Динамическое разделение спектра между активными и пассивными пользователями на частотах выше 100 ГГц

Jun 19, 2023

Инженерия связи, том 1, номер статьи: 6 (2022 г.) Цитировать эту статью

5807 Доступов

7 цитат

44 Альтметрика

Подробности о метриках

Беспроводные сети шестого поколения будут объединять больший, чем когда-либо, мобильный трафик в транзитные каналы сверхвысокой пропускной способности, которые можно будет развернуть в практически неиспользуемом диапазоне частот выше 100 ГГц. Однако действующие правила не позволяют выделять большие смежные полосы для связи на этих частотах, поскольку несколько узких полос зарезервированы для защиты служб пассивного зондирования. К ним относятся радиоастрономические спутники и спутники исследования Земли, использующие датчики, которые страдают от вредных помех со стороны активных передатчиков. Здесь мы показываем, что активное и пассивное совместное использование спектра выше 100 ГГц возможно путем внедрения и экспериментальной оценки прототипа двухдиапазонной транзитной связи в реальном времени, который отслеживает присутствие пассивных пользователей (в данном случае спутник НАСА «Аура») и автоматически предотвращает помехи. диапазоны переключения (123,5–140 ГГц и 210–225 ГГц). Наша система обеспечивает широкополосную передачу в диапазоне выше 100 ГГц, избегая при этом вредных помех для спутниковых систем, прокладывая путь к инновационной политике и технологиям использования спектра в этих важнейших диапазонах.

Цифровой трансформации нашего общества способствует наличие фундаментального, невидимого, но дефицитного ресурса – электромагнитного спектра1,2,3,4. Помимо обеспечения обмена информацией посредством беспроводной связи, электромагнитный спектр также является богатым источником информации посредством зондирования. Конечная природа спектра создает конкурирующие интересы в области связи и зондирования. Эти расходящиеся интересы, выраженные различными научными сообществами, государственными организациями и отраслями промышленности, привели к жесткому распределению спектра со стороны национальных и международных регулирующих органов, таких как Международный союз электросвязи (ITU)5 или Федеральная комиссия по связи (FCC)6. начиная с 1930-х годов.

Для поддержки большего количества устройств и приложений со сверхвысокой пропускной способностью беспроводным сетям 6-го поколения (6G) потребуются скорости передачи данных, которые на несколько порядков выше, чем доступны сегодня, что увеличивает потребность в спектре7. В то время как 5-е поколение (5G) мобильных сетей использует несущие частоты до 71 ГГц8, 6G выйдет за пределы 100 ГГц9,10,11 для объединения данных многих мобильных пользователей в транзитных каналах сверхвысокой пропускной способности.

Однако связь в этом диапазоне спектра ограничена сосуществованием пассивных пользователей, которые (i) не осуществляют передачу и (ii) используют только высокочувствительные радиочастотные (РЧ) датчики для исследования Земли, мониторинга погоды и радиоастрономии6,12. На пассивных пользователей могут негативно влиять помехи от активных передач13. Таким образом, они сохраняют эксклюзивный доступ к относительно узким частям спектра выше 100 ГГц, предотвращая выделение смежных участков с полосой пропускания в десятки ГГц для связи5,6. Например, в США наибольшие распределения для активных передач в диапазоне от 100 до 275 ГГц составляют 32,5 ГГц (116–148,5 ГГц) и 18,5 ГГц (231,5–250 ГГц), но только 12,25 ГГц (несмежные) выделены для неограниченной фиксированной связи. или использование наземной мобильной связи6. Передача строго запрещена в диапазоне 33,5 ГГц и обусловлена ​​защитой сосуществующих пассивных пользователей в остальном спектре.

Эти консервативные правила применяются даже без использования пассивными пользователями спектра для зондирования. Это предотвращает мультиплексирование неиспользуемых ресурсов, что делает этот спектр менее привлекательным для беспроводной транзитной связи14. Чтобы способствовать инновациям в области беспроводной связи в ближайшие годы, становится необходимым разработать решения по совместному использованию спектра между системами связи и пассивными системами зондирования, что и является основным вкладом данной статьи. Более того, в то время как наземные станции зондирования могут быть защищены за счет географического разделения, орбитальные спутниковые системы требуют решений динамического совместного использования, основанных на самоадаптивных беспроводных каналах. Действительно, мы показываем – с помощью точного бюджета канала, основанного на моделях каналов ITU, – что активные передатчики могут фактически создавать вредные помехи для высокочувствительных датчиков на спутниках, находящихся на орбите над системами связи.