Ime strani: ARRSProjekti / 2022 / Teraherčni radijski valovi za zaznavanje in lokalizacijo v prihodnji 6G komunikacijskih sistemih

Teraherčni radijski valovi za zaznavanje in lokalizacijo v prihodnji 6G komunikacijskih sistemih

Nazaj na seznam za leto 2022

Oznaka in naziv projekta

J2-4461 Teraherčni radijski valovi za zaznavanje in lokalizacijo v prihodnji 6G komunikacijskih sistemih
J2-4461 Terahertz radio waves for sensing and localization in future 6G communication systems

Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev

© Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Projektna skupina

Vodja projekta: Andrej Hrovat

Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS

Vsebinski opis projekta

Za zagotavljanje povezav za pametne storitve z zavedanjem konteksta sta zaznavanje okolja v realnem času in informacija o točni lokaciji v kombinaciji z visoko zmogljivimi komunikacijskimi storitvami bistvenega pomena. Teraherčne komunikacije so ključni dejavnik za prihodnje komunikacijske sisteme 6G, kjer prihajajoče aplikacije zahtevajo hitrosti podatkov v terabitih na sekundo, čas dospetja v desetinkah milisekunde z ničelnim trepetanjem, zaznavanje in lociranje z milimetrsko natančnostjo, povečanje spektralne učinkovitosti in gostote naprav ter brezprekinitveno povezljivost. Snovanje in izvedba koncepta združene komunikacije, zaznavanja okolja in natančne lokalizacije v komunikacijskih sistemih 6G zahteva natančno poznavanje in modeliranje THz radijskega kanala. Zato je treba pred dejanskim razvojem novih metod za zaznavanje okolja in lokalizacijo z meritvami in simulacijami z umerjenimi determinističnimi ali stohastičnimi modeli kanala določiti ustrezne lastnosti THz kanala. V projektu bomo preverili ali se lahko THz kanal uporabimo za združeno komunikacijo, zaznavanje okolja in natančno lokalizacijo. Preučili, identificirali in razvili bomo nove modele THz kanalov, primernih za načrtovanje in vrednotenje združene komunikacije, zaznavanja okolja in natančno lokalizacijo v notranjem okolju z izkoriščanjem komunikacij 6G. Raziskovali bomo glavne mehanizme širjenja v THz frekvenčnem pasu in identificirali metodološke zahtev za združeno komunikacijo, zaznavanje in lokalizacijo v notranjem okolju, katere rezultat je nabor mehanizmov širjenja in parametrov kanala, ki so ključni za združeno komunikacijo, zaznavanje in lokalizacija v THz frekvenčnem pasu. Nadaljevali bomo zmodeliranjem identificiranega nabora mehanizmov širjena radijskega valovanj in parametrov kanala ter dopolnjevanjem modelov komunikacijskih kanalov z izbranimi mehanizmi s katerimi omogočimo njihovo uporabo v združeni komunikaciji, zaznavanju in lokalizaciji. Sledilo bo načrtovanje nove metode za zaznavanje okolja in lokalizacijo, ki izkorišča THz frekvenčni pas z uporabo identificiranih lastnosti kanala. Učinkovitost predlaganih pristopov bomo dokazali in ovrednotili v izbranih scenarijih v notranjih okoljih z načrtovanjem arhitekture za izbrane scenarije in tvorjenjem testnih podatkovnih nizov z nadgrajenim, lastno razvitim orodjem za širjenje radijskih valov v THz frekvenčnem področju.

Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.

Faze projekta

Delovni sklopi projekta

Sklop S1 – Analiza širjenja THz radijskih valov in specifikacija metodoloških zahtev

Sklop S2 – Modeli kanalov za združeno komunikacijo, zaznavanje in lokalizacijo v THz frekvenčnem pasu

Sklop S3 – Predlog nove metode za zaznavanje okolja in lokalizacijo z izkoriščanjem THz frekvenčnega pasu

Sklop S4 – Ovrednotenje predlaganega pristopa za zaznavanje in lokalizacijo okolja v THz frekvenčnem področju

Mejniki projekta in opis njihove realizacije

Cilji projekta in opis njihove realizacije

Cilj C1: Poglobljena raziskava glavnih mehanizmov širjenja v THz frekvenčnem pasu

Kritično smo pregledali in poglobljeno analizirali mehanizme širjenja radijskih valov, ki so ključnega pomena za združeno komunikacijo, zaznavanje in lokalizacijo. V začetni fazi projekta smo preučevali značilnosti širjenja in karakteristike THz radijskih valov tako v zunanjih kot tudi notranjih okoljih, kar je bistvenega pomena za učinkovit razvoj vsakega komunikacijskega sistema. Identificirali smo glavne vplive na širjenje THz signalov v zunanjih okoljih. Glavni poudarke pa je bil na identifikaciji mehanizmov razširjanja v THz pasu v notranjih okoljih. Ugotovili smo, da z naraščanjem frekvence hrapavost površin postaja vedno pomembnejša in je ključni dejavnik, ki vpliva na lastnosti sprejetega signala in ga je potrebno vedno upoštevati. V nadaljevanju smo se podrobneje pregledali parametre radijskega kanala, jih analizirali z vidika THz komunikacij ter njihove karakteristike primerjali z lastnostmi v nižjih milimetrskih in centimetrskih frekvenčnih področjih. Ugotovili smo, da so eksponentne vrednosti izgube poti bližje vrednostmi v praznem prostoru kot pa vrednostmi v milimetrskem in centimetrskem področju. Vrednosti presiha zaradi senčenja in prostorske razpršitve signala se bistveno ne razlikujejo od tistih pri nižjih frekvencah, medtem ko so vrednosti zakasnitve razpršitve manjše, vrednosti faktorja K pa večje, saj je neposredna pot signala med oddajnikom in sprejemnikom pri višjih frekvencah dominantnejša. Za dosego visokega razmerja signal/šum je THz področju treba uporabljati antene z visokim dobitkom, ki omogočajo visoke hitrosti prenosa podatkov kljub majhnim oddajnimi močmi, nizki občutljivosti sprejemnika in visokemu slabljenju signala na prenosni poti. Pogosto se uporabljajo polja anten. Ker je doseg komunikacije v THz pasu razmeroma kratek, polja anten pa razmeroma velika, smo preučevali tudi vpliv bližnjega polja ter oblikovanje in usmerjanje žarkov, kar je ključnega pomena pri komuniciranju v THz pasu. Pomemben del raziskav je zajemal analizo uporabnosti THz radijskih valov za združeno komunikacijo, zaznavanje in lokalizacijo. Pristop omogoča boljšo uporabo razpoložljivega spektra, izboljšanje učinkovitosti usmerjanja signalov, združeni sistemi so lahko cenejši, omogočajo zaznavanje na širokih področjih s pomočjo bolj zgoščenih celičnih sistemov, itd. Ker je interakcija THz valov z okoljem specifična, smo identificirali več prednosti in tudi izzivov, ki pri nižjih frekvencah niso prisotni oziroma manj izraziti kot so. Med te spadajo široka razpoložljiva pasovna širina, specifične interakcije THz signalov z okolico in materiali, visoke izgube poti, sipanje signala na površinah, in pojav bližnjega polja. Na osnovi obsežnih analiz smo identificirali tudi metodologijo za združeno komunikacijo, zaznavanje in lokalizacijo.

Cilj C2: Modeliranje identificiranega nabora mehanizmov širjena radijskega valovanj in parametrov kanala

Izvedli smo obširne analize primernosti in pomanjkljivosti obstoječih modelov kanalov predlaganih za milimetrsko in THz frekvenčno področje ter raziskali njihovo uporabnost za združeno komunikacijo, zaznavanje in lokalizacijo. Izkazalo se je, da je modeliranje kanalov za THz frekvenčne pasove, zlasti za tehnologije združene komunikacije, zaznavanja in lokalizacije, še vedno v začetni fazi. Na osnovi simulacij polnega vala in modela neposrednega sipanja smo predlagali modificiran model neposrednega sipanja primeren za ISAC, ki opisuje sipanje THz radijskega signala na grobih površinah. Napredujoči sipani valovi se uporabljajo za komunikacijo, valovi sipani proti izvoru pa za zaznavanje. Na osnovi referenčne točke so določeni skupki sipanih valov za komunikacijo in zaznavanje. Postopek modeliranja THz kanala je uporaben za tvorjenje parametrov kanala v poljubnem scenariju in je verificiran z referenčnim modelom QuaDriGa. Sipanja radijskih valov na hrapavih površinah je eden izmed ključnih pojavov v THz frekvenčnem področju. Zato smo poglobljeno analizirali pojav in predlagali splošno parametrično metodologijo za natančno modeliranje hrapavih površin, ki smo jo preverili s simulatorjem polnega vala pri 300 GHz. Predlagali, implementirali in ovrednotili smo nov tridimenzionalni model sipanja, ki se je izkazal za dovolj natančnega pri modeliranju sipanja signal v THz frekvenčnem pasu. Raziskave nadaljujemo v smeri razvoja tridimenzionalnega stohastičnega modela sipanja. Prve analize kažejo dobro ujemanje z rezultati simulatorja polnega vala. Model je možno integrirati v standardne orodja za modeliranja kanalov. Vzporedno nadgrajujemo tudi lastno razvito orodje za modeliranje razširjanja radijskih valov z novimi pristopi in metodami, ki so primerni za modeliranje radijskega signala na frekvencah, ki so predvidene za prihajajoče mobilne komunikacijske sisteme.

Cilj C3: Načrtovanje nove metode za zaznavanje okolja in lokalizacijo

V cilju C3 smo se osredotočili na zasnovo novih metod za zaznavanje okolja in lokalizacijo, ki jih je možno združiti tudi s komunikacijo. Pregled in analizo trenutnega stanja na področju zaznavanja in lokalizacije smo nadgradili tudi z vidikom vpliva na komunikacije, saj večina predlaganih pristopov zmanjšuje komunikacijske zmogljivosti. Tako smo funkcijo lokalizacije integrirali v komunikacijski protokol IEEE 802.15.4 TSCH. Razvili smo dve novi metodi za določanje razdalje na osnovi fazne razlike med več nosilci. Razdalja med dvema napravama je določena z vsakim prenesenim podatkovnim paketom. Izboljšali smo najsodobnejše algoritme za ocenjevanje razdalje na podlagi faze, saj smo zmanjšali število potrebnih vzorcev faze. Za natančnejše določanje lokacije smo protokol IEEE 802.15.4 TSCH dodatno razširili s funkcijo ocenjevanja kota prihoda signala. Rešitev vključuje razširitev časovnega okna protokola TSCH in oceno kota prihoda signala z metodo ocene in umerjanja odmika nosilne frekvence. Predlagani pristop smo preizkusili z meritvami v notranjem okolju. Uporabili smo cenovno dostopno opremo in polje anten, ki smo ga zasnovali kot enakomerno krožno antensko polje (UCCA) in vsebuje 12 monopolnih anten, RF stikala za izbiro aktivne antene in omogoča natančno ocenjevanje smeri prihoda signala. Delovanje polja anten smo preizkusili s simulacijami in z meritvami tako na prostem kot v notranjosti stavb in pokazali, da je napaka ocene prihoda signala manjša od ene stopinje.

Cilj C4: Dokaz in ovrednotenje učinkovitosti predlaganih pristopov

Predlagane rešitve za določanje razdalje in kota prihoda signala smo ovrednotili tudi z nizi testnih podatkov, ki so bili zajeti zna namensko merilno opremo tako v notranjih prostorih kot tudi na prostem. Trenutno smo v fazi določanja testnih scenarijev. Za nekatere že definirane smo uspeli pridobiti meritve radijskega kanala v THz frekvenčnemu pasu, hkrati pa za namen tvorjenja testnih podatkov v orodju za modeliranje radijskih kanalov implementiramo že definirane scenarije.

Bibliografske reference

Nazaj na seznam za leto 2022