Integrated Sensing and Communication (ISAC): wanneer het 6G-netwerk leert waarnemen

Wat als het mobiele netwerk dat uw data verzendt tegelijkertijd de wereld om u heen kan waarnemen? Integrated Sensing and Communication, afgekort ISAC, maakt precies dit mogelijk. Deze baanbrekende technologie combineert draadloze datacommunicatie met radarachtige sensing in een enkel geïntegreerd systeem. Voor 6G wordt ISAC beschouwd als een van de meest transformatieve innovaties, die het mobiele netwerk uitbreidt van een zuiver communicatieplatform naar een allesomvattend waarnemings- en communicatiesysteem.

Wat is ISAC?

Integrated Sensing and Communication is een technologisch concept waarbij dezelfde draadloze signalen, hardware en infrastructuur gelijktijdig worden ingezet voor twee fundamenteel verschillende doeleinden: het verzenden en ontvangen van data (communicatie) en het waarnemen van de fysieke omgeving (sensing). In essentie krijgt het communicatienetwerk een zintuig.

Traditioneel zijn communicatie en sensing gescheiden domeinen. Mobiele netwerken zijn ontworpen om data te transporteren, terwijl radarsystemen specifiek zijn gebouwd om objecten te detecteren, locaties te bepalen en bewegingen te volgen. Elk systeem heeft zijn eigen hardware, frequentiebanden en infrastructuur. ISAC doorbreekt deze scheiding door beide functies te integreren in een enkel systeem dat efficienter, goedkoper en capabeler is dan twee afzonderlijke systemen.

Het concept is niet geheel nieuw. Al in militaire toepassingen wordt geexperimenteerd met gecombineerde radar-communicatiesystemen. Maar de toepassing op commerciele schaal, als integraal onderdeel van het publieke mobiele netwerk, is een fundamenteel nieuwe stap die pas met de komst van 6G-technologie realistisch wordt dankzij de beschikbaarheid van hogere frequenties en geavanceerde signaalverwerking.

Dual-function radar en communicatie

Het hart van ISAC is het dual-function concept: een enkel signaal dat tegelijkertijd data transporteert en de omgeving scant. Dit werkt op basis van een fundamentele eigenschap van radiosignalen: wanneer een uitgezonden signaal een object raakt, wordt een deel van de energie teruggekaatst. Door deze reflecties te analyseren kan het systeem informatie afleiden over de positie, snelheid, grootte en bewegingsrichting van objecten in de omgeving.

In een ISAC-systeem zendt het basisstation een signaal uit dat is ontworpen om zowel datacommunicatie als sensing optimaal te ondersteunen. De ontvanger decodeert de communicatiedata uit het signaal, terwijl het basisstation tegelijkertijd de reflecties van datzelfde signaal analyseert om een beeld te vormen van de omgeving. Het basisstation fungeert daarmee gelijktijdig als communicatieknooppunt en als radarsensor.

De prestaties van het sensing-aspect zijn direct afhankelijk van de gebruikte frequentie en bandbreedte. Hogere frequenties bieden een betere ruimtelijke resolutie, en bredere bandbreedtes verbeteren de afstandsresolutie. Dit is precies de reden waarom ISAC en 6G zo goed bij elkaar passen: de terahertz-frequenties en brede bandbreedtes die 6G kenmerken, zijn ideaal voor hoogwaardige sensing.

Hoe werkt ISAC technisch?

Gedeelde golfvormen

Een van de kernuitdagingen van ISAC is het ontwerp van golfvormen die zowel voor communicatie als voor sensing geschikt zijn. Communicatiesignalen zijn geoptimaliseerd voor het betrouwbaar transporteren van data, terwijl radarsignalen zijn ontworpen voor maximale detectiegevoeligheid. ISAC vereist golfvormen die een balans vinden tussen beide eisen.

Onderzoekers hebben verschillende benaderingen ontwikkeld. Bij de communicatiegerichte aanpak worden standaard communicatiesignalen (zoals OFDM, dat ook in 4G en 5G wordt gebruikt) benut voor sensing door de reflecties van deze signalen te analyseren. Bij de sensinggerichte aanpak worden radargolfvormen aangepast om ook communicatiedata te dragen. De meest veelbelovende richting is het ontwerp van volledig nieuwe, geïntegreerde golfvormen die vanaf de grond zijn ontworpen om beide functies optimaal te ondersteunen.

Geavanceerde signaalverwerking

De signaalverwerking in een ISAC-systeem is aanzienlijk complexer dan in een zuiver communicatie- of radarsysteem. Het systeem moet gelijktijdig communicatiedata extraheren uit ontvangen signalen en sensing-informatie afleiden uit reflecties. Dit vereist geavanceerde algoritmen die beide taken parallel uitvoeren zonder dat ze elkaar verstoren.

Moderne ISAC-systemen maken intensief gebruik van machine learning voor signaalverwerking. AI-algoritmen zijn bijzonder effectief in het scheiden van communicatie- en sensing-componenten in complexe signaalmixen, het filteren van ruis en interferentie, en het interpreteren van sensing-data om een betekenisvol beeld van de omgeving te vormen. De nauwe verbinding met AI-native netwerkarchitecturen maakt deze geavanceerde verwerking mogelijk op de schaal die nodig is voor een landelijk 6G-netwerk.

Voordelen ten opzichte van aparte systemen

De integratie van sensing en communicatie biedt substantiele voordelen boven het naast elkaar laten bestaan van afzonderlijke systemen. Het meest directe voordeel is spectrale efficientie: in plaats van apart spectrum toe te wijzen voor communicatie en radar, wordt hetzelfde spectrum voor beide gebruikt. Gegeven de toenemende schaarste van bruikbaar spectrum is dit een significant voordeel.

Daarnaast worden hardware en infrastructuur gedeeld. Basisstations die al overal geplaatst zijn voor mobiele communicatie hoeven slechts software-updates en beperkte hardware-aanpassingen te ontvangen om ook als sensoren te functioneren. Dit bespaart de enorme kosten van het aanleggen van een apart sensornetwerk met vergelijkbare dekking.

De synergie tussen communicatie en sensing levert ook functionele voordelen op. Sensing-data kan de communicatie verbeteren: als het netwerk weet waar gebruikers zich bevinden en hoe ze bewegen, kan het de bundelvorming proactief aanpassen. Omgekeerd verbetert de communicatiecapaciteit de sensing: gedetecteerde objectinformatie kan in realtime worden gedeeld met andere netwerkknooppunten voor een completer omgevingsbeeld.

ISAC en autonome voertuigen

Een van de meest aansprekende toepassingsgebieden van ISAC is de ondersteuning van autonome voertuigen. Zelfrijdende auto's zijn vandaag de dag afhankelijk van ingebouwde sensoren zoals camera's, lidar en radar. Deze sensoren hebben inherente beperkingen: hun bereik is beperkt, ze kunnen niet om hoeken kijken en ze functioneren minder goed onder slechte weersomstandigheden.

Een ISAC-uitgerust 6G-netwerk kan als aanvullend sensorsysteem dienen dat deze beperkingen compenseert. Het netwerk detecteert voertuigen, fietsers en voetgangers in het gehele dekkingsgebied en deelt deze informatie in realtime met autonome voertuigen. Een auto die een kruispunt nadert, ontvangt via het netwerk informatie over verkeer dat vanuit een zijstraat komt en nog niet zichtbaar is voor de eigen sensoren.

Dit concept, ook wel "network-assisted perception" genoemd, voegt een extra veiligheidslaag toe aan autonoom rijden. Het netwerk fungeert als een alziend oog dat informatie verzamelt vanuit duizenden vaste en mobiele punten en deze samenvoegt tot een coherent verkeersbeeld. De lage latency van 6G garandeert dat deze informatie op tijd beschikbaar is voor kritieke beslissingen. De bredere impact van 6G op mobiliteit wordt besproken op onze pagina over 6G-toepassingen.

Gebarenherkenning en interactie

ISAC maakt een geheel nieuwe vorm van menselijke interactie met digitale systemen mogelijk: contactloze gebarenherkenning via het mobiele netwerk. De hoge frequenties en brede bandbreedtes van 6G bieden voldoende resolutie om subtiele handbewegingen en gebaren te detecteren en te interpreteren.

In de praktijk betekent dit dat gebruikers apparaten kunnen bedienen met gebaren zonder touchscreens, knoppen of spraakcommando's. Een handbeweging in de lucht kan een licht aanzetten, een presentatie besturen of een muziekvolume aanpassen. In tegenstelling tot cameragebaseerde systemen werkt ISAC-gebarenherkenning ook in het donker en kent het geen visuele privacyinbreuk.

De zorgcontext biedt bijzonder waardevolle toepassingen. ISAC kan valdetectie uitvoeren bij ouderen zonder dat camera's of wearables nodig zijn. Het netwerk detecteert ongewone bewegingspatronen, zoals een plotselinge val gevolgd door langdurige immobiliteit, en stuurt automatisch een alarm. Ook ademhaling en slaappatronen kunnen contactloos worden gemonitord voor gezondheidsbewaking.

Milieumonitoring en slimme steden

Op stadsschaal biedt ISAC ongekende mogelijkheden voor milieumonitoring en stedelijk beheer. Het 6G-netwerk kan continu de stedelijke omgeving scannen en data verzamelen over verkeersstromen, luchtverontreiniging, weersomstandigheden en structurele integriteit van infrastructuur.

Verkeersbeheer is een voor de hand liggende toepassing. ISAC-uitgeruste basisstations detecteren in realtime het aantal voertuigen, hun snelheden en rijrichtingen op wegen en kruispunten. Deze data kan worden gebruikt om verkeerslichten dynamisch aan te sturen, files te voorspellen en omrijroutes te activeren. In tegenstelling tot huidige systemen op basis van lussen in het wegdek of camera's biedt ISAC een dekkend, gedetailleerd verkeersbeeld zonder aanvullende sensor-infrastructuur.

Milieudetectie gaat verder dan verkeer. ISAC-signalen zijn gevoelig voor veranderingen in de atmosferische samenstelling. Door reflectiepatronen te analyseren kan het netwerk informatie afleiden over neerslag, luchtvochtigheid en zelfs de aanwezigheid van bepaalde gassen. Dit transformeert het 6G-netwerk tot een grootschalig milieumeetnetwerk dat continu en in realtime data verzamelt over de stedelijke leefomgeving.

Onderzoek en standaardisatie

ISAC geniet wereldwijd grote aandacht van zowel de academische gemeenschap als de industrie. De IEEE, het grootste internationale ingenieursinstituut, heeft ISAC benoemd als een van de kerntechnologieën voor toekomstige draadloze systemen. Binnen 3GPP is sensing opgenomen als studiethema, wat de weg bereidt voor formele standaardisatie.

Grote telecomfabrikanten investeren aanzienlijk in ISAC-onderzoek. Huawei heeft geïntegreerde sensing-communicatie gedemonstreerd op sub-6 GHz frequenties. Nokia en Ericsson werken aan millimetergolf-ISAC-systemen met hogere resolutie. Academische instellingen wereldwijd publiceren duizenden artikelen per jaar over ISAC-gerelateerde onderwerpen, van golfvormontwerp tot AI-gestuurde sensing-algoritmen.

In Europa loopt het ISAC-onderzoek via het Horizon Europe-programma en nationale onderzoeksinitiatieven. Nederlandse kennisinstellingen waaronder TU Delft, TU Eindhoven en TNO participeren in meerdere Europese projecten die ISAC-prototypes ontwikkelen en testen in reële omgevingen. De samenwerking tussen telecombedrijven en de automotive sector is daarbij bijzonder relevant, gegeven de rol van ISAC in toekomstige mobiliteitssystemen.

ISAC als pijler van 6G

In het 6G-tijdperk evolueert ISAC van een aanvullende functionaliteit naar een kernpijler van het netwerk. De visie is een netwerk dat niet alleen communiceert maar ook waarneemt, begrijpt en reageert op de fysieke wereld. Dit concept wordt soms aangeduid als het "networked sensing paradigm": het gehele mobiele netwerk als een gedistribueerd sensorsysteem.

De convergentie van ISAC met andere 6G-technologieën versterkt de mogelijkheden aanzienlijk. Terahertz-frequenties bieden de resolutie die nodig is voor millimeterprecieze sensing. AI-native netwerkarchitecturen leveren de verwerkingskracht om de enorme hoeveelheden sensing-data in realtime te interpreteren. RIS-panelen kunnen worden ingezet om sensing-signalen gericht te sturen en zo de dekking en nauwkeurigheid van het sensorsysteem te verbeteren.

De maatschappelijke impact van breed inzetbare ISAC-technologie is potentieel enorm. Van veiligere wegen door network-assisted autonoom rijden tot preventieve gezondheidszorg door contactloze monitoring, van efficiëntere steden door realtime omgevingswaarneming tot nieuwe vormen van menselijke interactie met technologie. ISAC transformeert het 6G-netwerk van een datasnelweg naar een intelligente infrastructuur die de fysieke en digitale wereld verbindt. Ontdek hoe ISAC samenwerkt met alle andere doorbraaktechnologieën op onze 6G-technologie overzichtspagina.

Veelgestelde vragen over ISAC