moeness G .; Чжан, Иминь Д .; Ахмад, Фаузия (октябрь 2016 г.). «Стратегии сигнализации для двухфункциональной радиолокационной связи: обзор». Журнал IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine . 31 (10): 36–45. DOI : 10,1109 / MAES.2016.150225 . ISSN 0885-8985 . S2CID 8128653 .
- ^ Равенскрофт, Брэндон; Маккормик, Патрик М .; Блант, Шеннон Д .; Перринс, Эрик; Меткалф, Джастин Г. (2018). «Энергоэффективная формула тандемно-скачкообразного радара и связи». Конференция IEEE Radar 2018 (RadarConf18) . С. 1061–1066. DOI : 10.1109 / RADAR.2018.8378708 . ISBN 978-1-5386-4167-5. S2CID 49190086 .
- ^ Сахин, Дженк; Меткалф, Джастин Дж .; Кордик, Андрей; Кендо, Томас; Корильяно, Томас (2018). «Экспериментальная проверка форм сигналов радара с фазовой привязкой / связи (PARC): характеристики радара». 2018 Международная конференция по Radar (РЛС) . С. 1–6. DOI : 10.1109 / RADAR.2018.8557302 . ISBN 978-1-5386-7217-4. S2CID 54451278 .
- ^ Маккормик, Патрик М .; Блант, Шеннон Д .; Меткалф, Джастин Г. (2017). «Одновременное излучение радара и связи из общей апертуры. Часть I: Теория». Конференция IEEE Radar 2017 (Radar Conf ) . С. 1685–1690. DOI : 10.1109 / RADAR.2017.7944478 . ISBN 978-1-4673-8823-8. S2CID 22734837 .
- ^ Маккормик, Патрик М .; Равенскрофт, Брэндон; Блант, Шеннон Д .; С уважением, Эндрю Дж .; Меткалф, Джастин Г. (2017). «Одновременное излучение радара и связи из общей апертуры, Часть II: Эксперименты». Конференция IEEE Radar 2017 (Radar Conf ) . С. 1697–1702. DOI : 10.1109 / RADAR.2017.7944480 . ISBN 978-1-4673-8823-8. S2CID 21968573 .