Связь для умного земледелия: ученые ЮФУ исследуют технологии 5G и 6G

Фото: пресс-служба ЮФУ

Современное сельское хозяйство все больше зависит от данных. Чтобы создавать цифровые двойники почв, отслеживать состояние полей и управлять агроландшафтами в режиме реального времени, нужны тысячи датчиков, постоянно передающих информацию. Но чем больше таких устройств, тем выше нагрузка на сети связи и затраты энергии. Ученые ЮФУ исследовали технологии, которые могут сделать передачу данных быстрее, стабильнее и экономичнее для будущих сетей 5G и 6G.

Сегодня около 75% населения Земли имеют доступ к интернету. Умные дома, медицинские устройства, системы мониторинга окружающей среды и промышленные датчики постоянно подключены к сети и обмениваются данными. Однако массовое распространение таких устройств создает новую проблему: ограниченный срок службы батарей и растущую нагрузку на каналы связи.

Для решения этой задачи ученые Южного федерального университета исследовали возможности технологии обратного рассеяния сигнала и множественного доступа, которые рассматриваются как одна из основ будущих сетей 5G и 6G.

Работа особенно актуальна для развития интернета вещей (IoT) — сети взаимосвязанных устройств и датчиков, которые автоматически собирают и передают данные через интернет. К IoT относятся, например, умные часы, системы мониторинга здоровья, датчики в сельском хозяйстве, элементы инфраструктуры «умного города», промышленные сенсоры и современное оборудование для сельского хозяйства. Разработанные подходы как раз могут применяться для этих систем. Для таких устройств особенно важны низкое энергопотребление и стабильная связь.

Особое значение подобные решения имеют для современных агротехнологий. Сегодня сельское хозяйство все активнее использует сети датчиков, беспилотные летательные аппараты и системы мониторинга, которые помогают контролировать состояние почв, растений и сельскохозяйственных угодий в режиме реального времени. Именно такие данные лежат в основе цифровых двойников почв — одного из перспективных направлений исследований, которое развивается в ЮФУ.

Однако работа тысяч датчиков на больших территориях требует надежной связи и минимального энергопотребления. Регулярная замена батарей на удаленных объектах значительно увеличивает стоимость эксплуатации, а рост числа подключенных устройств создает дополнительную нагрузку на сеть.

В своей научной работе исследователи сравнили две технологии организации связи: более традиционную OMA и современную NOMA, а также изучили их работу в сочетании с технологией обратного рассеяния сигнала BackCom. BackCom позволяет устройствам передавать данные с минимальным энергопотреблением, используя и отражая уже существующие радиоволны. Если первая выделяет каждому устройству отдельный временной или частотный ресурс, то вторая позволяет использовать один канал нескольким пользователям. Особенность этой технологии в том, что устройства могут передавать информацию, практически не расходуя собственную энергию.

Исследование показало, что комбинация BackCom и NOMA обеспечивает более высокую спектральную эффективность и увеличивает суммарную пропускную способность сети даже в условиях помех, ошибок оценки канала и потерь сигнала.

«Интеграция BackCom с NOMA хорошо соответствует будущим требованиям коммуникации для интеллектуальных, масштабируемых и энергоэффективных беспроводных экосистем. В том числе она полезна для, например, создания цифрового двойника почвы, где необходимо непрерывно получать данные с большого количества датчиков, распределенных по территории», –– прокомментировал профессор Судип Танвар — приглашенный профессор ЮФУ, руководитель мегагранта «Разработка и реализация методологии создания цифрового двойника почв на основе искусственного интеллекта и технологии Big Data», декан Университета Марвади (Раджкот, Индия), специалист в области беспроводных сетей и цифровых технологий.

На данном этапе работа основана на компьютерном моделировании. Следующим этапом станет создание тестовых стендов BackCom-NOMA и тестирование технологии в реальных условиях. В перспективе исследователи также планируют развивать направление совместно с технологиями искусственного интеллекта и интеллектуальных отражающих поверхностей (RIS), которые рассматриваются как важная часть экосистемы 6G. Такие решения могут найти применение в телекоммуникациях, системах экологического мониторинга, промышленной автоматизации и цифровом сельском хозяйстве.

Южный федеральный университет, являясь участником программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»), концентрирует усилия на решении задач научно-технологического развития страны. В рамках этой работы университет на основе сетевой архитектуры взаимодействия создает производственно-технологические цепочки полного цикла для ответа на «большие вызовы». Ключевые направления развития охватывают ряд критических и сквозных технологий, которые лежат в основе трех ключевых стратегических технологических проектов вуза. Одни из них – СТП  «Технологии биоинженерии почв», над реализацией которого работает команда Академии биологии и медицины им. Д.И. Ивановского ЮФУ. Кроме того, на основе многолетних исследований ученые академии сформулировали новую национальную инициативу — «Создание устойчивых почв для будущих поколений России». Она предполагает переход от традиционного восстановления деградированных земель к созданию почвенных систем с заданными свойствами, адаптированных под конкретные климатические условия и сельскохозяйственные задачи. В основу инициативы легли результаты практических экспериментов по конструированию почвы с нуля, которые уже реализуются исследователями ЮФУ в Ростовской области.