Generar prototipos de sistemas 6G de detección y comunicaciones conjuntas de manera eficiente

​Combinar comunicación y detección

Las redes de vehículos autónomos, entre otras aplicaciones, ya incorporan detección por radar y comunicaciones inalámbricas. Tradicionalmente, cada servicio (radar y comunicación) opera en su propia banda de frecuencia y requiere su propia plataforma de hardware. En 6G, sin embargo, es probable que ambas funcionalidades estén integradas y compartan la misma forma de onda. Esto permitirá un uso eficiente del hardware y el espectro, mejorará la eficiencia de ambos servicios y abrirá la posibilidad de muchas nuevas aplicaciones. Este enfoque se conoce como comunicación y detección por radar conjuntas (JC&S) o detección y comunicaciones integradas (ISAC), y la visión es ofrecer radar como servicio (RaaS) bajo demanda en la red de comunicación, reutilizando los mismos recursos de radio y empleando una sola plataforma de hardware (Fig. 1). El Instituto Barkhausen en Dresden está investigando un sistema JC&S de este tipo, y para su validación de hardware está empleando un framework de software desarrollado por NOFFZ, lo que permite a los investigadores utilizar el sistema transceptor de onda milimétrica de NI para una generación de prototipos eficiente.

^{Figura 1. Un escenario conjunto de comunicación y detección con un automóvil, personas en la carretera y una estación base. (1)}

Requisitos de prueba para generación de prototipos JC&S

Se espera que JC&S sea una de las características clave en las redes Beyond 5G (B5G). La combinación de sistemas de radar y comunicación requiere el diseño de transceptores más eficientes en términos de costo y energía. En el Instituto Barkhausen, los investigadores están investigando nuevas formas de onda y técnicas apropiadas de procesamiento de señales que se puedan aplicar de manera eficiente y rentable para ambos propósitos. En agosto de 2019, abrieron una licitación pública en busca de un sistema transceptor de onda milimétrica de 74 GHz que permitiera tanto el diseño como la validación de tecnologías de comunicación y radar. La experiencia de NOFFZ en la plataforma de hardware del sistema de pruebas de onda milimétrica, programación de FPGA de alto rendimiento y desarrollo de software general, fue una excelente opción para proporcionar a los investigadores del Instituto Barkhausen una API simple para controlar la generación y medidas de formas de onda arbitrarias en el rango de onda milimétrica.

Descripción general y beneficios de la solución

NOFFZ proporcionó un sistema de pruebas completo que incluye un framework de software que permite al investigador enfocarse en su área de especialización y abstraer la compleja interacción con el hardware.

La plataforma de hardware seleccionada (sistema de transceptor de onda milimétrica con cabezales de radio) cubre frecuencias operativas de 71 a 76 GHz con un ancho de banda en tiempo real de 2 GHz y un rango de ganancia analógica de 55 dB. También se seleccionó debido a los tres modos operativos disponibles para las rutas de TX y RX. El sistema incluye hardware IF y banda base, lo que permite flexibilidad para usar diferentes frentes de RF o usar señales de banda base o IF únicamente. Soporta velocidades de muestreo I/Q de hasta 3.072 GSps y resolución de datos I/Q de 12 bits. Los FPGAs FlexRIO integrados podrían usarse para procesar los canales de 2 GHz en tiempo real o para implementar varios algoritmos de procesamiento de señales digitales (DSP). Además, la arquitectura del sistema podría soportar nuevos entornos de software a través de la extensión de la API.

^{Figura 2. La arquitectura del sistema permite flexibilidad en modos de operación y reemplazo modular de diferentes partes.} 

La segunda ventaja es la sincronización del sistema. Los dos sistemas PXI pueden operar de manera independiente o en modo sincronizado. Para este último, se ha agregado un módulo de temporización y sincronización (NI PXIe-6674T) a la configuración base del sistema transceptor de onda milimétrica. Los dos sistemas PXI pueden compartir un disparo de inicio para transmisión y ambos receptores. Alternativamente, pueden operar en operación coherente compartiendo LOs. Una vez inicializado el sistema, la estabilidad de sincronización (fluctuación de disparor) es inferior a 1 ns. Esto significa que el valor requerido de 25 ns se cumple por mucho.

^{Figura 3. El sistema de pruebas de onda milimétrica consta de dos subsistemas. El sistema A (transceptor, dispositivo inferior) soporta transmisión y recepción coherentes de señales de RF con muestreos de IQ personalizados y se utiliza para el análisis de señales de radar. El sistema B (receptor, dispositivo superior) recibe las señales de RF y se utiliza principalmente para la parte de señal de comunicación. (2)}

La arquitectura del sistema descrita ganó la licitación también por el software de aplicación escalable y modular. NOFFZ diseñó tres módulos:  

1. Aplicación de control de instrumentos de onda milimétrica
2. Aplicación de servicio de comando
3. API de Python  

Tal como se solicitó en la licitación, el control remoto de instrumentos se implementó a través de la API de Python. Los módulos que se ejecutan en el sistema de onda milimétrica de NI han sido implementados utilizando NI LabVIEW. El módulo NI LabVIEW FPGA permite que el código FPGA de referencia se extienda para cobertura de banda base digital en rutas TX y RX. Los módulos y las aplicaciones se comunican entre sí utilizando la biblioteca TCP ZeroMQ (ZMQ), que es común para la administración de conexiones cuando se utilizan varios dispositivos y diferentes lenguajes de programación. Además, se ha desarrollado una interfaz de usuario con fines de depuración y control que se ejecuta localmente en los sistemas PXI. Un modo de simulación permite probar y experimentar con la API incluso sin acceso al hardware.

^{Figura 4. Se desarrolló e implementó la arquitectura de software de tres partes para el sistema de pruebas de onda milimétrica de NOFFZ.}

El objetivo de NOFFZ era desarrollar un framework de software completo que permitiera la abstracción de hardware complejo de RF de onda milimétrica y funcionara con APIs simples. Esto facilita a los usuarios maximizar la utilización del equipo. El sistema transceptor de onda milimétrica es una radio definida por software lista para usar con soporte de API para NI LabVIEW y un proyecto básico de transmisión. Encontrar nuevas formas de onda para un sistema JC&S requiere nuevas propuestas basadas en multiplexación por división de frecuencia ortogonales (OFDM) u onda continua modulada en frecuencia (FMCW). Esto requirió el desarrollo de adiciones de FPGA que abrieran la DRAM integrada para tamaños de muestreo más altos y correcciones de señal.

Resumen y panorama

En teoría, la comunicación inalámbrica y la detección por radar se basan en el mismo fenómeno físico, específicamente, la propagación de ondas electromagnéticas, y por lo tanto pueden compartir la misma forma de onda, espectro y hardware. En la práctica, sin embargo, esto requiere una extensa investigación y generación de prototipos.

Los investigadores del Instituto Barkhausen lograron cumplir rápidamente con los objetivos iniciales con el sistema de pruebas de onda milimétrica descrito anteriormente. La plataforma modular les permitió probar algoritmos de comunicación y demostrar su concepto. Algunos resultados de los desafíos del hardware de RF y formas de onda basadas en chirp ya se han publicado en artículos revisados por colegas. La realización en un caso de uso automotriz u otro, dependerá de la rentabilidad del sistema funcional. Se espera que el desarrollo de NOFFZ e implementación de la API de Python y las adiciones de FPGA aceleren el proceso. 

Información del autor:

Thomas Magruder, gerente general, NOFFZ Technologies USA Inc. thomas.magruder@noffz.com +1 512 692 7137 NOFFZ Technologies USA Inc. 2808 Longhorn Blvd, Suite 308 Austin, TX 78758, USA,
Milos Radulović, director general, NOFFZ-Forsteh Technologies doo, Belgrado, Serbia,
Markus Solbach, director de ventas y marketing, director general, NOFFZ Technologies, Tönisvorst, Alemania,
Vanessa Blumenstein, gerente técnica de marketing, NOFFZ Technologies, Tönisvorst, Alemania,
Dr. Tim Hentschel, director general, Barkhausen Institut gGmbH, Dresde, Alemania

Referencias:

^{(1) https://www.barkhauseninstitut.org/en/research/research-topics/joint-radar-and-communication, 9 de junio de 2021}

^{(2) © Lichtwerke Design Fotografie, cortesía del Instituto Barkhausen​}