전자파 무선 주파수 컨버전

Electromagnetic radio frequency convergence
일반적인 통신 및 리모트센싱 네트워크의 예를 나타냅니다.네트워크에 시스템이 추가됨에 따라 모든 시스템 간의 최적의 운용방법(RF 컨버전스 실현)을 결정하는 것은 점점 더 어려워지고 있습니다.서로 간섭의 원천으로 간주하는 대신, 차세대 시스템은 각 시스템의 기능이 다른 시스템의 존재를 고려하도록 처음부터 공동 설계되어야 합니다.

전자파 무선 주파수(RF) 컨버전스는 여러 RF 시스템이 서로 한정된 양의 자원을 공유해야 할 때 사용되는 신호 처리 패러다임입니다.RF 컨버전스는 RF 시스템이 자원을 효율적으로 공유할 수 있도록 자원을 공유하는 네트워크 전체의 이상적인 운용 포인트를 나타냅니다.통신 스펙트럼 혼잡이 최근 통신 분야에서 점점 더 중요한 문제가 되면서, 연구자들은 원격 감지 시스템(레이더 등)과 통신 시스템 [1]간의 협력적인 스펙트럼 공유를 위해 RF 컨버전스를 달성하는 방법을 연구하기 시작했다.따라서 RF 컨버전스는 일반적으로 리모트센싱 및 통신 네트워크의 동작 포인트로 불리며, 스펙트럼자원은 네트워크의 모든 노드(또는 시스템)에 의해 상호 유익한 방법으로 [2]공유됩니다.원격 감지와 통신에는 상충되는 요구 사항과 기능이 있습니다.또한 원격 감지와 통신 사이의 주파수 공유 접근방식은 전통적으로 (시간적, 스펙트럼적 또는 공간적으로)[3] 두 시스템을 분리하거나 격리하는 것이었다.그 결과 스토브 파이프 설계에는 후방 호환성이 결여되어 있습니다.하이브리드 RF 시스템의 미래에는 유연한 시스템 설계와 구현으로 감성의 공존과 협력이 요구됩니다.따라서 RF 컨버전스를 실현하는 것은 매우 복잡하고 해결하기 어려운 문제가 될 수 있습니다.각각 하나의 원격 감지 및 통신 시스템으로 구성된 단순한 네트워크에서도 스펙트럼 [4]자원을 공유하는 최적의 방법을 결정하기 위해 고려해야 하는 시간, 공간 및 주파수 영역에는 몇 가지 독립적인 요소가 있습니다.주어진 스펙트럼-시공간 자원 다양체에 대해, 실용적인 네트워크는 수많은 원격 감지 양식과 통신 시스템을 통합하고, RF 컨버전스 달성 문제를 무형적으로 만든다.

동기

현재 RF 스펙트럼의 과제를 강조하는 단순한 네트워크토폴로지의 개념적인 예네트워크는 통신 사용자와 레이더 사용자, 그리고 외부 간섭의 원천인 두 명의 사용자로 구성됩니다.사용자는, 같은 스펙트럼을 점유하는 것으로 조작할 수도 있고, 물리적으로 같은 장소에 있는 것(같은 공간을 점유하는 것)으로 조작할 수도 있습니다.동작 모드에 관계없이 두 시스템은 서로 간섭하므로 최적의 성능을 유지하기 위해 간섭 완화가 필요합니다.

스펙트럼 congestion는 동시에 전자파 스펙트럼에 접속하는 RF통신 사용자가 너무 많기 때문에 발생합니다.이 congestion에 의해, 통신 퍼포먼스가 저하해, 스펙트럼 자원에의 액세스가 감소하거나 제한되는 일이 있습니다.레이더와 통신 애플리케이션 간의 스펙트럼 공유는 스펙트럼 혼잡으로 인한 문제를 완화하는 방법으로 제안되었다.이에 따라 연구진은 레이더 통신 협력 및 [1][5]공동 설계 방법을 더욱 중시하고 있다.국방고등연구프로젝트청(DARPA) 등 정부기관은 통신 시스템과 스펙트럼을 공유할 때 성능에 영향을 미치지 않도록 군사 레이더 시스템의 공존 방법을 조사하는 연구에 자금을 대기 시작했다.이들 기관은 장기적으로 성능을 향상시키는 더 나은 공동 설계 방법으로 이어질 수 있는 군사 레이더와 통신 시스템 간의 협력 한계를 조사하는 기초 연구에도 관심이 있다.그러나 주파수 공유로 인한 문제는 군사 시스템에만 영향을 미치는 것이 아니다.자동차 레이더, 의료기기, 5G 등 통신 시스템과 스펙트럼을 공유함으로써 악영향을 받는 원격 감지 및 통신 애플리케이션은 매우 다양하다.게다가 오토노믹 자동차나 스마트 홈 네트워크등의 애플리케이션은, 협력적인 리모트 센싱과 통신에 의해서 큰 메리트를 얻을 수 있습니다.그 결과, 연구자들은 공동 원격 감지와 통신에 대한 근본적인 접근 방식을 조사하기 시작했습니다.

원격 감지와 통신은 기본적으로 서로 충돌하는 경향이 있습니다.원격 감지는 일반적으로 알려진 정보를 환경(또는 채널)으로 전송하고 반사된 응답을 측정합니다. 이 응답은 환경에 대한 알려지지 않은 정보를 추출하는 데 사용됩니다.예를 들어 레이더 시스템의 경우 알려진 정보는 전송된 신호이며, 알려지지 않은 정보는 추정하고자 하는 대상 채널입니다.한편, 통신 시스템은 기본적으로 알려지지 않은 정보를 알려진 환경으로 보냅니다.통신 시스템은 환경(전파 채널이라고도 함)이 무엇인지 사전에 알 수 없지만, 모든 시스템은 사전에 예측된 환경 또는 기본적인 확률 분포를 알고 있다는 가정 하에 작동합니다.양쪽 시스템의 상충되는 특성으로 인해 공동으로 감지하고 통신할 수 있는 시스템을 설계할 때 솔루션은 간단하지 않습니다.공동 감지 및 통신의 어려움으로 인해 두 시스템은 종종 시간, 공간 및/또는 주파수로 격리되도록 설계됩니다.종종 레거시 시스템이 다른 사용자의 작동 모드를 고려하는 유일한 시기는 FCC(미국)와 같은 기관이 정의한 규제를 통해서만 다른 사용자의 기능을 [2]제한할 수 있습니다.스펙트럼 congestion는 리모트센싱과 통신 시스템 양쪽에서 스펙트럼 자원을 공유하도록 계속 강요하기 때문에 RF 컨버전스를 실현하는 것이 점점 더 혼잡해지는 무선 스펙트럼에서 최적으로 기능하는 해결책입니다.

공동 감지 통신 시스템의 응용

자율 주행, 클라우드 기반 의료 기기, 라이트 기반 애플리케이션 등과 같은 RF 컨버전스 연구를 통해 여러 애플리케이션을 활용할 수 있습니다.각 어플리케이션에는 RF [2]컨버전스를 실현하기 위한 다양한 과제를 안고 있는 목적, 요건 및 규정이 있을 수 있습니다.다음은 공동 감지 통신 애플리케이션의 몇 가지 예입니다.

공동 감지-통신 시스템 설계 및 통합

공동 감지 통신 시스템은 4가지 유형의 시스템 통합을 기반으로 설계할 수 있습니다.이러한 레벨은, 완전한 격리로부터,[2] 시스템의 완전한 공동 설계에 이르기까지 다양합니다.비통합(또는 격리) 및 공존과 같은 일부 통합 수준은 본질적으로 복잡하지 않으며 감지 또는 통신 시스템 작동 방식을 점검할 필요가 없습니다.그러나 이러한 복잡성의 결여는 이러한 시스템 통합 방법을 사용하는 공동 시스템이 RF 컨버전스 달성에 있어 큰 성능 이점을 얻지 못한다는 것을 의미하기도 합니다.따라서 비통합 및 공존 방법은 스펙트럼 정체 문제에 대한 보다 단기적인 해결책이다.장기적으로는 공동 시스템 성능이 크게 향상되도록 시스템을 함께 설계해야 합니다.

비통합

비통합 방법을 사용하는 시스템은 스펙트럼 시공간의 고립된 영역에서 작동하도록 강제된다.그러나 실제 환경에서는 완벽한 분리를 실현할 수 없으며, 그 결과 격리된 시스템이 누출되어 다른 시스템이 점유하는 스펙트럼 시공간 세그먼트를 점유하게 된다.이것이 비통합 방식을 채택한 시스템이 서로 간섭하게 되는 이유이며, 격리 원칙을 채택하고 있기 때문에 각 시스템은 간섭 완화를 시도하지 않습니다.결과적으로 각 사용자의 성능이 저하됩니다.비통합은 일반적인 기존 솔루션 중 하나이며, 여기서 강조했듯이 문제의 일부입니다.

공존

공존 방법을 구현하는 원격 감지 및 통신 시스템은 서로 공존하고 서로를 간섭의 원천으로 취급해야 합니다.즉, 비통합 방식과는 달리 각 시스템은 간섭 완화를 시도합니다.그러나 두 시스템은 모두 협조적이지 않고 다른 시스템에 대한 지식이 없기 때문에 이러한 간섭 완화를 수행하기 위해 필요한 정보는 공유되거나 알려져 있지 않으므로 추정해야 합니다.그 결과, 간섭 경감 성능은 추정 정보에 의존하기 때문에 제한된다.

협력.

공존 방법과는 달리 협력 기법은 감지 시스템과 통신 시스템 모두가 서로를 간섭의 원천으로 취급할 필요가 없으며 두 시스템 모두 일부 지식 또는 정보를 공유할 필요가 없다.협업 방법은 이 공동 지식을 활용하여 두 시스템이 효과적으로 간섭 완화를 수행하고 후속적으로 성능을 개선할 수 있도록 합니다.시스템은 상호 간섭을 완화하기 위해 필요한 정보를 서로 공유합니다.협조적인 방법은 스펙트럼 폭주 문제에 대한 효과적인 해결책으로서 공동 시스템을 설계하고 RF 컨버전스를 달성하기 위한 첫 번째 단계입니다.

공동 설계

공동 설계 방법은 스펙트럼 자원을 최적으로 공유하는 새로운 시스템을 설계할 때 레이더와 통신 시스템을 공동으로 고려하는 것으로 구성된다.이러한 시스템은 주파수를 효율적으로 활용하기 위해 처음부터 공동으로 설계되며, 시스템 설계에 대한 고립된 접근방식과 비교할 때 성능상의 이점을 얻을 수 있다.공동 설계된 시스템이 반드시 물리적으로 공존할 필요는 없습니다.동일 플랫폼에서 작동하는 경우, 일반적으로 이중 기능 레이더 통신 [16]시스템이라고 하는 접근 방식인 통신 메시지를 전달하기 위해 레이더 빔과 파형을 변조하는 경우를 공동 설계에 포함합니다.예를 들어, 최근 실험적으로 입증된 공동 설계 접근방식은 다음과 같다.

  • 탠덤 호프 레이더 및 통신(THORaC)[17] - 왜곡되지 않은 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 서브캐리어가 주파수 변조(FM) 레이더 파형에 내장됨
  • 위상 부착 레이더/통신(PARC)[18] - FM과 연속 위상 변조(CPM)가 단일 파형으로 병합됩니다.
  • 원거리 방사 방사 설계(FFRED)[19][20] FM 다중 입력 및 다중 출력(MIMO) 파형으로 서로 다른 공간 방향으로 별도의 레이더 및 통신 빔을 생성합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Griffiths, Hugh; Cohen, Lawrence; Watts, Simon; Mokole, Eric; Baker, Chris; Wicks, Mike; Blunt, Shannon (2015). "Radar Spectrum Engineering and Management: Technical and Regulatory Issues". Proceedings of the IEEE. 103: 85–102. doi:10.1109/jproc.2014.2365517.
  2. ^ a b c d Paul, Bryan; Chiriyath, Alex R.; Bliss, Daniel W. (2017). "Survey of RF Communications and Sensing Convergence Research". IEEE Access. 5: 252–270. doi:10.1109/access.2016.2639038.
  3. ^ "RF Communications and Sensing Convergence: Theory, Systems, and MATLAB-in-the-Loop Experiments Video". www.mathworks.com. Retrieved 2019-03-21.
  4. ^ Chiriyath, Alex R.; Paul, Bryan; Bliss, Daniel W. (2017). "Radar-Communications Convergence: Coexistence, Cooperation, and Co-Design". IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking. 3: 1–12. doi:10.1109/TCCN.2017.2666266. S2CID 13648867.
  5. ^ Blunt, Shannon D.; Perrins, Erik S. (October 2018). Radar and communication spectrum sharing. Blunt, Shannon D.; Perrins, Erik Samuel, 1973-. Edison. ISBN 9781785613579. OCLC 1079815876.
  6. ^ Cailean, A.; Cagneau, B.; Chassagne, L.; Topsu, S.; Alayli, Y.; Blosseville, J-M. (2012). "Visible light communications: Application to cooperation between vehicles and road infrastructures" (PDF). 2012 IEEE Intelligent Vehicles Symposium. pp. 1055–1059. doi:10.1109/ivs.2012.6232225. ISBN 9781467321181. S2CID 6069018.
  7. ^ a b Sturm, Christian; Wiesbeck, Werner (2011). "Waveform Design and Signal Processing Aspects for Fusion of Wireless Communications and Radar Sensing". Proceedings of the IEEE. 99 (7): 1236–1259. doi:10.1109/jproc.2011.2131110. S2CID 1002111.
  8. ^ Orlando, V (1989). "The Mode S beacon radar system". Lincoln Laboratory Journal. 2 (3): 345–362.
  9. ^ "Shared Spectrum Access for Radar and Communications (SSPARC)". www.darpa.mil. Retrieved 2018-07-27.
  10. ^ Fortino, Giancarlo; Pathan, Mukaddim; Di Fatta, Giuseppe (2012). "Body Cloud: Integration of Cloud Computing and body sensor networks". 4th IEEE International Conference on Cloud Computing Technology and Science Proceedings. pp. 851–856. doi:10.1109/cloudcom.2012.6427537. ISBN 9781467345101. S2CID 17482174.
  11. ^ Alamri, Atif; Ansari, Wasai Shadab; Hassan, Mohammad Mehedi; Hossain, M. Shamim; Alelaiwi, Abdulhameed; Hossain, M. Anwar (January 2013). "A Survey on Sensor-Cloud: Architecture, Applications, and Approaches". International Journal of Distributed Sensor Networks. 9 (2): 917923. doi:10.1155/2013/917923. ISSN 1550-1477.
  12. ^ Gu, Changzhan; Peng, Zhengyu; Li, Changzhi (2016). "High-Precision Motion Detection Using Low-Complexity Doppler Radar with Digital Post-Distortion Technique". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques: 1–11. doi:10.1109/tmtt.2016.2519881. S2CID 17399822.
  13. ^ Lipsky, Jessica. "Google Gestures at 60 GHz". EE Times.
  14. ^ Langer, Klaus-Dieter; Grubor, Jelena (2007). "Recent Developments in Optical Wireless Communications using Infrared and Visible Light". 2007 9th International Conference on Transparent Optical Networks. pp. 146–151. doi:10.1109/icton.2007.4296267. ISBN 978-1424412488. S2CID 17692631.
  15. ^ Bidigare, P. (2002). "The Shannon channel capacity of a radar system". Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, 2002. Vol. 1. pp. 113–117. doi:10.1109/acssc.2002.1197159. ISBN 978-0780375765. S2CID 22136743.
  16. ^ Hassanien, Aboulnasr; Amin, Moeness G.; Zhang, Yimin D.; Ahmad, Fauzia (October 2016). "Signaling strategies for dual-function radar communications: an overview". IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 31 (10): 36–45. doi:10.1109/MAES.2016.150225. ISSN 0885-8985. S2CID 8128653.
  17. ^ Ravenscroft, Brandon; McCormick, Patrick M.; Blunt, Shannon D.; Perrins, Erik; Metcalf, Justin G. (2018). "A power-efficient formulation of tandem-hopped radar & communications". 2018 IEEE Radar Conference (RadarConf18). pp. 1061–1066. doi:10.1109/RADAR.2018.8378708. ISBN 978-1-5386-4167-5. S2CID 49190086.
  18. ^ Sahin, Cenk; Metcalf, Justin G.; Kordik, Andrew; Kendo, Thomas; Corigliano, Thomas (2018). "Experimental Validation of Phase-Attached Radar/Communication (PARC) Waveforms: Radar Performance". 2018 International Conference on Radar (RADAR). pp. 1–6. doi:10.1109/RADAR.2018.8557302. ISBN 978-1-5386-7217-4. S2CID 54451278.
  19. ^ McCormick, Patrick M.; Blunt, Shannon D.; Metcalf, Justin G. (2017). "Simultaneous radar and communications emissions from a common aperture, Part I: Theory". 2017 IEEE Radar Conference (Radar Conf). pp. 1685–1690. doi:10.1109/RADAR.2017.7944478. ISBN 978-1-4673-8823-8. S2CID 22734837.
  20. ^ McCormick, Patrick M.; Ravenscroft, Brandon; Blunt, Shannon D.; Duly, Andrew J.; Metcalf, Justin G. (2017). "Simultaneous radar and communication emissions from a common aperture, Part II: Experimentation". 2017 IEEE Radar Conference (Radar Conf). pp. 1697–1702. doi:10.1109/RADAR.2017.7944480. ISBN 978-1-4673-8823-8. S2CID 21968573.