فرکانس ۶۰ گیگاهرتز در حال انتقال به جریان اصلی

اگر به فرکانس های رادیویی مختلفی که فناوری های مدرن ما از آنها استفاده می کنند ، فکر کنید ، ممکن است تلاش کنید تا به فکر استفاده هر کاربر از گسترده فرکانس ۶۰ گیگاهرتز باشید. چرا تا همین اواخر شاهد استفاده گسترده تر از ۶۰ گیگاهرتز نبوده ایم؟ ظهور برنامه های جدید مانند Ainstein در نمایشگاه الکترونیکی مصرفی سالانه (CES) در لاس وگاس نوید می دهد که به زودی ۶۰ گیگاهرتز را وارد جریان اصلی می کند.

تاریخچه مختصر و مروری بر فرکانس ۶۰ گیگاهرتز

فرکانس ۶۰ گیگاهرتز یک فرکانس فوق العاده بالا (EHF) است که در باند V قرار می گیرد ، همانطور که توسط IEEE تعیین شده است (که شامل فرکانس های مختلف از ۴۰ گیگاهرتز تا ۷۵ گیگاهرتز است). فرکانس ۶۰ گیکاهرتز نیز یک فرکانس موج میلی متر (mmWave) در نظر گرفته می شود. به عنوان فرکانس mmWave ، ۶۰GHz مزایایی را ارائه می دهد که تا همین اواخر برای استفاده غیر نظامیان به راحتی قابل دسترسی نبوده است.

تعداد کمی از توسعه دهندگان و مهندسان با برنامه های ۶۰ گیگاهرتز آشنا هستند ، زیرا در طول تاریخ بیشترین کاربرد را در کاربردهای تحقیقات نظامی و علمی دیده است. با این حال ، فرکانس ۶۰ گیگاهرتز مجوز ندارد و برای استفاده و توسعه برنامه ها برای همه آزاد است (به شرطی که این برنامه ها مطابق با قوانین مربوط به عدم تداخل کمیسیون ارتباطات فدرال باشند که سایر برنامه های فرکانس رادیویی دیگر باید داشته باشند.)

مزایا و چالش های کار با فرکانس ۶۰ گیگاهرتز

چالش های جاری

چند چالش از منظر مهندسی با استفاده از فرکانس ۶۰ گیگاهرتز برای سیستم های راداری باقی مانده است.

اولین چالش در لبه میدان دید (FOV) وجود دارد که در آن ردیابی یک هدف می تواند دشوار شود زیرا قدرت سیگنال منعکس شده ضعیف تر از حالت نزدیک به مرکز FOV است. این یک چالش شناخته شده است ، و می تواند با استفاده از سنسورهای سیستم رادار چندگانه کاهش یابد.

چالش دیگر مربوط به الگوریتمی است که توسط سیستم های راداری برای تصمیم گیری در مورد اینکه کدام یک از اشیاء هدف هستند و کدام یک به هم ریخته استفاده می شوند. با توجه به هدف ثابت در یک محیط پر از بی نظمی (به عنوان مثال ، چندین نفر برای مدت طولانی در یک میز نشسته اند) ، پردازش سنتی دامنه داپلر ممکن است گاهی اوقات به طور نادرست یک هدف ثابت را به عنوان نامرتب طبقه بندی کند.

با این حال ، مزایای بالقوه سیستم های راداری طراحی شده برای فرکانس ۶۰ گیگاهرتز ممکن است بیش از این چالش ها باشد.

 فواید (مزایا)

فرکانس ۶۰ گیگاهرتز مزایای بالقوه ای را برای کسانی که برنامه های کاربردی برای آن ایجاد می کنند ارائه می دهد. مهمترین این فرکانس ها ذاتی آن نیست ، بلکه یک واقعیت موفقیت – و شلوغی – برنامه های کاربردی با استفاده از سایر فرکانس های رادیویی است: ۶۰گیگاهرتز یک فرکانس نسبتاً متراکم نیست ، در مقایسه با فرکانس های پایین تر ۲.۴گیگاهرتز و ۵گیگاهرتز که معمولاً برای Wi-Fi استفاده می شود ، که به دلیل ازدحام زیاد در این فرکانس ها ، به طور افزاینده ای از مشکلات عملکرد رنج می برند. ۶۰ گیگاهرتز تا حد زیادی از این رابط های تراکمی دور است و در نتیجه نوید یکپارچگی بهتر سیگنال را می دهد.

1. یک مزیت مرتبط این است که فرکانس ۶۰گیگاهرتز بدون مجوز تا ۹گیگاهرتز طیف را ارائه می دهد – پهنای باند چندین برابر بیشتر از آنچه در فرکانس های پایین تر مجوز موجود است. این مورد همچنین از یکپارچگی بیشتر سیگنال در فرکانس ۶۰گیگاهرتز پشتیبانی می کند. در یادداشت تحریریه ACM’s SIGCOMM Computer Communication Review ،L. لیلی یانگ از شرکت Intel گفت: “… فراوانی پهنای باند در باند ۶۰گیگاهرتز بدون مجوز در هیچ یک از باند های فرکانس پایین قابل مقایسه نیست.”
2. بیشترین هیجان در حدود ۶۰ گیگاهرتز در دهه گذشته بیشتر حول ارتباطات بی سیم بوده است. با این حال ، برای دامنه هایی مانند سیستم های راداری ، پهنای باند گسترده موجود در فرکانس ۶۰ گیگاهرتز می تواند رادار را دقیق تر ارائه دهد ، خود را به استفاده از مواردی برای رادار قرض می دهد که قبلاً به طور گسترده ای مستقر نشده اند – تعداد افراد ، اتوماسیون ساختمان ، امنیت محیط و امنیت محل کار ، به چند مورد اشاره کنید.
3.  یکی دیگر از مزایای فرکانس ۶۰ گیگاهرتز از طول موج کوتاه آن ناشی می شود. طول موج کوتاه فرکانس ۶۰ گیگاهرتز کمتر قادر به حرکت در میان دیوارها و ساختمانها است (به عنوان مثال سیگنالهای۲.۴ Wi-Fi  گیگاهرتز). از نظر قدیمی ها این یک مانع است ، زیرا فرکانس بیشتر از طریق لنزهای سیستم های ارتباطی مشاهده می شود ، جایی که ما به دنبال سیگنال های رادیویی هستیم که از طریق دیوارها و ساختمان عبور می کنند (به عنوان مثال شبکه های تلفن همراه و شبکه های Wi-Fi). بنابراین ، در بسیاری از موارد ، عبور سیگنال از دیواره ها مطلوب است. اما ، با تکثیر سیگنال های رادیویی که امروز در امواج ما پخش می شوند ، از طرف بسیاری از کاربران ، نیاز افزاینده ای به سیگنالهایی وجود دارد که در یک فضای تعریف شده باقی می مانند.

عوامل مختلفی وجود دارد که بر نفوذ سیگنال به یک جسم جامد مانند دیوار ساختمان تأثیر می گذارد. بسیاری از اینها مربوط به طول موج سیگنال است. اینکه یک سد فیزیکی مانند دیوار ساختمان توسط یک سیگنال بی سیم نفوذ کند یا خیر ، بستگی زیادی به ماده ای دارد که دیوار از آن ساخته شده است. تا زمانی که دیوار از فلز بسیار رسانا یا ماده ای بسیار متراکم (آجر ، بتن و غیره) ساخته نشده باشد ، معمولاً مشکلی با سیگنال Wi-Fi از یک اتاق به اتاق دیگر در یک اتاق خانه وجود ندارد.

به عنوان مثال رایج ترین سیگنال هایRF و مایکروویو – سیگنالهای رادیویی AM / FM ، سیگنالهای تلویزیونی ، سیگنالهای تلفن همراه و سیگنالهای Wi-Fi – دارای طول موج نسبتاً طولانی به اندازه چند متر تا ۱۲ میلی متر برای سیگنالهای Wi-Fi هستند. برای سیگنالهایی با این مرتبه از طول موج ، یک دیوار معمولی ساختمان “شفاف” است ، که به آنها اجازه می دهد به راحتی عبور نور از شیشه از آن عبور کنند. اگرچه در مورد سیگنال های فرکانس بالاتر ، دیوارها کمتر مانند نور از پنجره شیشه ای و بیشتر شبیه درب بسته عمل می کنند.

عمق نفوذ سیگنال توسط قانون Beer-Lambert توصیف شده است ، که می گوید:قانون Beer-Lambert مربوط به ثابت میرایی سیگنال است:

deltap  (دلتا) عمق نفوذ سیگنال به یک سطح است. آلفا با محاسبه ثابت میرایی یافت می شود ، که تحت تأثیر طول موج سیگنال (lambda) است. بنابراین ، با کاهش طول موج سیگنال (یعنی سیگنال فرکانس بالاتر) ، ثابت میرایی آن بزرگتر می شود و عمق نفوذ آن کاهش می یابد.

کمیسیون مطالعه سال ۲۰۱۴ توسط دفتر ارتباطات انگلستان (معادل انگلستان FCC ایالات متحده) از دست دادن سیگنال در ساختمان ها برای مصالح ساختمانی مختلف و فرکانس های مختلف را بررسی کرد. شکل زیر برخی از یافته های مطالعه را خلاصه می کند ، که با آنچه تئوری پیش بینی می کند سازگار است: اتلاف انرژی (همانطور که در دسی بل اندازه گیری می شود) سیگنال متناسب با فرکانس سیگنال به سرعت و مستقیم افزایش می یابد.

سیستم های راداری با استفاده از فرکانس ۶۰ گیگاهرتز حسگرها را قادر می سازد تا محدوده ، سرعت و زاویه اشیا را در یک صحنه دقیق درک کنند ، همه اینها در حالی است که وضوح بالای مورد نیاز برای محیط های صنعتی را فراهم می کنند.

یک چالش مکرر برای جابجایی وسایل نقلیه – ماشین آلات ساختمانی ، تجهیزات معدن ، و سایر وسایل نقلیه ویژه – و همچنین هواپیماهای بدون سرنشین (UAV) و تنظیمات صنعتی ، نحوه ردیابی اهداف در این محیط های دشوار است. هدف ممکن است چیزی مانند تخته سنگی باشد که مسیر را در یک معدن بزرگ روباز مسدود می کند ، یا ممکن است یک انسان باشد که باید با استفاده از ماشین آلات سنگین صنعتی در محیط تولید از آن خودداری شود.

دستگاهی که با فرکانس پایین تری کار می کند برای ارسال و دریافت صحیح سیگنال ها به یک آنتن بزرگتر نسبت به دستگاه مشابهی که با فرکانس بالاتر کار می کند ، نیاز دارد. به همین دلیل ، سیستم های راداری با استفاده از فرکانس ۶۰ گیگاهرتز را می توان کوچک کرد و از دستگاه های مشابه با استفاده از فرکانس پایین تر ۲.۴ گیگاهرتز کوچکتر کرد. با این کار استفاده های بالقوه جدیدی از سیستم های راداری و سنسور های راداری باز می شود که در غیر این صورت به دلیل محدودیت های فیزیکی سیستم های بزرگ راداری غیرقابل اجرا هستند.

راه حل ها

با ادغام اجزای مورد نیاز برای طراحی رادار ، دستگاه های تخصصی سیستم روی تراشه (SoC) از پیچیدگی طراحی برنامه های mmWave (موج کوتاه) می کاهند. با استفاده از این دستگاه ها ، توسعه دهندگان می توانند سیستم هایی با فناوری چند ورودی (MIMO) را به طور موثرتری پیاده سازی کنند.

MIMO مفهومی است که در حوزه ارتباطات بی سیم شناخته شده است اما در حوزه طراحی سیستم های راداری نیز حیاتی است. با ترکیب طرح MIMO در سیستم های راداری ، می توان یک تصویر سه بعدی از یک محیط و اهداف ایجاد کرد. استفاده از آنتن های متعدد در سیستم رادار ، درک کامل تری از یک محیط را فراهم می کند. طراحی آنتن در فرکانس ۶۰ گیگاهرتز همچنین با استفاده از اندازه سنسور فیزیکی کوچکتر امکان FOV گسترده را فراهم می کند. برای دستیابی به یک FOV بدون ابهام ± ۹۰ درجه ، فاصله بین چهار آنتن گیرنده به صورت نیمه طول موج طراحی شده است ، در حالی که سه آنتن انتقال توسط یک طول موج از هم جدا می شوند. این منجر به ایجاد یک شبکه ۴ × ۲ در هر دو سطح ارتفاع و عرض آن می شود.

پهنای باند زیاد موجود در برنامه های ۶۰ گیگاهرتز به این معنی است که قرائت از سیستم های راداری در این فرکانس را می توان با وضوح بسیار بالاتر از حد ممکن در فرکانس های پایین تر انجام داد. از آنجا که در طول تاریخ بیشتر برای ردیابی اجسام بزرگ مانند هواپیماها مورد استفاده قرار می گرفته است ، رادارهای سنتی نگران نبودند. اما با شیوع افزاینده ی ماشین های اتومات یا نیمه اتومات در زندگی روزمره ، نیاز به تشخیص با وضوح بالاتر برای حس اشیای کوچکتر – به عنوان مثال تیرهای تیر ، ساختمانها یا افراد – افزایش یافته است.

به عنوان مثال مورد استفاده برای سیستم های راداری ۶۰ گیگاهرتز: تعداد افراد

شمارش افراد رشد کرده و تبدیل به یک صنعت به خودی خود در دهه گذشته، به عنوان خرده فروشان و خواص مهمان نوازی به دنبال درک بهتر و بهینه سازی عملیات خود، و برای ارائه یک تجربه بهتر به مشتریان و کارمندان خود بوده است.

شمارش افراد یک برنامه نسبتاً بالغ است که با استفاده از چندین فناوری مختلف می توان آن را انجام داد. رایج ترین فناوری های موجود برای شمارش افراد شامل دید رایانه ویدئویی ، مادون قرمز ، تصویربرداری حرارتی و Wi-Fi است.

نگرانی عمده بسیاری از مشتریان مخصوصا راه حل های شمارش افراد مبتنی بر ویدئو ، حفظ حریم خصوصی است. این نگرانی تنها آنها را از استقرار راه حل های شمارش مبتنی بر ویدیو باز می دارد ، حتی زمانی که سازمان می تواند از این کار سود ببرد. در حالی که فناوری های مبتنی بر ویدئو از دقت و کارایی (بالایی) برخوردار هستند ، اما به دلیل اطلاعات قابل شناسایی شخصی (PII) جمع آوری شده در مورد افراد خاص ، درگیر حریم خصوصی و امنیت هستند.

سیستم های راداری با استفاده از فرکانس ۶۰ گیگاهرتز می توانند همان اطلاعات را بدون نگرانی درباره حریم خصوصی در اختیار مدیر مرکز قرار دهند. با استفاده از رادار به تنهایی می توان میزان وجود یا نبودن افراد در اتاق را تشخیص داد. این می تواند برای برنامه هایی مانند مدیریت اتاق کنفرانس ، ساختمانهای هوشمند ، هتل ها و موارد دیگر مهم باشد. به عنوان مثال ، هتل ها می توانند روشنایی هوشمند و یا کنترل دما بر اساس میزان اشغال اتاق را با مصرف انرژی هوشمند انجام دهند. و ما می توانیم این کار را بدون حمله به حریم خصوصی افراد در اتاق انجام دهیم ، زیرا ما از یک ابزار تجسم استفاده نمی کنیم: ما به سادگی از یک انعکاس رادار برای تعیین تعداد افراد در اتاق و تعداد افراد خارج از اتاق استفاده می کنیم.

الگوریتم استاندارد برای پردازش رادار که معادله رادار معروف است:در این معادله:

Pr = توان Rx

Pt  = توان Tx

Gt  = سود آنتن Tx

σ  = ضریب پراکندگی (یک مقدار تجربی اندازه گیری شده یا برآورد شده)

F  = انتشار الگوی

Rt  = فاصله Tx تا هدف

Rr  = فاصله از هدف تا Rx

Ar = دیافراگم موثر آنتن Rx به شرح زیر است:در این رابطه:

λ = طول موج Tx                                       Gr = بهره آنتن Rx

همانطور که از معادله رادار مشخص است ، توان دریافتی سیگنال رادار به طول موج سیگنال بستگی دارد که با فرکانس آن رابطه عکس دارد. بنابراین ، سیگنالهای فرکانس بالاتر برای همان توان دریافتی به قدرت Tx بیشتر و بهره آنتن Tx نیاز دارند. این یک چالش قابل توجه در طراحی است و یک دلیل اینکه استفاده از فرکانس ۶۰ گیگاهرتز تا همین اواخر محدود به کاربردهای علمی و نظامی بوده است.

در برنامه های دنیای واقعی ، کنترل های اضافی به معادله رادار عمومی برای بهبود فیلتر کردن ، برای از دست دادن مسیر و غیره اضافه می شود. بیشتر ارائه دهندگان سیستم های رادار الگوریتم های اختصاصی خود را نیز برای به حداکثر رساندن عملکرد در اختیار دارند.

نسل جدید حسگرهای هوشمند به طور چشمگیری باعث بهبود استفاده و عملکرد ساختمانهای تجاری و همچنین کاهش هزینه های عملیاتی با راهکارهای کارآمد انرژی مانند روشنایی تنظیم شده برای اشغال و کنترل دما می شوند. به عنوان مثال ، در ساختمان تجاری متوسط ، HVAC 39 درصد از بودجه انرژی را مصرف می کند. براساس گزارش اخیر شورای آمریکایی برای اقتصاد با بهره وری انرژی (ACEEE) ، حسگرهای هوشمند می توانند ۱۸ درصد از این هزینه ها را کاهش دهند.

به عنوان مثال دیگر ، استفاده از یک مطالعه در سال ۲۰۱۵ نشان داد که استفاده صحیح از تابلوهای دیجیتال می تواند زمان انتظار در پرداخت خرده فروشی را تا ۳۵ درصد کاهش دهد و حجم فروش کلی را بیش از ۳۰ درصد افزایش دهد. دستیابی به این نتایج مستلزم درک صحیح نحوه واکنش مردم به تابلوها است. با ترکیب علامت گذاری دیجیتال با داده های متناوب جمع آوری شده از فناوری های شمارش افراد – چند نفر از نظر علامت های دیجیتال عبور می کنند و مدت زمانی را که از نظر آن علامت های دیجیتال می گذرانند – خرده فروشان می توانند از این پتانسیل بیشتر استفاده کنند.

راه حل های شمارش افراد مبتنی بر Wi-Fi تعداد واقعی افراد در اتاق را فراهم نمی کند ، زیرا آنها معمولاً به اندازه گیری قدرت سیگنال (RSS) دریافت شده و یا جلسات واقعی Wi-Fi اعتماد می کنند. این فناوری ها حداقل تعداد مشخصی از افراد را در یک زمان مشخص در یک منطقه مشخص فراهم می کنند و همچنین تعداد کل افراد تخمینی را که از این داده های RSS و روش های تخمین آماری استفاده می کنند ، استخراج می کنند. این روش ها برآورد خوبی از ترافیک پاهای افراد دارند ، اما با این وجود یک برآورد است.

اول اینکه ، اگرچه بیشتر افراد بزرگسال در ایالات متحده بیشتر اوقات یک تلفن هوشمند مجهز به Wi-Fi دارند و از آن استفاده می کنند ، اما هنوز هم این نرخ ۱۰۰٪ نیست. علاوه بر این ، همه دارندگان تلفن های هوشمند اجازه نمی دهند دستگاه هایشان به طور خودکار برای شبکه های باز تحقیق کنند (در بسیاری از موارد ، دقیقاً به دلیل حفظ حریم خصوصی و یا امنیت).

به همین ترتیب ، ممکن است فرد دیگری دارای ساعت هوشمند ، تلفن هوشمند ، رایانه لوحی و لپ تاپ با قابلیت Wi-Fi باشد و همه آنها را به شبکه متصل کند ، بازهم شمارش را مختل کند. شمارش افراد مبتنی بر Wi-Fi همچنین در توانایی نقشه برداری از مکان و حرکت دقیق افراد در یک فضا محدود است.

علاوه بر این ، این روش ها می توانند افراد را در معرض نقض احتمالی حریم خصوصی قرار دهند ، علی رغم ادعا در برابر پیشخوان ، همانطور که جولین فرویدیگر در یک مقاله تحقیقاتی ۲۰۱۵ ACM ، توسط لونت دمیر در یک مقاله تحقیقاتی INRIA 2013 و دیگران نشان داده است.

تصویربرداری مادون قرمز و تصویربرداری حرارتی می توانند دقت لازم را فراهم کنند ، اما هزینه نصب و راه اندازی هر دو می تواند به سرعت گران شود ، زیرا این سیستم ها به مقدار زیادی انرژی نیاز دارند و به طور مداوم کار می کنند.

بسیاری از ساختمانهای اداری دارای اتاق های کنفرانس مشترک هستند. استفاده از این اتاق ها حتی با داشتن یک مدیر دفاتر حرفه ای نیز غیرممکن است. گاهی اوقات افراد یک اتاق کنفرانس را در یک تقویم رزرو می کنند اما در نهایت نیازی به فضا ندارند – اما تقویم به روز نمی شود و منجر به استفاده از اتاق های کنفرانس می شود. در مواقع دیگر ، افراد ممکن است در یک اتاق کنفرانس که رزرو نکرده اند ، جلسه ای فی البداهه برگزار کنند. اینها انواع شرایطی است که سیستم شمارش افراد مستقر در رادار به آنها کمک می کند.

نمونه ای از پیکربندی در دنیای واقعی برای افرادی که برای مدیریت اتاق کنفرانس با استفاده از سیستم های راداری ۶۰ گیگاهرتز حساب می شوند ، ممکن است به صورت زیر باشد. سه ماژول سیستم راداری ۶۰ گیگاهرتز را می توان در سه اتاق کنفرانس جداگانه قرار داد. از آنجا که این ماژول ها از فناوری سیستم های راداری استفاده می کنند ، می توانند محل اشغال یا نشدن یک اتاق کنفرانس را تشخیص دهند (درست مانند سیستم های راداری تشخیص می دهند که آیا مانعی برای هواپیمای بدون سرنشین وجود دارد یا اتومبیل دیگری در نزدیکی اتومبیل است.)

داده ها ابتدا روی ماژول های سیستم رادار پردازش می شوند و سپس از ماژول به میکروکنترلر متصل به شبکه Wi-Fi منتقل می شوند. سپس می توان از طریق Amazon’s Alexa از هر جای دنیا که دارای اتصال اینترنتی است ، با دستور صوتی به این میکروکنترلر دسترسی پیدا کرد و پاسخی در مورد اشغال یک اتاق کنفرانس خاص یا نشدن آن را به مدیر دفتر برمی گرداند.