Progressi nei sistemi di comunicazione radar a doppia funzionalità

Questo articolo parla dei sistemi di Comunicazione Radar Dual-Function (DFRC), che uniscono radar e sistemi di comunicazione in uno solo. Tradizionalmente, radar e comunicazione hanno funzionato separatamente, ma ora i ricercatori stanno cercando di combinare queste funzioni in un unico sistema. Questa recensione spiega perché i sistemi DFRC stanno venendo sviluppati, le sfide che affrontano e i vantaggi che potrebbero offrire.

#Contesto e Motivazione

L'aumento dell'Internet delle Cose (IoT) significa che molti più dispositivi dovranno connettersi a internet. Gli esperti prevedono che entro il 2025 ci saranno oltre 30 miliardi di connessioni IoT e 10 miliardi di connessioni non-IoT a livello globale. Questa esplosione di utenti sta mettendo pressione sullo spettro di frequenze radio disponibile, la gamma di frequenze elettromagnetiche usate per trasmettere dati senza fili. Di conseguenza, c'è un forte interesse nel trovare nuovi modi per utilizzare questo spettro in modo più efficiente.

I sistemi radar, che esistono sin dalla Seconda Guerra Mondiale, usano parti specifiche dello spettro di frequenze per compiti come rilevare aerei nemici, gestire il traffico aereo e monitorare il clima. Tuttavia, man mano che cresce la domanda di comunicazioni wireless, condividere lo spettro tra sistemi di comunicazione e radar potrebbe aiutare a ridurre il congestionamento. Combinare radar e comunicazione potrebbe portare a benefici come minore consumo energetico, costi ridotti e migliori prestazioni complessive.

I tentativi precedenti di affrontare il problema del congestionamento dello spettro si sono principalmente concentrati sull'avere radar e comunicazioni che funzionano fianco a fianco senza interferenze. Questo approccio aveva delle limitazioni e spesso richiedeva sistemi complessi per gestire le informazioni condivise tra radar e sistemi di comunicazione. Ad esempio, per evitare interferenze, entrambi i sistemi dovevano scambiarsi certe informazioni, il che aggiungeva complessità al loro funzionamento.

La ricerca sui sistemi di radar e comunicazione congiunti, tra cui nomi come Comunicazione e Radar Congiunti (JCR) e Sensori e Comunicazioni Integrate (ISAC), si concentra sull'uso di un segnale unico sia per la comunicazione che per il radar. Questa idea di un sistema DFRC impiega un segnale di trasmissione per servire entrambe le funzioni simultaneamente.

#Classificazione dei Sistemi JCAS

I sistemi di Comunicazione Congiunta e radar/sensori radio (JCAS) possono essere ampiamente classificati in tre categorie:

#Design Centrico sulla Comunicazione (JCR)

In questo design, il focus principale è sulla comunicazione, con capacità radar aggiunte come extra. Le forme d'onda di comunicazione aiutano a estrarre informazioni dai dati radar. Mentre le prestazioni di comunicazione rimangono solide, la funzionalità radar potrebbe necessitare di specifici aggiustamenti per funzionare bene a seconda della situazione. Questi sistemi possono essere utili nei servizi consapevoli della posizione come le reti veicolo-tutto (V2X).

#Design Centrico sul Radar (JRC)

In questo approccio, il radar è la priorità principale e la comunicazione è integrata all'interno dei segnali radar noti. Le prestazioni di comunicazione potrebbero essere limitate, ma è possibile raggiungere comunicazioni a lungo raggio grazie ai segnali potenti generati dai sistemi radar.

#Comunicazioni Radar Dual-Function (DFRC)

Nei sistemi DFRC, sia le capacità di comunicazione che quelle radar sono progettate insieme fin dall'inizio, permettendo un approccio bilanciato tra le due. Questo design offre flessibilità, rendendo più facile ottimizzare il sistema per esigenze specifiche.

Il resto di questo articolo si concentrerà sui sistemi DFRC, esaminando il loro design, le prestazioni e le potenziali applicazioni.

#Confronto tra Comunicazione e Sensori Radar

Per capire meglio i sistemi DFRC, è utile confrontare comunicazione e sensori radar. Ecco alcune differenze chiave:

#Forme d'Onda

I radar tipicamente usano forme d'onda semplici, mentre i sistemi di comunicazione si basano su strutture di segnale più complesse che spesso includono tecniche di modulazione avanzate. Questo significa che i segnali radar possono operare su larghezze di banda più ampie, mentre i segnali di comunicazione sono solitamente più ristretti nella loro larghezza di banda.

#Potenza di Trasmissione

I sistemi radar generalmente richiedono trasmissioni a potenza più alta per coprire lunghe distanze, mentre i sistemi di comunicazione possono funzionare efficacemente con potenza inferiore a causa della loro portata più corta.

#Larghezza di Banda

I radar spesso inviano impulsi brevi con alta larghezza di banda e poi si fermano per ricevere gli echi. I sistemi di comunicazione, invece, lavorano frequentemente in scenari a larghezza di banda ristretta, portando a larghezze di banda più piccole rispetto ai sistemi radar.

#Frequenza di Operazione

I sistemi radar operano a varie bande di frequenza che vanno dalla banda L alla banda K, mentre i sistemi di comunicazione tipicamente funzionano all'interno delle bande sub-6 GHz e mmWave.

#Operazione Duplex

I radar possono funzionare in modalità half-duplex o full-duplex, mentre i sistemi di comunicazione utilizzano metodi di divisione temporale o di divisione di frequenza.

#Metriche di Prestazione

Diverse metriche di prestazione valutano l'efficacia dei sistemi radar e di comunicazione. Per il radar, metriche importanti includono la probabilità di rilevamento, la portata e la risoluzione. Per i sistemi di comunicazione, metriche come latenza e throughput sono più rilevanti.

Gran parte della ricerca sui sistemi di comunicazione e sensori congiunti si concentra sulle prime due categorie, con meno studi che esplorano i sistemi DFRC. Questo articolo si propone di fornire una recensione approfondita dei sistemi DFRC.

#Modelli di Sistema per Piattaforme DFRC

In questa sezione, descriviamo un modello generale per i sistemi DFRC, creando un framework per le nostre discussioni successive. Questo modello include un setup con più antenne sia per trasmettere che per ricevere segnali, che lavorano insieme per servire entrambe le funzioni di comunicazione e rilevamento.

#Modello di Segnale Ricevuto per il Rilevamento

Nel rilevamento, le antenne di trasmissione e ricezione lavorano a stretto contatto. I segnali provenienti da un obiettivo a una certa distanza possono essere modellati per comprendere meglio le sue proprietà. La potenza ricevuta dall'obiettivo può anche essere rappresentata matematicamente, aiutando a determinare come utilizzare al meglio questi segnali per il radar.

#Modello di Segnale Ricevuto per la Comunicazione

Nell'aspetto comunicativo, i segnali trasmessi dal sistema DFRC vengono ricevuti da vari utenti. La relazione tra le antenne di trasmissione e gli utenti è gestita matematicamente, permettendoci di valutare come trasmettere informazioni in modo efficace a ciascun utente.

Questo approccio di modellazione duale serve come base per ottimizzare le prestazioni sia delle funzioni radar che di comunicazione all'interno del sistema DFRC.

#Limiti di Prestazione per i Sistemi DFRC

Valutare le prestazioni dei sistemi DFRC comporta comprendere i limiti che questi sistemi possono raggiungere rispetto ai sistemi radar e di comunicazione indipendenti. La prestazione può essere caratterizzata usando vari confini:

#Scenario Ideale

Nello scenario ideale, un sistema DFRC raggiungerebbe le massime velocità di comunicazione mantenendo errori minimi nelle prestazioni di rilevamento. In questo caso, entrambe le funzioni opererebbero in modo ottimale senza interferire l'una con l'altra.

#Limite Inferiore

Il limite inferiore è stabilito usando una strategia che applica rilevamento o comunicazione in modo ottimale a diverse probabilità, indicando che l'integrazione delle due non migliora necessariamente le prestazioni.

#Limite Reale

Il limite reale riflette i compromessi coinvolti mentre il sistema opera con entrambe le funzioni. L'obiettivo è raggiungere prestazioni che soddisfino i requisiti sia di comunicazione che di rilevamento, avvicinandosi il più possibile al limite ideale.

#Compromessi tra Rilevamento e Comunicazione

I compromessi tra rilevamento e comunicazione possono essere classificati in due categorie principali:

• Compromesso di Sottospazio: Questo dipende da quanto bene i canali di comunicazione e rilevamento possono condividere risorse. Un accoppiamento più forte significa una migliore prestazione.

• Compromesso Deterministico-Random: I sistemi di comunicazione beneficiano di segnali casuali per trasmettere informazioni, mentre il radar preferisce segnali stabili e prevedibili per una rilevazione affidabile. L'equilibrio tra questi requisiti gioca un ruolo cruciale nei sistemi DFRC.

#Design dei Sistemi di Comunicazione Radar Dual-Function

Il design dei sistemi DFRC offre maggiore flessibilità rispetto ai design precedenti, permettendo ai ricercatori di ottimizzare sia le funzioni di comunicazione che di radar per applicazioni specifiche.

#Architetture Hardware

L'hardware DFRC può essere suddiviso in diversi tipi, comprese le reti a scansione elettronica, i sistemi completamente digitali e le architetture ibride. Ogni tipo ha il suo approccio alla formazione del fascio, che è essenziale per indirizzare i segnali dove sono necessari.

#Formazione del Fascio Digitale

Questo metodo consente di creare più fasci in diverse direzioni utilizzando un'elaborazione digitale avanzata, anche se potrebbe richiedere più risorse.

#Formazione del Fascio Analogica

In questo approccio più semplice, un singolo segnale viene inviato a tutte le antenne, generando una direzione del fascio fissa. Anche se è conveniente, non può generare più fasci contemporaneamente.

#Formazione del Fascio Ibrida

I sistemi ibridi combinano sia metodi digitali che analogici per ottenere i vantaggi di entrambi gli approcci, mitigando i loro svantaggi.

#Ottimizzazione delle Forme d'Onda

La forma d'onda è una parte centrale dei sistemi DFRC e ottimizzarla può avere un impatto significativo sulle prestazioni. Diversi approcci all'ottimizzazione delle forme d'onda includono:

• Ottimizzazione delle Informazioni Reciproche: Questo metodo cerca di massimizzare le informazioni scambiate tra i sistemi radar e di comunicazione.

• Ottimizzazione della Somiglianza del Modello del Fascio: Questo approccio mira ad allineare la forma d'onda con segnali radar noti che hanno proprietà di rilevamento vantaggiose.

Utilizzando queste tecniche di ottimizzazione, i progettisti possono creare forme d'onda che soddisfano efficacemente i requisiti di entrambi i compiti radar e comunicazione.

#Design del Ricevitore Coerente per i Sistemi DFRC

Nei sistemi radar tipici, la stessa forma d'onda viene inviata più volte per migliorare la capacità di rilevare obiettivi. Tuttavia, nei setup DFRC dove vengono inviati anche simboli di comunicazione, ottenere un'uscita coerente può diventare una sfida. Design innovativi del ricevitore sono cruciali per garantire che entrambe le funzioni di comunicazione e radar funzionino efficacemente.

#Considerazioni sulla Sicurezza

I sistemi di comunicazione wireless affrontano spesso minacce alla sicurezza a causa della loro natura aperta. Quando si combinano radar e comunicazione, questa vulnerabilità aumenta. È cruciale proteggere le informazioni scambiate, specialmente in contesti militari. Tecniche come l'introduzione di rumore artificiale possono aiutare ad aumentare la sicurezza del sistema contro potenziali intercettazioni.

#Applicazioni della Comunicazione Congiunta e Rilevamento

L'integrazione dei sistemi DFRC può portare a numerose applicazioni in vari campi.

#Reti Mobili Percettive

Nelle reti mobili, l'incorporamento del rilevamento radar può migliorare l'accuratezza della localizzazione, specialmente in ambienti difficili. Questo è essenziale per le applicazioni delle smart city e l'Internet delle Cose.

#Veicoli Autonomi

Il bisogno di dati ad alta velocità e informazioni di rilevamento accurate per veicoli autonomi è significativo. La tecnologia DFRC può fornire lo scambio di dati e la capacità di rilevamento necessarie, riducendo costi e complessità.

#Servizi Abilitati da UAV

I Veicoli Aerei Senza Equipaggio (UAV) possono beneficiare dei sistemi DFRC per migliorare le capacità di comunicazione e rilevamento riducendo dimensioni, peso e necessità di energia.

#Sicurezza e Sorveglianza

I sistemi DFRC possono fornire capacità di sorveglianza affidabili, specialmente in aree di confine o installazioni sensibili.

#Case e Industrie Intelligenti

L'integrazione della comunicazione e del rilevamento può portare a significativi progressi nelle applicazioni domestiche e industriali intelligenti, migliorando efficienza e sicurezza.

#Applicazioni Militari

In contesti militari, i sistemi DFRC possono sostituire i sistemi di comunicazione tradizionali, riducendo la necessità di infrastrutture dedicate migliorando al contempo le prestazioni.

#Allocazione delle Risorse nei Sistemi DFRC

Una gestione efficiente delle risorse gioca un ruolo critico nelle prestazioni dei sistemi DFRC. Questo comporta bilanciare le esigenze per i compiti radar e di comunicazione.

#Gestione della Memoria

Ottimizzare l'uso della memoria è essenziale nei sistemi radar, e trovare modi per ridurre lo spazio di archiviazione senza sacrificare le prestazioni è cruciale.

#Allocazione del Processore

Gestire efficacemente la potenza di elaborazione assicura che entrambi i compiti radar e comunicazione siano coperti in modo efficiente. L'allocazione dinamica aiuta a dare priorità alle esigenze di comunicazione mentre affronta comunque l'elaborazione radar.

#Allocazione della Larghezza di Banda

Trovare il giusto equilibrio nella larghezza di banda è importante per massimizzare sia le capacità di comunicazione che di rilevamento. Strategie come l'uso di forme d'onda multi-carrier possono aiutare a migliorare le prestazioni in situazioni con larghezza di banda limitata.

#Sfide e Direzioni Future

Nonostante le sue promesse, i sistemi DFRC affrontano sfide significative. È importante affrontare i requisiti conflittuali nella formazione del fascio e nella stima del canale mentre si progettano sistemi che possano gestire vari scenari operativi.

#Aree di Ricerca Emergenti

La ricerca futura potrebbe concentrarsi sul miglioramento delle operazioni sicure in contesti militari, ottimizzando il design del ricevitore e migliorando il rilevamento collaborativo con più sistemi.

La tecnologia DFRC offre un grande potenziale nel ridurre il congestionamento dello spettro, soddisfacendo al contempo le crescenti esigenze delle funzioni di comunicazione e radar. Lo sviluppo in corso in quest'area è destinato a trasformare il modo in cui questi sistemi operano in vari settori.