Compartilhamento dinâmico de espectro entre usuários ativos e passivos acima de 100 GHz

Jun 19, 2023

Engenharia de Comunicações volume 1, Artigo número: 6 (2022) Citar este artigo

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As redes sem fio de sexta geração agregarão um tráfego móvel maior do que nunca em links de backhaul de altíssima capacidade, que poderão ser implantados no espectro amplamente inexplorado acima de 100 GHz. Contudo, os regulamentos actuais impedem a atribuição de grandes bandas contíguas para comunicações nestas frequências, uma vez que várias bandas estreitas são reservadas para proteger os serviços de detecção passiva. Estes incluem a radioastronomia e satélites de exploração da Terra que utilizam sensores que sofrem interferências prejudiciais de transmissores ativos. Aqui mostramos que o compartilhamento de espectro ativo e passivo acima de 100 GHz é viável através da introdução e avaliação experimental de um protótipo de backhaul de banda dupla em tempo real que rastreia a presença de usuários passivos (neste caso, o satélite Aura da NASA) e evita interferências automaticamente. bandas de comutação (123,5–140 GHz e 210–225 GHz). Nosso sistema permite transmissões de banda larga no espectro acima de 100 GHz, evitando interferências prejudiciais aos sistemas de satélite, abrindo caminho para políticas e tecnologias de espectro inovadoras nessas bandas cruciais.

A transformação digital da nossa sociedade é fomentada pela disponibilidade de um recurso fundamental, invisível, mas escasso – o espectro eletromagnético1,2,3,4. Além de permitir a troca de informações através de comunicações sem fio, o espectro eletromagnético também é uma fonte rica de informações através da detecção. A natureza finita do espectro cria interesses conflitantes para comunicações e detecção. Estes interesses divergentes, expressos por diferentes comunidades científicas, entidades governamentais e indústrias, levaram a alocações rígidas de espectro por parte de órgãos reguladores nacionais e internacionais, como a União Internacional de Telecomunicações (UIT)5, ou a Comissão Federal de Comunicações (FCC)6, que remonta à década de 1930.

Para suportar mais dispositivos e aplicações de capacidade ultra-alta, as redes sem fios de 6ª geração (6G) exigirão taxas de dados muito superiores às disponíveis atualmente, aumentando assim a necessidade de espectro7. Embora a 5ª geração (5G) de redes móveis utilize frequências portadoras tão altas quanto 71 GHz8, o 6G irá além de 100 GHz9,10,11 para agregar dados de muitos usuários móveis em links de backhaul de capacidade ultra-elevada.

No entanto, as comunicações nesta faixa do espectro são limitadas pela coexistência de utilizadores passivos que (i) não transmitem e (ii) apenas utilizam sensores de Radiofrequência (RF) de alta sensibilidade para exploração da Terra, monitorização meteorológica e radioastronomia6,12. Os usuários passivos podem ser impactados negativamente pela interferência das transmissões ativas13. Portanto, eles mantêm acesso exclusivo a porções relativamente estreitas do espectro acima de 100 GHz, impedindo a alocação de pedaços contíguos com dezenas de GHz de largura de banda para comunicações5,6. Por exemplo, nos EUA, as maiores alocações para transmissões ativas entre 100 e 275 GHz são 32,5 GHz (116-148,5 GHz) e 18,5 GHz (231,5-250 GHz), mas com apenas 12,25 GHz (não contíguos) reservados para serviços fixos irrestritos. ou uso terrestre móvel6. As transmissões são expressamente proibidas na faixa de 33,5 GHz do espectro, e condicionadas à proteção dos usuários passivos coexistentes no restante espectro.

Estas regulamentações conservadoras se aplicam mesmo sem que usuários passivos explorem o espectro para detecção. Isto evita a multiplexação de recursos não utilizados, tornando este espectro menos atraente para backhaul sem fio14. Para promover a inovação sem fios nos próximos anos, torna-se necessário desenvolver soluções de partilha de espectro entre comunicações e sistemas de detecção passiva – que é a principal contribuição deste artigo. Além disso, embora as estações de detecção terrestre possam ser protegidas através da separação geográfica, os sistemas de satélites em órbita exigem soluções de partilha dinâmica baseadas em ligações sem fios auto-adaptáveis. Na verdade, mostramos – através de um orçamento de link preciso baseado em modelos de canais da ITU – que os transmissores ativos podem, na verdade, gerar interferência prejudicial a sensores altamente sensíveis em satélites que orbitam sistemas de comunicação.