Interferentie in auto-radartoepassingen

Technieken om dit te verminderen

Sensoren zijn fundamentele bouwstenen voor zelfrijdende voertuigen. Zo zijn er radar-, LiDAR- en camerasystemen, elk met hun sterke en zwakke punten. Radars zijn doorgaans robuuster dan camera’s voor ongunstige weersomstandigheden, kosteneffectiever dan LiDAR en bieden een betere resolutie voor snelheid en afstand. Typische nadelen zijn een lagere hoekresolutie of een resolutie over het hele bereik en niet onbelangrijk radar-naar-radarinterferentie.

Er zijn geavanceerde oplossingen die de hoekresolutie van de radar verder verhogen, van spaarzame arrays tot algoritmen met superresolutie. Er zijn ook oplossingen om de gevoeligheid van de radar te verbeteren om kleine objecten te onderscheiden van grote objecten in de buurt, zoals een voetganger naast een grote vrachtwagen of een gebouw. Radar wordt hiermee steeds populairder. Dit heeft echter tot gevolg dat steeds meer voertuigen zijn uitgerust met radarsystemen waardoor onderlinge interferentie een steeds grotere zorg wordt.

Het interferentieprobleem begrijpen
Radarinterferentie in het verkeer is een uitdaging aan het worden. Aangezien alle in auto’s toegepaste radarinstallaties allemaal hetzelfde toegewezen frequentiespectrum gebruiken, kunnen meerdere radars tegelijkertijd en op dezelfde frequentie uitzenden. Als ze daarbij ook een gemeenschappelijk zichtbaar pad delen, zullen ze elkaar hinderen.
Al jaren geleden is dit probleem onderkend en is er het rapport MOre Safety for All by Radar Interference Mitigation (MOSRIM) uitgekomen. Een studie van de National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) bouwde daarop voort en voegt verschillende verkeersscenario’s toe om te bepalen wanneer en hoe vaak interferentie optreedt.
Een veelvoorkomend verkeersscenario wordt getoond in afbeelding 1. Wanneer voertuigen met naar voren gerichte langeafstand radars met een relatief smal gezichtsveld (field of view – FoV) elkaar naderen, treedt interferentie op als de FoV van de twee sensoren elkaar overlappen en de radars tegelijkertijd en in hetzelfde frequentiespectrum actief zijn. Het smalle gezichtsveld en de breedte van de weg, zorgen voor enige vermindering, maar onderlinge hinder is niet helemaal uitgesloten.

Radarinterferentie-technieken
Er zijn drie klassen technieken beschikbaar om radarinterferentie te verminderen zonder de algehele systeemprestaties te beïnvloeden (afbeelding 2). De eerste techniek vermijdt de oversturing van de ingangstrap, iets dat gebeurt wanneer de ene radar direct instraalt op de andere. De tweede methode probeert de interferentie in het digitale domein te herkennen en te verwijderen. De derde voorkomt interferentie door de radargolfvorm aan te passen om de kans op interferentie met andere radars te verkleinen.
Al deze technieken proberen de nadelige effecten van interferentie te verkleinen voordat of nadat deze plaatsvindt. Omdat ze onafhankelijk in elke sensor in hun respectievelijke radarsysteem worden geïmplementeerd, bieden ze geen robuuste strategie om interferentie op een gestructureerde manier te vermijden.

Meer gestructureerd
Een betere methode is het meer structureren van de radarsystemen. Een mogelijke benadering zou kunnen zijn om frequentie en tijd statisch toe te wijzen aan de toepassingen. Voor- en achterradars zouden bijvoorbeeld gebruik kunnen maken van niet-overlappende delen van het spectrum. Zo wordt het worst-case-interferentiescenario vermeden van een naar voren gerichte radar die de naar achteren gerichte radar van de voorligger vol aanstraalt. Het gebruik van verschillende polarisaties voor verschillende toepassingen zou dit worstcasescenario kunnen verzachten, maar de juiste overwegingen over de invloed van polarisatie op de FoV van de antenne en op de voortplanting moeten worden overwogen.
Voor meer geavanceerde oplossingen kan de radarsensor regels voor kanaaltoegang gebruiken die zijn ontwikkeld door de telecommunicatie-industrie, zoals TDMA, FDMA, CDMA of OFDMA. Als alternatief zou de oplossing een meer stochastische benadering kunnen volgen, zoals ALOHA, CSMA of CSMA-CA, die gewoonlijk wordt ingezet op de medium access control-laag (MAC) van de communicatiestack.
Het volgen van de eerste benadering zou een vorm van gecentraliseerde coördinatie vereisen. Dit betekent dat elke radarsensor moet communiceren met een centrale eenheid, bijvoorbeeld de telecommunicatie-infrastructuur. Hier moet hij aangeven wat hij wil doen om vervolgens te wachten tot hij een tijd- en frequentieslot terug krijgt. Op deze manier is hij de enige radar die de omgeving aftast en wordt interferentie tot een minimum beperkt.
De laatste methode maakt gebruik het zogenaamde ALOHA-protocol, waarbij elke radar uitzendt wanneer hij dat wil, iets dat in feite is wat de huidige radarsensoren doen. In de verbeterde versie van dit ALOHA-protocol – het SLOT-ALOHA-protocol wordt er meegekeken naar dat wat er aan radarsignalen uitgezonden wordt. Als er bijvoorbeeld een botsing van twee verzonden signalen optreedt, dan vervalt hiermee het hele transmissieframe en zijn er geen mogelijke gedeeltelijke overlappingen van berichten. Deze simpele truc verdubbelt al de efficiëntie van de transmissie in de communicatie.
In vergelijking met andere systemen hoeven de radarsensoren niet met elkaar te communiceren om de omgeving af te tasten. Men zou daarom alleen de manier waarop ze toegang krijgen tot het kanaal kunnen standaardiseren, waarbij de volledige vrijheid overblijft om elke radargolfvorm in te zetten. Als we bijvoorbeeld teruggaan naar het ALOHA- en slotted-ALOHA-voorbeeld, zou men kunnen denken aan het organiseren van de draadloze bronnen in tijd- en frequentieblokken; bijvoorbeeld 20 ms bij 250 MHz. Met deze techniek kan elke radarsensor een geheel aantal tijd-/frequentieslots gebruiken. Daarbij kan de tijdsynchronisatie afkomstig zijn van het gps-signaal, dat al in de auto aanwezig is.

Als iedereen het erover eens is, zou deze eenvoudige maatregel ervoor kunnen zorgen dat meer sensoren in dezelfde omgeving kunnen werken, terwijl de industrie de volledige vrijheid krijgt om te differentiëren in termen van radargolfvormen.
Er kunnen ook meer complexe en efficiënte meervoudige toegangsschema’s worden overwogen. Bijvoorbeeld een vorm van detectie van de beschikbare tijd- en frequentiebronnen en een mechanisme van randomisatie bij de toegang tot het kanaal, vergelijkbaar met het CSMA-CA-protocol dat wordt gebruikt in Wifi-netwerken. Verdere verkenning is vereist om het juiste protocol voor toewijzing van bronnen voor radartoepassingen te identificeren. Het zou gebaseerd moeten zijn op de MAC-protocollen, maar met aanzienlijke aanpassingen om rekening te houden met de verschillende soorten verkeer, prioriteitsinstellingen en kwaliteit van dienstdoelen.
Wat de oplossing ook zal zijn, een overeengekomen manier om toegang te krijgen tot de gedeelde bronnen zal zeker het maximale aantal radarsensoren die naast elkaar in dezelfde omgeving bestaan, doen toenemen.

Samenwerken
Er kan nog een extra stap worden gezet om de interferentie te elimineren. In plaats van de radarsensoren als afzonderlijke eenheden te beschouwen, zou men de radarsensoren kunnen zien als meerdere eenheden van hetzelfde detectiesysteem. In deze visie werken de radarsensoren samen om hetzelfde gezamenlijke doel te bereiken. Ze zullen moeten worden uitgerust met een communicatieverbinding met alle andere sensoren om de toegang tot het gedeelde kanaal te coördineren en informatie te delen, als een groter ecosysteem.
Door het delen van informatie ontstaat er een systeem waarbij niet alleen interferentie geen rol meer speelt, maar waar nog beter een beeld van de omgeving verkregen kan worden. De informatie voor het radarbeeld wordt dan immers opgebouwd met radarsignalen die ook afkomstig zijn van andere radarsensoren. Dit kunnen sensoren zijn die op een andere auto of wegeninfrastructuur zijn gemonteerd. Een dergelijke coöperatieve detectie zou de interferentie a priori vermijden omdat geen enkele eenheid als een interferer wordt gezien, maar als een deelnemer in de samenwerking.
De juiste strategie voor het verminderen van radarinterferentie hoeft niet de meest efficiënte te zijn. Het hebben van de juiste balans tussen complexiteit en het vermogen om met de interfereerders om te gaan, hangt sterk af van de voorziene scenario’s. Combinaties van randomisatie, detectie en vermijding van interferentie kunnen krachtig genoeg zijn om een aanzienlijke marktpenetratie van radarsensorsystemen te ondersteunen.

Conclusie
Dat er uitgebreidere technieken komen om radar-naar-radar-interferentie het hoofd te bieden, moge duidelijk zijn. Uiteindelijk zal er één of andere vorm van overeenstemming zijn binnen de radarsensorgemeenschap om de detectiemiddelen effectief te delen. Uiteindelijk zal er een gestandaardiseerde manier zijn om toegang te krijgen tot het communicatiekanaal, terwijl tegelijkertijd de mogelijkheid behouden blijft om onderscheidende detectieprestaties te hebben.

Auteurs: Alessio Filippi, Francesco Laghezza, Feike Jansen, Jeroen Overdevest en Dilge Terbas