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

Современное сельское хозяйство все больше полагается на данные для эффективного управления агроландшафтами и мониторинга состояния полей. Для создания цифровых двойников почв и отслеживания параметров в реальном времени требуется множество датчиков, которые должны постоянно передавать информацию. Однако увеличение числа таких устройств приводит к повышенной нагрузке на сети связи и увеличению затрат на энергию.

На сегодняшний день около 75% населения мира имеют доступ к интернету, и с каждым годом число подключенных устройств, таких как умные дома, медицинские аппараты, системы экологического мониторинга и промышленные сенсоры, продолжает расти. Это массовое распространение создает новые вызовы, включая ограниченный срок службы батарей и растущую нагрузку на каналы связи.

Чтобы решить эти проблемы, ученые Южного федерального университета исследуют технологии обратного рассеяния сигнала и множественного доступа. Эти подходы считаются основополагающими для будущих сетей 5G и 6G. Особенно актуальны они для интернета вещей (IoT) — сети взаимосвязанных устройств и датчиков, которые автоматически собирают и передают данные через интернет. К IoT относятся такие устройства, как умные часы, системы мониторинга здоровья, датчики в сельском хозяйстве, элементы инфраструктуры «умного города» и современные промышленные сенсоры. Разработанные технологии могут значительно улучшить работу этих систем, обеспечивая низкое энергопотребление и стабильную связь.

Для агротехнологий такие решения имеют особое значение. Сельское хозяйство активно использует сети датчиков, беспилотные летательные аппараты и системы мониторинга для контроля состояния почв, растений и сельскохозяйственных угодий в реальном времени. Эти данные являются основой для создания цифровых двойников почв — одной из перспективных областей исследований в ЮФУ.

Тем не менее, работа множества датчиков на обширных территориях требует надежной связи и минимального энергопотребления. Регулярная замена батарей на удаленных объектах значительно увеличивает эксплуатационные расходы, а рост числа подключенных устройств создает дополнительные нагрузки на сеть.

В своей научной работе исследователи провели сравнительный анализ двух технологий организации связи: традиционной OMA и более современной NOMA, а также изучили их взаимодействие с технологией обратного рассеяния сигнала BackCom. Эта технология позволяет устройствам передавать данные с минимальным расходом энергии, используя и отражая существующие радиоволны. В отличие от OMA, которая выделяет каждому устройству отдельный временной или частотный ресурс, NOMA позволяет нескольким пользователям использовать один и тот же канал, что дает возможность передавать информацию практически без потребления энергии.

Исследование показало, что сочетание BackCom и NOMA обеспечивает более высокую спектральную эффективность и увеличивает общую пропускную способность сети, даже в условиях помех, ошибок в оценке канала и потерь сигнала. Профессор Судип Танвар, приглашенный профессор ЮФУ и руководитель мегагранта по разработке методологии создания цифрового двойника почвы, отметил: «Интеграция BackCom с NOMA отвечает будущим требованиям коммуникаций для интеллектуальных, масштабируемых и энергоэффективных беспроводных экосистем. Это особенно актуально для создания цифрового двойника почвы, где необходимо постоянно получать данные от множества датчиков, распределенных по территории».

На текущем этапе работы исследование основано на компьютерном моделировании. В дальнейшем планируется создание тестовых стендов для технологии BackCom-NOMA и ее испытание в реальных условиях. Также ученые намерены развивать это направление в сочетании с технологиями искусственного интеллекта и интеллектуальными отражающими поверхностями (RIS), которые рассматриваются как важные элементы экосистемы 6G. Такие инновации могут быть применены в телекоммуникациях, системах экологического мониторинга, промышленной автоматизации и цифровом сельском хозяйстве.

Южный федеральный университет активно участвует в программе стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети») и сосредоточен на решении задач научно-технологического развития страны. В рамках этой работы университет создает производственно-технологические цепочки полного цикла для решения «больших вызовов». Одним из ключевых направлений является стратегический технологический проект «Технологии биоинженерии почв», над которым трудится команда Академии биологии и медицины им. Д.И. Ивановского ЮФУ. Кроме того, на основе многолетних исследований ученые академии разработали новую национальную инициативу — «Создание устойчивых почв для будущих поколений России». Эта инициатива предполагает переход от традиционного восстановления деградированных земель к созданию почвенных систем с заданными свойствами, адаптированных под конкретные климатические условия и сельскохозяйственные задачи. Результаты практических экспериментов по созданию почвы с нуля уже реализуются исследователями ЮФУ в Ростовской области.