Condivisione dinamica dello spettro tra utenti attivi e passivi sopra i 100 GHz

Jun 19, 2023

Ingegneria delle comunicazioni volume 1, numero articolo: 6 (2022) Citare questo articolo

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Le reti wireless di sesta generazione aggregheranno il traffico mobile più elevato che mai in collegamenti di backhaul ad altissima capacità, che potrebbero essere implementati sullo spettro in gran parte non sfruttato sopra i 100 GHz. Le normative attuali tuttavia impediscono l'assegnazione di ampie bande contigue per le comunicazioni a queste frequenze, poiché diverse bande strette sono riservate alla protezione dei servizi di rilevamento passivo. Questi includono la radioastronomia e i satelliti per l’esplorazione della Terra che utilizzano sensori che soffrono di interferenze dannose da trasmettitori attivi. Qui mostriamo che la condivisione attiva e passiva dello spettro sopra i 100 GHz è fattibile introducendo e valutando sperimentalmente un prototipo di backhaul dual-band in tempo reale che traccia la presenza di utenti passivi (in questo caso il satellite della NASA Aura) ed evita le interferenze automaticamente commutazione di banda (123,5–140 GHz e 210–225 GHz). Il nostro sistema consente trasmissioni a banda larga nello spettro superiore a 100 GHz, evitando interferenze dannose per i sistemi satellitari, aprendo la strada a politiche e tecnologie innovative sullo spettro in queste bande cruciali.

La trasformazione digitale della nostra società è favorita dalla disponibilità di una risorsa fondamentale, invisibile, ma scarsa: lo spettro elettromagnetico1,2,3,4. Oltre a consentire lo scambio di informazioni attraverso le comunicazioni wireless, lo spettro elettromagnetico è anche una ricca fonte di informazioni attraverso il rilevamento. La natura finita dello spettro crea interessi concorrenti per le comunicazioni e il rilevamento. Questi interessi divergenti, espressi da diverse comunità scientifiche, enti governativi e industrie, hanno portato a rigide assegnazioni di spettro da parte di organismi di regolamentazione nazionali e internazionali, come l'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU)5 o la Federal Communications Commission (FCC)6, risalente agli anni '30.

Per supportare più dispositivi e applicazioni ad altissima capacità, le reti wireless di sesta generazione (6G) richiederanno velocità di trasmissione dati di ordini di grandezza superiori a quelle disponibili oggi, aumentando così la necessità di spettro7. Mentre la quinta generazione (5G) delle reti mobili utilizza frequenze portanti fino a 71 GHz8, il 6G si sposterà oltre i 100 GHz9,10,11 per aggregare i dati di molti utenti mobili in collegamenti di backhaul ad altissima capacità.

Tuttavia, le comunicazioni in questa banda di spettro sono limitate dalla coesistenza di utenti passivi che (i) non trasmettono e (ii) utilizzano solo sensori a radiofrequenza (RF) ad alta sensibilità per l'esplorazione della Terra, il monitoraggio meteorologico e la radioastronomia6,12. Gli utenti passivi possono essere influenzati negativamente dalle interferenze derivanti dalle trasmissioni attive13. Pertanto, mantengono l’accesso esclusivo a porzioni relativamente ristrette dello spettro superiore a 100 GHz, impedendo l’allocazione di blocchi contigui con decine di GHz di larghezza di banda per le comunicazioni5,6. Ad esempio, negli Stati Uniti, le maggiori allocazioni per le trasmissioni attive tra 100 e 275 GHz sono 32,5 GHz (116-148,5 GHz) e 18,5 GHz (231,5-250 GHz), ma con solo 12,25 GHz (non contigui) destinati a frequenze fisse senza restrizioni. o utilizzo mobile terrestre6. Le trasmissioni sono severamente vietate nella banda 33,5 GHz e subordinate alla protezione degli utenti passivi coesistenti nel restante spettro.

Queste normative conservatrici si applicano anche senza che gli utenti passivi sfruttino lo spettro per il rilevamento. Ciò impedisce il multiplexing delle risorse inutilizzate, rendendo questo spettro meno attraente per il backhaul wireless14. Per promuovere l’innovazione wireless negli anni a venire, diventa necessario sviluppare soluzioni di condivisione dello spettro tra comunicazioni e sistemi di rilevamento passivo – che è il contributo principale di questo documento. Inoltre, mentre le stazioni di rilevamento terrestri possono essere protette attraverso la separazione geografica, i sistemi satellitari orbitanti richiedono soluzioni di condivisione dinamica basate su collegamenti wireless autoadattativi. Infatti, dimostriamo, attraverso un accurato budget di collegamento basato su modelli di canale ITU, che i trasmettitori attivi possono effettivamente generare interferenze dannose per sensori altamente sensibili sui satelliti in orbita sopra i sistemi di comunicazione.