Prototypage efficace de systèmes communs de communication et de détection 6G

​Combiner communication et détection

Les réseaux de véhicules autonomes, parmi d’autres applications, intègrent déjà la détection radar et les communications sans fil. Traditionnellement, chaque service (radar et communication) fonctionne sur sa propre bande de fréquences et nécessite sa propre plate-forme matérielle. Pour la 6G, cependant, les deux fonctionnalités seront probablement intégrées et partageront la même waveform. Cela permettra une utilisation efficace du matériel et du spectre, améliorera l’efficacité des deux services et donnera lieu à de nombreuses nouvelles applications. Cette approche est connue sous le nom de communication conjointe et détection radar (JC&S) ou détection et communications intégrées (ISAC). L’objectif est de proposer un radar en tant que service (RaaS) à la demande dans le réseau de communication, en réutilisant les mêmes ressources radio et en utilisant une seule plate-forme matérielle (Fig. 1). L’Institut Barkhausen de Dresde mène des recherches sur ce système JC&S et utilise pour sa validation matérielle un framework logiciel développé par NOFFZ, ce qui permet aux chercheurs d’utiliser le système émetteur-récepteur à ondes millimétriques de NI pour un prototypage efficace.

^{Figure 1. Un scénario de communication et de détection conjointes avec une voiture, des personnes sur la route et une station de base. (1)}

Exigences de test pour le prototypage JC&S

JC&S devrait être l’une des principales fonctionnalités des réseaux Beyond 5G (B5G). La combinaison des systèmes radar et de communication nécessite la conception d’émetteurs-récepteurs plus économiques et plus économes en énergie. Les chercheurs de l’Institut Barkhausen étudient de nouvelles waveforms et des techniques de traitement du signal appropriées qui peuvent être appliquées de manière efficace et rentable à ces deux fins. En août 2019, ils ont lancé un appel d’offres pour un système émetteur-récepteur à ondes millimétriques de 74 GHz permettant à la fois la conception et la validation des technologies de communication et de radar. L’expertise de NOFFZ relative à la plate-forme matérielle du système de test à ondes millimétriques NI, la programmation FPGA à haut débit et le développement logiciel en général s’est avérée excellente pour fournir aux chercheurs de l’Institut Barkhausen une API simple permettant de contrôler la génération et la mesure de waveforms arbitraires dans la gamme mmWave.

Aperçu et avantages de la solution

NOFFZ a fourni un système de test complet comprenant un framework logiciel qui permet aux chercheurs de se concentrer sur leur domaine d’expertise et de réduire la complexité des interactions avec le matériel.

La plate-forme matérielle sélectionnée (système émetteur-récepteur à ondes millimétriques NI avec têtes radio) couvre les fréquences opérationnelles de 71 à 76 GHz avec une bande passante en temps réel de 2 GHz et une gamme de gain analogique de 55 dB. Elle a également été sélectionnée en raison des trois modes de fonctionnement disponibles pour les voies TX et RX. Le système comprend du matériel en bande de base et IF, permettant une flexibilité lors de l’utilisation de différents frontaux RF ou de signaux IF ou en bande de base uniquement. Il prend en charge des fréquences d’échantillonnage I/Q jusqu’à 3,072 Géch./s et une résolution de données I/Q de 12 bits. Les FPGA intégrés de NI Flexrio pourraient être utilisés pour traiter les voies 2 GHz en temps réel ou implémenter divers algorithmes de traitement numérique du signal (DSP). De plus, l’architecture du système pourrait prendre en charge de nouveaux environnements logiciels grâce à l’extension des API.

^{Figure 2. L’architecture du système permet une flexibilité des modes de fonctionnement et le remplacement modulaire des différents éléments.} 

Le deuxième avantage est la synchronisation du système. Les deux systèmes PXI peuvent fonctionner de manière autonome ou en mode synchronisé. Pour ce dernier, un module de cadencement et de synchronisation (NI PXIe-6674T) a été ajouté à la configuration de base du système émetteur-récepteur à ondes millimétriques. Les deux systèmes PXI peuvent partager un déclenchement de démarrage pour la transmission et les deux récepteurs. Ils peuvent également fonctionner de manière cohérente en partageant les LO. Une fois le système initialisé, la stabilité de synchronisation (jitter de déclenchement) est inférieure à 1 ns. La valeur requise de 25 ns est donc largement respectée.

^{Figure 3. Le système de test à ondes millimétriques se compose de deux sous-systèmes. Le système A (émetteur-récepteur, dispositif inférieur) prend en charge la transmission et la réception cohérentes du signal RF avec des échantillons IQ personnalisés et est utilisé pour l’analyse du signal radar. Le système B (récepteur, dispositif supérieur) reçoit les signaux RF et est principalement utilisé pour le signal de communication. (2)}

L’architecture système décrite a également remporté l’appel d’offres grâce au logiciel d’application évolutif et modulaire. NOFFZ a conçu trois modules :  

1. Application de contrôle d’instruments à ondes millimétriques
2. Application de service de commande
3. API Python  

Comme demandé dans l’appel d’offres, le contrôle à distance des instruments a été mis en œuvre via l’API Python. Les modules exécutés sur le système à ondes millimétriques NI ont été implémentés à l’aide de NI LabVIEW. Le module NI LabVIEW FPGA permet d’étendre le code FPGA de référence pour une couverture en bande de base numérique dans les voies TX et RX. Les modules et les applications communiquent entre eux à l’aide de la bibliothèque TCP ZeroMQ (ZMQ), couramment utilisée pour la gestion des connexions lors de l’utilisation de plusieurs cibles et langages de programmation différents. De plus, une interface utilisateur a été développée à des fins de mise au point et de contrôle et s’exécute localement sur les systèmes PXI. Un mode de simulation permet de tester et d’expérimenter l’API même sans accès matériel.

^{Figure 4. L’architecture logicielle en trois parties du système de test à ondes millimétriques NI développée et implémentée par NOFFZ.}

L’objectif de NOFFZ était de développer un framework logiciel complet permettant l’abstraction du matériel complexe RF à ondes millimétriques et fonctionnant avec des API simples. Les utilisateurs peuvent ainsi facilement maximiser l’utilisation du matériel. Le système émetteur-récepteur à ondes millimétriques NI est une radio logicielle prête à l’emploi avec support d’API pour NI LabVIEW et un exemple de projet de streaming de base. Trouver de nouvelles waveforms pour un système JC&S nécessite de nouvelles propositions basées sur le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) ou l’onde continue modulée en fréquence (FMCW). Sous le capot, cela a nécessité le développement de compléments FPGA ouvrant la DRAM embarquée pour des tailles d’échantillons et des corrections de signaux plus importantes.

Résumé et perspectives

En théorie, la communication sans fil et la détection radar reposent sur le même phénomène physique, à savoir la propagation des ondes électromagnétiques, et peuvent donc partager la même waveform, le même spectre et le même matériel. En pratique, toutefois, cela nécessite des recherches approfondies et un prototypage.

Les chercheurs de l’Institut Barkhausen ont franchi les premières étapes grâce au système de test à ondes millimétriques décrit précédemment. La plate-forme modulaire leur a permis de tester des algorithmes de communication et de démontrer leur concept. Certains résultats sur les waveforms basées sur le chirp et les défis liés au matériel RF ont déjà été publiés dans des articles évalués par des pairs. La réalisation dans un cas d’utilisation automobile ou autre dépendra finalement de la rentabilité du système fonctionnel commun. Le développement et l’implémentation par NOFFZ de l’API Python et des compléments FPGA permettront, espérons-le, d’accélérer le processus. 

Informations sur l’auteur :

Thomas Magruder, General Manager, NOFFZ Technologies USA Inc. thomas.magruder@noffz.com +1 512 692 7137 NOFFZ Technologies USA Inc. 2808 Longhorn Blvd, Suite 308 Austin, TX 78758, États-Unis,
Milos Radulović, Managing Director, NOFFZ-Forsteh Technologies d.o.o., Belgrade, Serbie,
Markus Solbach, Director Sales & Marketing, Managing Director, NOFFZ Technologies, Tönisvorst, Allemagne,
Vanessa Blumenstein, Technical Marketing Manager, NOFFZ Technologies, Tönisvorst, Allemagne,
Dr. Tim Hentschel, Managing Director, Barkhausen Institut gGmbH, Dresde, Allemagne

Références :

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

^{(2) © Lichtwerke Design Fotografie, avec l’aimable autorisation de l’Institut Barkhausen​}