電磁無線周波数収束

電磁無線周波数( RF )コンバージェンスは、複数のRFシステムが有限量のリソースを相互に共有する必要がある場合に利用される信号処理パラダイムです。 RF コンバージェンスは、リソースを共有する RF システムのネットワーク全体の理想的な動作点を示し、システムが相互に有益な方法でリソースを効率的に共有できるようにします。 通信スペクトルの混雑は最近、電気通信部門でますます重要な問題になっているため、研究者はリモート センシングシステム (レーダーなど) と通信システム間の協調的なスペクトル共有のために RF コンバージェンスを実現する方法の研究を開始しました。^[1]結果として、RF コンバージェンスは一般に、スペクトル リソースがネットワークのすべてのノード (またはシステム) によって相互に有益な方法で共同で共有されるリモート センシングおよび通信ネットワークの動作点と呼ばれます。^[2]リモート センシングと通信には、相反する要件と機能があります。 さらに、リモート センシングと通信間のスペクトル共有アプローチは、伝統的に両方のシステムを分離または隔離する (時間的、スペクトル的、または空間的に) ものでした。^[3]この結果、下位互換性のないストーブパイプ設計になります。ハイブリッドRFシステムの将来は、柔軟なシステム設計と実装による感性の共存と連携を必要とします。したがって、RFコンバージェンスの達成は、解決が非常に複雑で困難な問題になる可能性があります。リモートセンシングシステムと通信システムをそれぞれ1つずつ含む単純なネットワークであっても、スペクトルリソースを共有するための最適な方法を決定するために考慮する必要がある、時間、空間、周波数領域のいくつかの独立した要因があります。^[4]与えられたスペクトル空間時間リソースマニホールドに対して、実際のネットワークには多数のリモートセンシングモダリティと通信システムが組み込まれ、RFコンバージェンスを達成するという問題は無形になります。

スペクトルの混雑は、RF通信ユーザーが多すぎると電磁スペクトルに同時にアクセスすることに起因します。この混雑により、通信パフォーマンスが低下し、スペクトルリソースへのアクセスが減少したり、制限されたりすることがあります。レーダーと通信アプリケーション間のスペクトル共有は、スペクトル混雑によって引き起こされる問題を緩和する方法として提案されました。これにより、研究者はレーダー通信の協力と共同設計の方法の調査に重点を置くようになりました。^{[1] [5]}国防高等研究計画局（DARPA）などの政府機関は、通信システムとスペクトルを共有してもパフォーマンスが影響を受けないように、軍用レーダーシステムの共存方法を調査する研究に資金提供し始めています。これらの機関はまた、軍用レーダーと通信システム間の協力の限界を調査する基礎研究にも関心を持っており、長期的にはパフォーマンスを向上させるより優れた共同設計方法につながります。ただし、スペクトル共有によって引き起こされる問題は、軍事システムだけに影響を与えるのではありません。自動車レーダー、医療機器、5Gなどの通信システムとスペクトルを共有することで悪影響を受けるリモートセンシングおよび通信アプリケーションは多岐にわたります。さらに、自律走行車やスマートホームネットワークなどのアプリケーションは、協調的なリモートセンシングと通信によって大きなメリットを得ることができます。その結果、研究者は共同リモートセンシングと通信への基本的なアプローチの調査を開始しました。

リモート センシングと通信は、根本的に互いに矛盾する傾向があります。リモート センシングでは通常、既知の情報を環境 (またはチャネル) に送信し、反射された応答を測定します。この応答は、環境に関する未知の情報を抽出するために使用します。たとえば、レーダー システムの場合、既知の情報は送信された信号であり、未知の情報は推定したいターゲット チャネルです。一方、通信システムは基本的に、未知の情報を既知の環境に送信します。通信システムは、環境 (伝搬チャネルとも呼ばれる)がどのようなものであるかを事前に知りませんが、すべてのシステムは、環境が事前に推定されているか、その基礎となる確率分布が既知であるという前提で動作します。両方のシステムが相反する性質を持つため、共同でセンシングと通信を行うことができるシステムを設計する場合、解決策が簡単ではないことは明らかです。共同でセンシングと通信を行うことの難しさから、両方のシステムは、時間、空間、および/または周波数で分離されるように設計されることがよくあります。多くの場合、レガシーシステムが動作モードで他のユーザーを考慮するのは、FCC（米国）などの機関によって定義され、他のユーザーの機能を制限する規制がある場合のみです。^[2]スペクトルの混雑により、リモートセンシングシステムと通信システムの両方でスペクトルリソースを共有することが引き続き必要となるため、RFコンバージェンスを実現することが、ますます混雑する無線スペクトルで最適に機能するための解決策となります。

自動運転、クラウドベースの医療機器、光ベースのアプリケーションなど、いくつかのアプリケーションはRFコンバージェンス研究から恩恵を受けることができます。各アプリケーションには異なる目標、要件、規制があり、RFコンバージェンスの達成には異なる課題があります。^[2]以下に、センシングと通信を統合したアプリケーションの例をいくつか示します。

• 高度道路交通システム（車車間通信）^{[6] [7]}
• 商業飛行管制^[8]
• 通信および軍事レーダー^[9]
• 遠隔医療モニタリングとウェアラブル医療センサー^{[10] [11]}
• 高周波イメージングと通信^{[12] [13]}
• Li-FiとLiDAR ^[14]
• RFIDと資産追跡^[15]
• 有能な無線センサーネットワーク^[7]

共同センシング通信システムは、4 つの異なるタイプのシステム統合に基づいて設計できます。これらのさまざまなレベルは、完全な分離からシステムの完全な共同設計までの範囲です。^[2]非統合 (または分離) や共存などの一部の統合レベルは、本質的に複雑ではなく、センシング システムまたは通信システムの動作方法の全面的な見直しを必要としません。ただし、この複雑さの欠如は、このようなシステム統合方法を採用している共同システムでは、RF コンバージェンスを達成する際に大きなパフォーマンス上の利点が得られないことも意味します。そのため、非統合および共存の方法は、スペクトル輻輳問題に対するより短期的な解決策です。長期的には、共同システムのパフォーマンスを大幅に向上させるには、システムを一緒に共同設計する必要があります。

非統合方式を採用するシステムは、スペクトル空間時間の分離された領域で動作することを余儀なくされます。しかし、現実の世界では、完全な分離は実現不可能であり、その結果、分離されたシステムは漏れ出し、他のシステムが占有しているスペクトル空間時間のセグメントを占有します。これが、非統合方式を採用するシステムが互いに干渉することになる理由であり、採用されている分離の哲学により、各システムは干渉を軽減しようとしません。その結果、各ユーザーのパフォーマンスが低下します。非統合は、一般的で伝統的なソリューションの 1 つであり、ここで強調されているように、問題の一部です。

共存方式を実装するリモート センシング システムと通信システムは、互いに共存し、互いを干渉源として扱うことを余儀なくされます。つまり、非統合方式とは異なり、各システムは干渉緩和を実行しようとします。ただし、両方のシステムは協力的ではなく、他のシステムについての知識がないため、このような干渉緩和を実行するために必要な情報は共有または認識されておらず、推定する必要があります。その結果、干渉緩和のパフォーマンスは推定情報に依存するため、制限されます。

共存方法とは異なり、協調技術では、感知システムと通信システムの両方が互いを干渉源として扱う必要はなく、両方のシステムが何らかの知識や情報を共有します。協調方法では、この共同知識を利用して、両方のシステムが効果的に干渉緩和を実行し、その後パフォーマンスを向上できるようにします。システムは、相互干渉緩和を促進するために、必要な情報を進んで相互に共有します。協調方法は、共同システムを設計し、スペクトル輻輳問題の効果的な解決策として RF コンバージェンスを実現するための第一歩です。

共同設計法は、新しいシステムを設計する際に、スペクトルリソースを最適に共有するためにレーダーシステムと通信システムを共同で検討するものである。このようなシステムは、スペクトルを効率的に利用するために最初から共同設計されており、システム設計への個別のアプローチと比較して、潜在的にパフォーマンス上の利点が得られる可能性がある。共同設計されたシステムは、必ずしも物理的に同じ場所に配置されている必要はない。同じプラットフォームから動作する場合、共同設計には、通信メッセージを伝達するためにレーダービームと波形が変調される場合が含まれ、このアプローチは通常、デュアル機能レーダー通信システムと呼ばれる。^[16]たとえば、最近実験的に実証された共同設計アプローチには次のものがある。

• タンデムホップレーダーと通信（THoRaCs）^[17]では、歪みのない直交周波数分割多重（OFDM）サブキャリアが周波数変調（FM）レーダー波形に埋め込まれている。
• 位相接続レーダー/通信（PARC）^[18]では、FMと連続位相変調（CPM）が単一の波形に統合されている。
• 遠距離場放射設計（FFRED）^{[19] [20]}では、FM多入力多出力（MIMO）波形が異なる空間方向に別々のレーダービームと通信ビームを生成する。

• レーダー
• 通信システム
• 同一チャネル干渉
• スペクトル管理
• 無線リソース管理