JCAS: Совместное восприятие в 6G

🧠 Joint Communication and Sensing в 6G: Как сети связи научатся «видеть» мир

Эволюция беспроводной связи неумолимо движется к шестому поколению (6G), обещая не просто более высокие скорости, а фундаментально новую парадигму взаимодействия между цифровым и физическим мирами. Если 5G соединяла людей и устройства, то 6G призвана объединить физическую и цифровую реальности в единый континуум. Ключевой технологией, делающей это возможным, является Joint Communication and Sensing (JCAS) — совместное восприятие, или интегрированная система связи и зондирования.

Тезис 1: Интеграция вместо коэкзистенции. JCAS объединяет функции связи и радиолокационного зондирования в единую систему, а не просто совмещает два отдельных устройства.

Статьи по теме

• Голографическое радио для 6G
• Внедрение 6G в России
• Аналитика: Китайский прорыв в 6G
• Технологии 6G: Подробный разбор
• Применение технологии 6G в Московской области
• Связь 6G: Что это и какие возможности она открывает?

В отличие от традиционных подходов, где сети связи и радарные системы работали раздельно, занимая разные частоты и ресурсы, JCAS трансформирует саму инфраструктуру связи в гигантский распределенный сенсор.

Один и тот же сигнал, передаваемый базовой станцией, будет использоваться не только для передачи данных вашему смартфону, но и для анализа окружающего пространства — определения расстояний, скоростей, размеров и даже материалов объектов. Это превращает телеком-инфраструктуру из простого «канала передачи данных» в многофункциональную платформу, воспринимающую мир вокруг себя.

Технические основы и архитектура JCAS

Тезис 2: Эффективность как главный драйвер. Основная цель — радикальное повышение эффективности использования спектра, аппаратных ресурсов и энергии, что позволяет снизить стоимость и упростить развертывание.

Техническая реализация JCAS базируется на нескольких архитектурных подходах. Наиболее простой — моностатическое зондирование, когда одна и та же базовая станция и передает, и принимает отраженный сигнал.

Главной технической проблемой здесь является мощная самопомеха — прямой сигнал от передатчика к приемнику, который необходимо эффективно подавлять, чтобы рассмотреть слабые отражения от объектов.

Более перспективным и естественным для сотовых сетей является мультистатическое зондирование.

Тезис 3: Сети как распределенный сенсор. Существующая инфраструктура сотовой связи с множеством узлов идеально подходит для создания мультистатической радарной сети, способной зондировать пространство почти «бесплатно».

В такой архитектуре одна базовая станция передает сигнал, а несколько других, расположенных поблизости, принимают его отражения. Это позволяет строить точные 3D-карты окружающей среды, определять местоположение и траекторию движения объектов с высочайшей точностью. Плотность сетей 6G станет основой для этой «паутины» восприятия.

Тезис 4: Новые частоты — новые возможности. Использование миллиметровых и суб-ТГц диапазонов в 6G открывает путь к высокоточному зондированию с разрешением до сантиметра.

Переход в диапазоны с более короткой длиной волны (миллиметровые и терагерцовые) не только увеличивает пропускную способность, но и кардинально повышает разрешающую способность систем зондирования. Это позволит сетям 6G различать не просто крупные объекты, но и детали их формы, а также отслеживать такие тонкие движения, как жесты человека.

Ключевые технологии и проблемы реализации

Сердцем технологий JCAS является массивная MIMO (Multiple-Input Multiple-Output).

Тезис 7: Ключевая роль MIMO. Технология Massive MIMO является краеугольным камнем для JCAS, обеспечивая необходимое для зондирования формирование лучей и обработку сигналов.

Антенные решетки с сотнями элементов позволяют формировать сверхузкие и направленные лучи. Эти лучи можно использовать не только для точечной передачи данных конкретному пользователю, но и для сканирования пространства подобно лазерному лучу. Обработка сигналов с такого массива антенн позволяет создавать «виртуальные радары» с огромной разрешающей способностью.

Среди главных вызовов — проектирование зондирующих сигналов. Необходимо создать такие формы сигналов, которые будут одинаково хорошо подходить как для надежной передачи информации, так и для точного измерения параметров окружения. Стандартные сигналы 5G (например, OFDM) приходится адаптировать, чтобы они несли в себе и коммуникационную, и сенсорную функцию.

Другими сложностями являются подавление помех (особенно в моностатической архитектуре), точная синхронизация между множеством сетевых узлов для мультистатического зондирования и колоссальные объемы данных, требующие мощной вычислительной инфраструктуры на границе сети (Edge Computing).

Применения и варианты использования

Потенциал JCAS раскрывается в двух плоскостях: для внутренней оптимизации сети и для предоставления внешних сервисов.

Тезис 5: Улучшение самой сети. Данные зондирования используются для оптимизации работы сети, например, для быстрого перенаправления луча при блокировке прямого сигнала.

Сеть 6G сможет в реальном времени обнаруживать объекты (например, грузовик или пешехода), которые блокируют сигнал, и мгновенно перенаправлять луч связи через другие базовые станции или отражающие поверхности, обеспечивая бесперебойное соединение.

Тезис 6: От сетевой функции к сервису. Возможности зондирования становятся сервисом, который сеть может предоставлять внешним приложениям: от мониторинга трафика до создания цифровых двойников.

1️⃣ Интеллектуальные транспортные системы (ИТС): Перекрестки, оснащенные оборудованием 6G, смогут отслеживать в реальном времени скорость и траекторию всех автомобилей, пешеходов и велосипедистов, повышая безопасность и управляя потоками.

2️⃣ Промышленность 4.0/5.0: На заводах JCAS обеспечит точное позиционирование роботов-манипуляторов, контроль за производственным процессом и обнаружение посторонних предметов в опасных зонах без отдельной системы видеонаблюдения.

3️⃣ Цифровые двойники и дополненная реальность (XR): Создание точной, обновляемой в реальном времени цифровой копии физического пространства (стадиона, цеха, города) для симуляций, анализа и immersive-игр.

4️⃣ Здравоохранение: Бесконтактный мониторинг жизненно важных показателей (дыхание, сердцебиение) и отслеживание перемещений пациентов в больницах.

JCAS в спутниковых сетях (Non-Terrestrial Networks — NTN)

Одним из самых амбициозных направлений является интеграция JCAS в небесные и спутниковые сети.

Тезис 8: Трансформация спутниковых сетей. JCAS является основой для создания многофункциональных спутниковых систем (MFSS), объединяющих связь, зондирование и навигацию, что критически важно для устойчивого освоения космоса.

Вместо запуска отдельных спутников для связи, наблюдения Земли и навигации, можно создавать единые многофункциональные платформы.

Тезис 9: Стимул для инноваций. Развитие JCAS рассматривается как шанс вернуть лидирующие позиции в телекоммуникационной отрасли, чему способствуют проекты типа Hexa-X и 6thSense.

Это позволяет радикально снизить массу, стоимость и, что критически важно, количество объектов в космосе, борясь с проблемой космического мусора. Спутник 6G сможет одновременно предоставлять широкополосный доступ, отслеживать климатические изменения, мониторить морские судоходные пути и обеспечивать резервную навигацию.

Европейские и мировые исследовательские проекты

Разработка JCAS ведется в рамках крупных международных консорциумов. Флагманские европейские проекты Hexa-X и Hexa-X-II, которые курируют Ericsson и Nokia, заложили основу для видения 6G и определили интегрированное зондирование как одну из ключевых технологий. Проект 6thSense, поддерживаемый программой Marie Skłodowska-Curie, фокусируется на применении JCAS в конкретных секторах, таких как здравоохранение и автомобилестроение. Компании-лидеры, такие как Rohde & Schwarz, также активно участвуют в национальных исследовательских проектах, таких как KomSens 6G в Германии.

Заключение и взгляд в будущее

Тезис 11: Рождение пространственно-ориентированных сетей. 6G с JCAS превратится в сеть, которая не просто передает данные, но и в реальном времени воспринимает и понимает физическое пространство вокруг нас.

JCAS — это не просто эволюционный шаг, а настоящая революция в беспроводных технологиях. Она превращает пассивную сеть связи в активную, воспринимающую среду, способную предоставлять контекстно-зависимые услуги, о которых ранее можно было только мечтать.

Тезис 12: Горизонт 2030 года. Ожидается, что первые коммерческие решения 6G, включающие JCAS, появятся примерно в 2030 году, а работы по их стандартизации уже начались.

Однако путь к коммерческому успеху лежит через решение ряда сложных задач.

Тезис 10: Технические вызовы остаются. Несмотря на прогресс, предстоит решить сложные задачи: совместное проектирование сигналов, подавление помех, синхронизацию в распределенных системах и вопросы конфиденциальности данных.

Помимо технических барьеров, предстоит решить серьезные вопросы, связанные с конфиденциальностью и безопасностью. Сети, способные «видеть» сквозь стены и отслеживать малейшие движения, потребуют совершенно новых этических и правовых рамок. Несмотря на это, совместное восприятие уверенно заявляет себя как одна из фундаментальных технологий, которая определит ландшафт мобильной связи следующего десятилетия и откроет дорогу для приложений, которые сегодня кажутся фантастикой.

Важные определения

Joint Communication and Sensing (JCAS) - технология, объединяющая функции беспроводной связи и радиолокационного зондирования в единую систему, использующую одинаковые сигналы и аппаратные ресурсы.

Мультистатическое зондирование - архитектура JCAS, при которой сигнал передается одним узлом сети, а принимается несколькими другими узлами, что позволяет создавать точные 3D-карты окружающей среды.

Массивная MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) - технология с использованием антенных решеток с сотнями элементов, обеспечивающая формирование узких лучей для одновременной связи и зондирования пространства.

Многофункциональные спутниковые системы (MFSS) - спутники, объединяющие в единой платформе функции связи, зондирования и навигации для повышения эффективности использования космического пространства.