Sicherere Radar-Kommunikationssysteme entwerfen

RadCom, was für Radar-Kommunikationssysteme steht, ist eine sich entwickelnde Technologie, die Radarsensorik und Kommunikation in einem System kombiniert. Das führt zu einer effizienteren Nutzung von Radiofrequenzen. Aber eine der Herausforderungen bei dieser Technologie ist, dass sie normalerweise viel Strom braucht, um effektiv zu arbeiten, was zu Problemen mit der Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern (EMF) führen kann. Diese Exposition kann manchmal die Grenzwerte überschreiten, die durch Sicherheitsvorschriften festgelegt sind, besonders an Orten wie Schulen und Krankenhäusern, wo Menschen anfälliger sind. Daher ist es wichtig, diese Systeme so zu gestalten, dass sie die EMF-Exposition berücksichtigen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

#Der Bedarf an EMF-bewusstem Design

Da immer mehr Geräte mit dem Internet verbunden werden, stehen Kommunikationssysteme vor Problemen mit einem begrenzten verfügbaren Spektrum. Das hat die Forschung zu RadCom-Systemen angestossen, die es ermöglichen, dass Radar-Sensorik und Kommunikation zur selben Zeit und auf denselben Frequenzressourcen stattfinden. Die Nutzung einer einzigen Frequenz für beide Funktionen kann auch den Energieverbrauch reduzieren. Ein wichtiger Ansatz, um das zum Laufen zu bringen, ist das sorgfältige Design der Welle, die Kommunikationssymbole für viele Nutzer innerhalb der Radarsignale kombiniert.

Trotz der Vorteile kann die hohe Leistung, die normalerweise für den Radarbetrieb benötigt wird, zu schädlicher EMF-Exposition führen. Die Internationale Kommission zum Schutz vor nicht-ionisierender Strahlung (ICNIRP) gibt Richtlinien für sichere EMF-Expositionsgrenzen vor. Es ist entscheidend, dass Technologien wie RadCom diese Richtlinien einhalten, insbesondere da einige Formen der Radiofrequenzexposition potenziell schädlich für die menschliche Gesundheit sind.

#Bedeutung sensibler Bereiche

Empfindliche Bereiche wie Schulen und Krankenhäuser erfordern besondere Aufmerksamkeit, da die EMF-Exposition noch niedriger gehalten werden muss als die allgemeinen Richtlinien. Das erhöht den Bedarf an einem EMF-bewussten Ansatz für RadCom-Systeme. Frühere Forschungen haben die EMF-Exposition in anderen Kommunikationskontexten untersucht, aber es gab wenig Fokus darauf, wie man diese Erkenntnisse auf RadCom-Systeme anwenden kann.

#Vorgeschlagenes Framework für EMF-bewusste RadCom

Das vorgeschlagene Framework betrachtet, wie man die EMF-Exposition innerhalb von RadCom-Systemen managen kann, während man die Anforderungen an Radar und Kommunikation in Einklang bringt. Das Design zielt darauf ab, die Exposition für Nutzer und empfindliche Bereiche zu minimieren und die Sicherheit zu gewährleisten, ohne die Leistung zu opfern.

1. Analyse der EMF-Exposition: Zuerst wird die EMF-Exposition von Nutzern und empfindlichen Bereichen untersucht. Diese Bewertung informiert darüber, wie viel Exposition toleriert werden kann, ohne die Sicherheitsrichtlinien zu verletzen.

2. Wellenform-Design: Der nächste Schritt besteht darin, eine Wellenform zu erstellen, die sowohl die Radarbedürfnisse als auch die Kommunikationsanforderungen der Nutzer berücksichtigt. Das Ziel ist es, die Radarleistung mit der Kommunikation in Einklang zu bringen und gleichzeitig die EMF-Beschränkungen zu berücksichtigen.

3. Optimierungsprozess: Das Designproblem wird als Optimierungsproblem strukturiert. Das bedeutet, die beste Lösung zu finden, die mehrere Bedürfnisse erfüllt, einschliesslich der Radar-Effizienz, der Kommunikationsraten der Nutzer und der EMF-Expositionsgrenzen. Der Ansatz wendet mathematische Techniken an, um effektive Lösungen zu finden, die diese Kriterien erfüllen.

4. Reduzierte EMF-Exposition: Das vorgeschlagene Design zeigt vielversprechende Ergebnisse bei der Reduzierung der gesamten EMF-Exposition, während die Qualität von Radar und Kommunikation aufrechterhalten bleibt. Das Design konzentriert sich darauf, die Leistung der Radarsignale von den Nutzerstandorten weg zu lenken, um schädliche Exposition zu minimieren.

#Verständnis des Systemmodells

Im RadCom-System sendet eine Basisstation Radarsignale aus, um Ziele zu erkennen, während sie gleichzeitig Kommunikationssignale für die Nutzer sendet. Die Basisstation hat mehrere Antennen, die die gesendeten und empfangenen Signale verbessern. Die Interaktionen zwischen den Antennen und den Nutzern werden geometrisch modelliert, was ein klares Verständnis dafür ermöglicht, wie Entfernungen und Winkel die Signalqualität beeinflussen.

#Kanalmodell

Das Kanalmodell hilft dabei zu verstehen, wie Signale reisen und mit Nutzern interagieren. Es berücksichtigt die Entfernung zwischen Antennen und Nutzern, Signalverluste aufgrund von Entfernung und Variationen, die durch Zufälligkeiten in der Umgebung verursacht werden.

#Signalmodell

Die Basisstation sendet ein Signal aus, das sowohl Radar- als auch Kommunikationselemente beinhaltet. Die Qualität des empfangenen Signals bei den Nutzern wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie z.B. Rauschen und Störungen von anderen Nutzern.

#EMF-Expositionsmodellierung

Um die EMF-Exposition innerhalb sicherer Grenzen zu halten, bewertet das Design die Leistungsdichte der abgestrahlten Signale. Die Leistungsdichte gibt an, wie viel Leistung pro Fläche abgestrahlt wird, was helfen kann zu bestimmen, ob die Expositionslevel akzeptabel sind.

#Problemformulierung

Das Optimierungsproblem wird formuliert, um ein EMF-bewusstes Design für die RadCom-Kommunikationssignalisierung zu schaffen. Es beginnt mit der Notwendigkeit, eine Wellenformkovarianzmatrix zu entwerfen, die effektiv für Radar funktioniert. Die Matrix muss die Fehler zwischen dem, was der Radar tun soll, und dem, was er tatsächlich tut, minimieren.

#Einschränkungen

1. Leistungssteuerung: Das Design muss sicherstellen, dass die gesamte Leistung, die von der Basisstation gesendet wird, innerhalb der erlaubten Grenzen liegt.

2. Nutzerexpositionskontrolle: Die Leistungsdichte an den Nutzerstandorten darf die festgelegten Sicherheitsgrenzen nicht überschreiten.

3. Kontrolle empfindlicher Bereiche: Die Exposition in als empfindlich gekennzeichneten Bereichen muss ebenfalls niedrig bleiben.

Die Optimierung verwendet einen Balancefaktor, der die Priorität zwischen Radarleistung und Kommunikationsbedürfnissen bestimmt.

#Numerische Ergebnisse

Zur Validierung des vorgeschlagenen Designs werden verschiedene numerische Simulationen durchgeführt. In diesen Szenarien werden mehrere Send Antennen zusammen mit festen Standorten für Radarziele bewertet. Die Ergebnisse heben hervor, wie das angepasste Design im Vergleich zu traditionellen RadCom-Systemen abschneidet, die EMF-Exposition nicht berücksichtigen.

#Bewertung der Radarleistung

Die Effektivität der Radarleistung wird durch das Beampattern gemessen, welches zeigt, in welche Richtung der Radar seine Energie lenkt. Ziel ist es, ein Design zu schaffen, das die Energie auf Radarziele konzentriert, während die Leistung in Richtung der Nutzer und empfindlichen Bereiche minimiert wird.

#Symbolfehlerquote (SER)

Die nächste Phase besteht darin, zu messen, wie gut der Kommunikationsteil des Systems funktioniert, insbesondere in Bezug auf die Symbolfehlerquote in Relation zu unterschiedlichen Leistungsdichtegrenzen. Die Ergebnisse zeigen, dass das neue EMF-bewusste Design ähnlich wie traditionelle Designs in Bezug auf die Kommunikationsqualität funktioniert, während die EMF-Exposition erheblich reduziert wird.

#Mittlerer quadratischer Fehler

Der mittlere quadratische Fehler (MSE) zwischen dem gewünschten und dem tatsächlichen Radar-Beampattern wird ebenfalls analysiert. Es wird festgestellt, dass die Einhaltung der EMF-Richtlinien einen geringeren schädlichen Einfluss auf die Radarleistung hat als auf die Kommunikationsfunktionalität.

#Fazit

Die vorgeschlagenen EMF-bewussten RadCom-Systeme zeigen, dass es möglich ist, die Ausgangsleistung für Radar und Kommunikation zu steuern, ohne die Sicherheit der Nutzer, insbesondere in sensiblen Bereichen, zu gefährden.

Forschung in diesem Bereich bleibt entscheidend, da sich Kommunikationstechnologien weiterentwickeln und die Abhängigkeit von vernetzten Geräten zunimmt. Die Integration von EMF-Überlegungen in das Systemdesign erfüllt nicht nur die Sicherheitsvorschriften, sondern hilft auch, das öffentliche Vertrauen in neue Technologien zu stärken. Zukünftige Fortschritte in RadCom-Systemen könnten diese Designs weiter verfeinern und eine bessere Sicherheit und Leistung bei steigendem Bedarf ermöglichen.