Эмуляция радиоканалов 6G FR3 и ISAC

ПРИКЛАДНОЕ РУКОВОДСТВО

Моделирование, эмуляция и тестирование систем и устройств 6G FR3

6G призвана объединить физический, цифровой и человеческий миры с помощью новых технологий, ориентированных на использование новых участков радиочастотного спектра, интеграцию искусственного интеллекта (ИИ) в сети и устройства, цифровые двойники и новые сетевые архитектуры. Эти элементы расширяют возможности программирования и автоматизации сетей для различных сценариев применения 6G.

Предприятия отрасли беспроводной связи и научные организации исследуют новые частотные диапазоны и технологии беспроводной связи. На рисунке 1 показана эволюция моделей радиоканалов в различных поколениях технологий беспроводной связи, определяющая разные требования к проектированию, разработке и тестированию беспроводных систем.

РИСУНОК 1. Эволюция технологий беспроводной связи и моделирования радиоканалов

В отрасли беспроводной связи большой интерес вызывает верхняя часть среднего диапазона частот FR3 от 7 до 24 ГГц, при этом основное внимание уделяется диапазону от 7 до 16 ГГц. Исследование 3GPP, посвящённое моделированию радиоканалов FR3, начинается в рамках цикла 3GPP Release 19. В этом же цикле начинаются исследования сценариев применения и моделирования радиоканалов для интегрированного зондирования и связи (Integrated Sensing and Communication, ISAC). В то же время субтерагерцовый диапазон продолжает вызывать значительный интерес научного сообщества, а в Европейском институте телекоммуникационных стандартов (ETSI) ведётся деятельность по предварительной стандартизации 6G.

В настоящем прикладном руководстве рассматриваются требования к моделированию и эмуляции радиоканалов 6G для ISAC и нового частотного диапазона FR3, планируемого к использованию в 6G. Показано, как практические решения для моделирования и сквозного тестирования FR3 и ISAC могут помочь в реализации вашего следующего проекта.

В частности, в 4G и 5G требования к моделированию радиоканалов для имитационного моделирования и тестирования систем с большим количеством входов и выходов (massive Multiple-Input and Multiple-Output, mMIMO) решались с использованием геометрических стохастических моделей радиоканала (Geometry-Based Stochastic Channel Models, GSCM). Однако сценарии применения и технологии 6G предъявляют новые требования к моделированию радиоканалов. Ключевые направления:

Существующие модели GSCM, описанные в TR 38.901 для формирования диаграмм направленности MIMO и mMIMO в 4G и 5G, обладают ограниченной разрешающей способностью при учёте окружающей среды и адаптации к ней с точки зрения статистических характеристик во временной, частотной и пространственной областях. Поэтому они не могут в полной мере удовлетворить требования 6G.

Для 6G необходимы модели распространения радиосигналов, согласованные с реальной окружающей средой, как для цифровых двойников, так и для испытаний на реальном оборудовании. Такое моделирование требует высокой пространственной согласованности характеристик радиоканалов для нескольких пользовательских устройств и базовых станций по мере их изменения во времени, включая направление сигнала, задержку и фазу. Это необходимо для надлежащего проектирования, тестирования и проверки беспроводных систем 6G. Указанные требования обусловливают необходимость детерминированного моделирования радиоканалов. На рисунке 2 представлены три основных подхода к моделированию радиоканалов, необходимых при имитационном моделировании, проектировании, разработке и тестировании систем 5G-Advanced и 6G.

РИСУНОК 2. Развитие и применение передовых методов моделирования радиоканалов в новых системах 5G-Advanced и 6G

Keysight Channel Studio — это программный инструмент для генерации моделей радиоканалов для различных беспроводных технологий и стандартов. Это решение предоставляет готовые к запуску файлы моделирования или эмуляции, совместимые с несколькими платформами в портфеле продуктов Keysight. К таким платформам относятся эмуляторы радиоканалов, сетевые эмуляторы, источники сигналов и среды моделирования, которые поддерживают комплексные рабочие процессы проектирования беспроводных изделий и систем — от моделирования до сквозного тестирования с включением реального оборудования в контур. На рисунке 3 показаны Channel Studio и платформы с поддержкой эмуляции каналов.

РИСУНОК 3. Применения Channel Studio и платформ продуктов Keysight с возможностями эмуляции каналов

Для применения в антенных решётках базовых станций xMIMO и mMIMO в диапазоне 6G FR3 изучаются антенные массивы с большой апертурой. Антенные решётки xMIMO поддерживают более узкие «карандашные» лучи и большее количество слоёв MIMO по сравнению с традиционными mMIMO.

Проектирование и валидация беспроводных систем xMIMO требуют от модели канала точных внутрикластерных и межкластерных угловых характеристик. Это необходимо при выполнении системного моделирования или тестировании реальной производительности базовых станций xMIMO в конфигурациях RAN и Open RAN (O-RAN). Для оценки управления лучами и адаптации прекодирования при перемещении пользовательского оборудования необходимы динамические модели канала. Динамические модели канала учитывают переходы между состояниями Line-of-Sight (LoS) / Non-Line-of-Sight (NLoS) и условиями блокировки.

Существующие модели канала 3GPP GSCM не обеспечивают достаточной точности для разработки алгоритмов экстремального формирования луча с высоконаправленными «карандашными» лучами. Новое техническое исследование 3GPP RP-234018 Release 19 по усовершенствованию моделей каналов для диапазона 7–24 ГГц для New Radio (NR) было инициировано на пленарном заседании RAN в декабре 2023 года.

Ниже приведён пример экстремального гибридного формирования луча для базовой станции верхнего среднего диапазона FR3:

Требования к тестированию верхнего среднего диапазона 7–16 ГГц:

Используйте программное обеспечение Channel Studio совместно с многоканальным РЧ-эмулятором PROPSIM FR3, чтобы:

Технология радиодоступа 3GPP поддерживает сервисы позиционирования, основанные на местоположении, однако спецификации не содержат встроенной возможности обнаружения объектов, не подключённых к сети радиодоступа.

Если конструкция системы включает функции зондирования, такая система может предоставлять зондирование как услуга (sensing-as-a-service) наряду с услугами связи. В исследовании Release 19 SI рассматриваются шесть режимов зондирования: бистатический TRP–TRP, моностатический TRP, бистатический TRP–User Equipment (UE), бистатический UE–TRP, бистатический UE–UE и моностатический UE. Цель sensing — обнаруживать и отслеживать интересующие объекты, одновременно отличая их от других объектов, не представляющих интереса.

Интегрированное зондирование и связь означают использование одних и тех же устройств и, возможно, даже одних и тех же сигналов (форм сигналов) как для связи, так и для зондирования. Первые радиосистемы доступа на базе 3GPP включали функции зондирования, такие как локализация, ориентация, определение близости, скорости, а также потенциальное обнаружение других объектов в сетях радиодоступа, определённых 3GPP.

На рисунке 4 показан объект, которым может быть беспилотный летательный аппарат (UAV), автомобиль, человек, животное и др. Также могут быть идентифицированы другие варианты применения, такие как картирование окружающей среды и зондирование микродвижений. Реализация ISAC предполагает добавление функций sensing и обработки в существующие сети связи. Кроме того, критически важны проектирование новых сетей и подходящих форм сигналов для связи и зондирования.

РИСУНОК 4. Пример сетевого зондирования для Study Item (SI) RP-233100 Release 19 3GPP

Часть ISAC, связанная с зондированием, охватывает многочисленные варианты применения, которые не поддерживаются моделями каналов TR 38.901. К ним относятся моделирование обратного рассеяния для фоновых отражающих объектов (clutter) или объектов с определённой эффективной площадью рассеяния радара (Radar Cross Section, RCS), динамические объекты, а также существующие модели каналов, ориентированные на сценарии связи «точка — точка» и лишь ограниченно поддерживающие сценарии «точка — многоточка». Для моделирования и тестирования моностатического и би-/мультистатического зондирования требуются модели с высокой пространственной согласованностью. Оценка приложений локализации имеет смысл только при заданном окружении. Для трансиверов или целей зондирования, находящихся в движении, необходимо динамическое и пространственно согласованное моделирование беспроводных каналов. Такой метод учитывает изменяющиеся во времени абсолютные задержки распространения, углы прихода / ухода и переходы LoS / NLoS.

Новое описание Study Item Description (SID) для исследования 3GPP Release 19 по моделированию каналов для ISAC RP-234069 должно закрыть эти пробелы в моделировании радиоканалов. На рисунке 5 показана модель канала ISAC для системного моделирования базовой станции с поддержкой 32T32R, обеспечивающая эмуляцию РЧ-канала в реальном времени для тестирования сетевого зондирования с участием трёх движущихся объектов.

РИСУНОК 5. Полудетерминированная модель радиоканала GSCM для ISAC

На рисунке 6 показан вариант применения ISAC, в котором точки передачи-приёма (Transmission-Reception Points, TRP) одновременно передают пользовательскому оборудованию (UE) сигналы связи и зондирования. Одновременно точка передачи-приёма также принимает эхосигналы для зондирования целевого объекта UE внутри транспортного средства, а также отражения от других нежелательных объектов и обратное рассеяние.

РИСУНОК 6. Пример варианта применения моностатического ISAC с TRP

Ниже приведены требования к тестированию для системного моделирования и лабораторных экспериментов:

На рисунке 7 показаны ключевые возможности Channel Studio и эмулятора каналов PROPSIM для тестирования моностатического ISAC с TRP. Эти решения позволяют выполнять прототипирование моностатических и бистатических сценариев ISAC с TRP / UE — от системного моделирования до тестирования с использованием реального оборудования. Данное решение также эмулирует ряд факторов, таких как Доплер, многолучевое распространение, задержка канала, направление сигнала, потери на трассе в зависимости от дальности, эффекты блокировки, шум и программируемые помехи для сигналов зондирования и связи.

Кроме того, решения Channel Studio и эмулятора каналов PROPSIM способны воспроизводить эхосигналы от объектов, обратное рассеяние и отражения от других объектов на расстояниях от менее одного метра до нескольких километров. Решение предоставляет интерфейс прикладного программирования (Application Programming Interface, API), который позволяет пользователям моделировать и эмулировать эхо / RCS объектов в реальном времени, а также запускать заранее заданные RCS-форм сигналов объектов из библиотеки.

Помимо этого, поддерживаются диапазоны 3GPP FR1, FR2 и FR3, при этом РЧ-диапазон составляет от 3 МГц до 17 ГГц, а внешние Remote Radio Heads (RRH) — от 10 ГГц до 32 ГГц или от 24 ГГц до 49 ГГц.

РИСУНОК 7. Пример тестового сценария решения Keysight для тестирования ISAC, включающего программное обеспечение моделирования Channel Studio и эмулятор РЧ-каналов реального времени PROPSIM

Промышленность и академическое сообщество исследуют новые частотные диапазоны и технологии для 6G. Среди обсуждаемых перспективных технологий 6G особый интерес представляют ISAC и частотный диапазон FR3 для гибридного формирования луча и xMIMO. Эти направления требуют более точных инструментов моделирования и эмуляции каналов.

Вы можете ускорить прототипирование 6G до выпуска стандартов, используя модели каналов Keysight и эмуляцию каналов для FR3 MIMO, mMIMO, xMIMO и ISAC. Решения Keysight поддерживают геометрически-основанное стохастическое моделирование каналов, а также полудетерминированное и детерминированное моделирование каналов для конкретной площадки.

Keysight предоставляет соответствующие модели каналов для поддержки раннего прототипирования ISAC. Мы можем помочь вам соответствовать новейшим стандартам, поскольку активно участвуем в исследованиях 6G и работах по стандартизации.