Электромагнитная радиочастотная конвергенция

Пример того, чего хочет типичная сеть связи и дистанционного зондирования. По мере добавления в сеть большего количества систем определение оптимального метода работы между всеми системами (достижение радиочастотной конвергенции) становится все более трудным. Вместо того, чтобы рассматривать друг друга как источник помех, системы следующего поколения должны разрабатываться с нуля таким образом, чтобы функциональность каждой системы учитывала присутствие других систем.

электромагнитных радиочастот ( РЧ ) Конвергенция — это парадигма обработки сигналов , которая используется, когда нескольким радиочастотным системам приходится делить между собой ограниченное количество ресурсов. Радиочастотная конвергенция указывает на идеальную рабочую точку для всей сети радиочастотных систем, совместно использующих ресурсы, так что системы могут эффективно совместно использовать ресурсы взаимовыгодным образом. Поскольку перегрузка спектра связи в последнее время становится все более важной проблемой для телекоммуникационного сектора, исследователи начали изучать методы достижения радиочастотной конвергенции для совместного использования спектра между системами дистанционного зондирования (такими как радары ) и системами связи . ^{[ 1 ]} Следовательно, радиочастотную конвергенцию обычно называют рабочей точкой 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 функциональные возможности. Более того, подходы к совместному использованию спектра между дистанционным зондированием и связью традиционно заключались в разделении или изоляции обеих систем (временно, спектрально или пространственно). ^{[ 3 ]} В результате конструкции печных труб не имеют обратной совместимости. Будущее гибридных радиочастотных систем требует сосуществования и сотрудничества между различными аспектами при гибком проектировании и внедрении систем. Следовательно, достижение РЧ-конвергенции может оказаться невероятно сложной и трудной для решения 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 множество методов дистанционного зондирования и систем связи, что делает проблему достижения радиочастотной конвергенции неосязаемой.

Мотивация

Спектральная перегрузка вызвана тем, что слишком много пользователей радиочастотной связи одновременно получают доступ к электромагнитному спектру . Эта перегрузка может ухудшить качество связи и уменьшить или даже ограничить доступ к спектральным ресурсам. Совместное использование спектра радиолокационными и коммуникационными приложениями было предложено как способ решения проблем, вызванных перегрузкой спектра. Это привело к тому, что исследователи стали уделять больше внимания изучению методов сотрудничества и совместного проектирования радиолокационной связи. ^{[ 1 ]}^{[ 5 ]} Правительственные учреждения, такие как Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) и другие, начали финансировать исследования, изучающие 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, что в долгосрочной перспективе приведет к разработке более эффективных методов совместного проектирования, повышающих производительность. Однако проблемы, вызванные совместным использованием спектра, затрагивают не только военные системы. Существует широкий спектр приложений дистанционного зондирования и связи, на которые негативно 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 получить существенную выгоду от сотрудничества дистанционное зондирование и связь. Следовательно, исследователи начали изучать фундаментальные подходы к совместному дистанционному зондированию и связи.

Дистанционное зондирование и коммуникация в корне конфликтуют друг с другом. Дистанционное зондирование обычно передает известную информацию в окружающую среду (или канал) и измеряет отраженный ответ, 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 необходимо оценить. С другой стороны, система связи по сути отправляет неизвестную информацию в известную среду. Хотя система связи заранее не знает, что представляет собой среда (также называемая каналом распространения ), каждая система работает в предположении, что она либо предварительно оценена, либо известно ее основное распределение вероятностей. Из-за противоречивого характера обеих систем ясно, что когда дело доходит до проектирования систем, которые могут совместно воспринимать и общаться, решение нетривиально. Из-за трудностей в совместном восприятии и общении обе системы часто проектируются изолированными во времени, пространстве и/или частоте. Часто устаревшие системы учитывают другого пользователя в своем режиме работы только через правила, которые определяются такими агентствами, как FCC (США), которые ограничивают функциональность другого пользователя. ^{[ 2 ]} Поскольку перегрузка спектра продолжает вынуждать системы дистанционного зондирования и связи совместно использовать спектральные ресурсы, достижение радиочастотной конвергенции является решением для оптимального функционирования во все более переполненном беспроводном спектре.

Применение совместных систем зондирования и связи

Исследования РЧ-конвергенции могут принести пользу некоторым приложениям, таким как 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 РЧ-конвергенции. ^{[ 2 ]} Ниже перечислены несколько примеров совместных приложений зондирования и связи.

Интеллектуальные транспортные системы (связь между транспортными средствами) ^{[ 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 ]}
Ли-Фай и лидар ^{[ 14 ]}
RFID и отслеживание активов ^{[ 15 ]}
Возможности беспроводных сенсорных сетей ^{[ 7 ]}

Разработка и интеграция совместной системы 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 отсутствие интеграции (или изоляция) и сосуществование, не являются сложными по своей природе и не требуют пересмотра того, как работают сенсорные или коммуникационные системы. Однако отсутствие сложности также означает, что совместные системы, использующие такие методы системной интеграции, не увидят значительного выигрыша в производительности при достижении радиочастотной конвергенции. Таким образом, методы неинтеграции и сосуществования являются более краткосрочными решениями проблемы перегрузки спектра. В долгосрочной перспективе системы придется разрабатывать совместно, чтобы добиться значительного улучшения общей производительности систем.

Неинтеграция

Системы, использующие методы неинтеграции, вынуждены работать в изолированных областях спектра-пространства-времени. Однако в реальном мире идеальная изоляция невозможна и в результате изолированные системы будут просачиваться наружу и занимать сегменты спектра-пространства-времени, занятые другими системами. Вот почему системы, использующие методы неинтеграции, в конечном итоге создают помехи друг другу, а из-за используемой философии изоляции каждая система не пытается уменьшить помехи. Как следствие, производительность каждого пользователя снижается. Неинтеграция является одним из распространенных и традиционных решений и, как подчеркивается здесь, является частью проблемы.

Сосуществование

Системы ДЗЗ и связи, реализующие методы сосуществования, вынуждены сосуществовать друг с другом и рассматривать друг друга как источники помех. Это означает, что в отличие от методов, не связанных с интеграцией, каждая система пытается устранить помехи. Однако, поскольку обе системы не взаимодействуют и не имеют никакой информации о другой системе, любая информация, необходимая для выполнения такого подавления помех, не является общей или известной и должна быть оценена. В результате эффективность подавления помех ограничена, поскольку она зависит от оценочной информации.

Сотрудничество

Кооперативные методы, в отличие от методов сосуществования, не требуют, чтобы системы зондирования и связи рассматривали друг друга как источники помех и обе системы обменивались некоторыми знаниями или информацией. Совместные методы используют эти общие знания, чтобы обе системы могли эффективно подавлять помехи и впоследствии улучшать свою производительность. Системы охотно делятся необходимой информацией друг с другом, чтобы облегчить уменьшение взаимных помех. Кооперативные методы являются первым шагом на пути к разработке совместных систем и достижению радиочастотной конвергенции как эффективного решения проблемы перегрузки спектра.

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 разрабатываются совместно с нуля для эффективного использования спектра и потенциально могут привести к повышению производительности по сравнению с изолированным подходом к проектированию системы. Совместно разработанные системы не обязательно физически расположены рядом. При работе с одной и той же платформы совместное проектирование включает случаи, когда лучи и формы сигналов радара модулируются для передачи коммуникационных сообщений - подход, который обычно называют радиолокационными системами связи с двойной функцией. ^{[ 16 ]} Например, некоторые недавние экспериментально продемонстрированные подходы к совместному проектированию включают:

Тандемная радиолокация и связь (THoRaCs), ^{[ 17 ]} где неискаженные поднесущие с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) встроены в радиолокационный сигнал частотной модуляции (FM)
Фазовый радар/связь (PARC), ^{[ 18 ]} где FM и непрерывная фазовая модуляция (CPM) объединены в один сигнал
Конструкция излучаемого излучения в дальней зоне (FFRED), ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]} где сигналы FM с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) создают отдельные радиолокационные и коммуникационные лучи в разных пространственных направлениях

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Гриффитс, Хью; Коэн, Лоуренс; Уоттс, Саймон; Моколе, Эрик; Бейкер, Крис; Уикс, Майк; Блант, Шеннон (2015). «Проектирование и управление радиолокационным спектром: технические и нормативные вопросы» . Труды IEEE . 103 : 85–102. дои : 10.1109/jproc.2014.2365517 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Пол, Брайан; Чирият, Алекс Р.; Блисс, Дэниел В. (2017). «Обзор исследований конвергенции радиочастотной связи и зондирования» . Доступ IEEE . 5 : 252–270. Бибкод : 2017IEEA...5..252P . дои : 10.1109/access.2016.2639038 .
^ «Радиочастотная связь и конвергенция зондирования: теория, системы и видео экспериментов MATLAB в цикле» . www.mathworks.com . Проверено 21 марта 2019 г.
^ Чирият, Алекс Р.; Пол, Брайан; Блисс, Дэниел В. (2017). «Конвергенция радиолокационных коммуникаций: сосуществование, сотрудничество и совместное проектирование». Транзакции IEEE по когнитивным коммуникациям и сетям . 3 : 1–12. дои : 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 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Кайлин, А.; Каньо, Б.; Шассан, Л.; Топсу, С.; Алайли, Ю.; Блоссвилл, Дж. М. (2012). «Видимая световая связь: применение к взаимодействию транспортных средств и дорожной инфраструктуры» (PDF) . Симпозиум IEEE по интеллектуальным транспортным средствам 2012 г. стр. 1055–1059. дои : 10.1109/ivs.2012.6232225 . ISBN 9781467321181 . S2CID 6069018 .
^ Jump up to: ^а ^б Штурм, Кристиан; Висбек, Вернер (2011). «Аспекты проектирования и обработки сигналов для объединения беспроводной связи и радиолокационного зондирования». Труды IEEE . 99 (7): 1236–1259. дои : 10.1109/jproc.2011.2131110 . S2CID 1002111 .
^ Орландо, В. (1989). «Радиолокационная система маяка Mode S». Журнал лаборатории Линкольна . 2 (3): 345–362.
^ «Общий доступ к спектру для радиолокации и связи (SSPARC)» . www.darpa.mil . Проверено 27 июля 2018 г.
^ 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 исследованиям . стр. 851–856. дои : 10.1109/cloudcom.2012.6427537 . ISBN 9781467345101 . S2CID 17482174 .
^ Аламри, Атиф; Ансари, Васаи Шадаб; Хасан, Мохаммад Мехеди; Хоссейн, М. Шамим; Алелайви, Абдулхамид; Хоссейн, М. Анвар (январь 2013 г.). «Обзор сенсорного облака: архитектура, приложения и подходы» . Международный журнал распределенных сенсорных сетей . 9 (2): 917923. doi : 10.1155/2013/917923 . ISSN 1550-1477 .
^ Гу, Чанчжан; Пэн, Чжэнъюй; Ли, Чанчжи (2016). «Высокоточное обнаружение движения с использованием доплеровского радара низкой сложности с методом цифрового пост-искажения». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения : 1–11. дои : 10.1109/tmtt.2016.2519881 . S2CID 17399822 .
^ Липски, Джессика. «Жесты Google на частоте 60 ГГц» . ЭЭ Таймс .
^ 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 . стр. 146–151. дои : 10.1109/icton.2007.4296267 . ISBN 978-1424412488 . S2CID 17692631 .
^ Бидигаре, П. (2002). «Пропускная способность канала Шеннона радиолокационной системы». Протокол конференции тридцать шестой асиломарской конференции по сигналам, системам и компьютерам, 2002 г. Том. 1. С. 113–117. дои : 10.1109/acssc.2002.1197159 . ISBN 978-0780375765 . S2CID 22136743 .
^ Хассаниен, Абулнаср; Амин, Мёнесс Г.; Чжан, Имин Д.; Ахмад, Фаузия (октябрь 2016 г.). «Стратегии сигнализации для радиолокационной связи двойного назначения: обзор». Журнал IEEE по аэрокосмическим и электронным системам . 31 (10): 36–45. дои : 10.1109/MAES.2016.150225 . ISSN 0885-8985 . S2CID 8128653 .
^ Рэйвенскрофт, Брэндон; Маккормик, Патрик М.; Блант, Шеннон Д.; Перринс, Эрик; Меткалф, Джастин Г. (2018). «Энергоэффективная формула тандемного радара и связи». Конференция IEEE по радиолокации 2018 (RadarConf18) . стр. 1061–1066. дои : 10.1109/RADAR.2018.8378708 . ISBN 978-1-5386-4167-5 . S2CID 49190086 .
^ Шахин, Дженк; Меткалф, Джастин Г.; Кордик, Андрей; Кендо, Томас; Корильяно, Томас (2018). «Экспериментальная проверка сигналов фазового радара/связи (PARC): характеристики радара». Международная конференция по радиолокации (РАДАР) 2018 г. стр. 1–6. дои : 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 радаров и средств связи из общей апертуры, Часть I: Теория». Конференция IEEE Radar 2017 (Radar Conf ) . стр. 1685–1690. дои : 10.1109/RADAR.2017.7944478 . ISBN 978-1-4673-8823-8 . S2CID 22734837 .
^ Маккормик, Патрик М.; Рэйвенскрофт, Брэндон; Блант, Шеннон Д.; Должным образом, Эндрю Дж.; Меткалф, Джастин Г. (2017). «Одновременное радиолокационное и коммуникационное излучение из общей апертуры, Часть II: Экспериментирование». Конференция IEEE Radar 2017 (Radar Conf ) . стр. 1697–1702. дои : 10.1109/RADAR.2017.7944480 . ISBN 978-1-4673-8823-8 . S2CID 21968573 .

[:1-1] Jump up to: ^а ^б Гриффитс, Хью; Коэн, Лоуренс; Уоттс, Саймон; Моколе, Эрик; Бейкер, Крис; Уикс, Майк; Блант, Шеннон (2015). «Проектирование и управление радиолокационным спектром: технические и нормативные вопросы» . Труды IEEE . 103 : 85–102. дои : 10.1109/jproc.2014.2365517 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Пол, Брайан; Чирият, Алекс Р.; Блисс, Дэниел В. (2017). «Обзор исследований конвергенции радиочастотной связи и зондирования» . Доступ IEEE . 5 : 252–270. Бибкод : 2017IEEA...5..252P . дои : 10.1109/access.2016.2639038 .

[3] «Радиочастотная связь и конвергенция зондирования: теория, системы и видео экспериментов MATLAB в цикле» . www.mathworks.com . Проверено 21 марта 2019 г.

[4] Чирият, Алекс Р.; Пол, Брайан; Блисс, Дэниел В. (2017). «Конвергенция радиолокационных коммуникаций: сосуществование, сотрудничество и совместное проектирование». Транзакции IEEE по когнитивным коммуникациям и сетям . 3 : 1–12. дои : 10.1109/TCCN.2017.2666266 . S2CID 13648867 .

[5] 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 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[6] Кайлин, А.; Каньо, Б.; Шассан, Л.; Топсу, С.; Алайли, Ю.; Блоссвилл, Дж. М. (2012). «Видимая световая связь: применение к взаимодействию транспортных средств и дорожной инфраструктуры» (PDF) . Симпозиум IEEE по интеллектуальным транспортным средствам 2012 г. стр. 1055–1059. дои : 10.1109/ivs.2012.6232225 . ISBN 9781467321181 . S2CID 6069018 .

[Sturm_1236–1259-7] Jump up to: ^а ^б Штурм, Кристиан; Висбек, Вернер (2011). «Аспекты проектирования и обработки сигналов для объединения беспроводной связи и радиолокационного зондирования». Труды IEEE . 99 (7): 1236–1259. дои : 10.1109/jproc.2011.2131110 . S2CID 1002111 .

[8] Орландо, В. (1989). «Радиолокационная система маяка Mode S». Журнал лаборатории Линкольна . 2 (3): 345–362.

[9] «Общий доступ к спектру для радиолокации и связи (SSPARC)» . www.darpa.mil . Проверено 27 июля 2018 г.

[10] 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 исследованиям . стр. 851–856. дои : 10.1109/cloudcom.2012.6427537 . ISBN 9781467345101 . S2CID 17482174 .

[11] Аламри, Атиф; Ансари, Васаи Шадаб; Хасан, Мохаммад Мехеди; Хоссейн, М. Шамим; Алелайви, Абдулхамид; Хоссейн, М. Анвар (январь 2013 г.). «Обзор сенсорного облака: архитектура, приложения и подходы» . Международный журнал распределенных сенсорных сетей . 9 (2): 917923. doi : 10.1155/2013/917923 . ISSN 1550-1477 .

[12] Гу, Чанчжан; Пэн, Чжэнъюй; Ли, Чанчжи (2016). «Высокоточное обнаружение движения с использованием доплеровского радара низкой сложности с методом цифрового пост-искажения». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения : 1–11. дои : 10.1109/tmtt.2016.2519881 . S2CID 17399822 .

[13] Липски, Джессика. «Жесты Google на частоте 60 ГГц» . ЭЭ Таймс .

[14] 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 . стр. 146–151. дои : 10.1109/icton.2007.4296267 . ISBN 978-1424412488 . S2CID 17692631 .

[15] Бидигаре, П. (2002). «Пропускная способность канала Шеннона радиолокационной системы». Протокол конференции тридцать шестой асиломарской конференции по сигналам, системам и компьютерам, 2002 г. Том. 1. С. 113–117. дои : 10.1109/acssc.2002.1197159 . ISBN 978-0780375765 . S2CID 22136743 .

[16] Хассаниен, Абулнаср; Амин, Мёнесс Г.; Чжан, Имин Д.; Ахмад, Фаузия (октябрь 2016 г.). «Стратегии сигнализации для радиолокационной связи двойного назначения: обзор». Журнал IEEE по аэрокосмическим и электронным системам . 31 (10): 36–45. дои : 10.1109/MAES.2016.150225 . ISSN 0885-8985 . S2CID 8128653 .

[17] Рэйвенскрофт, Брэндон; Маккормик, Патрик М.; Блант, Шеннон Д.; Перринс, Эрик; Меткалф, Джастин Г. (2018). «Энергоэффективная формула тандемного радара и связи». Конференция IEEE по радиолокации 2018 (RadarConf18) . стр. 1061–1066. дои : 10.1109/RADAR.2018.8378708 . ISBN 978-1-5386-4167-5 . S2CID 49190086 .

[18] Шахин, Дженк; Меткалф, Джастин Г.; Кордик, Андрей; Кендо, Томас; Корильяно, Томас (2018). «Экспериментальная проверка сигналов фазового радара/связи (PARC): характеристики радара». Международная конференция по радиолокации (РАДАР) 2018 г. стр. 1–6. дои : 10.1109/RADAR.2018.8557302 . ISBN 978-1-5386-7217-4 . S2CID 54451278 .

[19] Маккормик, Патрик М.; Блант, Шеннон Д.; Меткалф, Джастин Г. (2017). «Одновременное излучение радаров и средств связи из общей апертуры, Часть I: Теория». Конференция IEEE Radar 2017 (Radar Conf ) . стр. 1685–1690. дои : 10.1109/RADAR.2017.7944478 . ISBN 978-1-4673-8823-8 . S2CID 22734837 .

[20] Маккормик, Патрик М.; Рэйвенскрофт, Брэндон; Блант, Шеннон Д.; Должным образом, Эндрю Дж.; Меткалф, Джастин Г. (2017). «Одновременное радиолокационное и коммуникационное излучение из общей апертуры, Часть II: Экспериментирование». Конференция IEEE Radar 2017 (Radar Conf ) . стр. 1697–1702. дои : 10.1109/RADAR.2017.7944480 . ISBN 978-1-4673-8823-8 . S2CID 21968573 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]