The Emergence of Reconfigurable Intelligent Surfaces in 6G

ونظراً لأن صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية تتحرك إلى ما بعد ٥ زاي، فإن الرؤية المتعلقة بالتواصل اللاسلكي الذي يبلغ ٦ جي تتشكل مع أهداف طموحة للأداء: ترددات تيراهرتز، والتأخرات في الثانية، واتصالات عشرات الملايين من الأجهزة لكل كيلومتر مربع، فإن تحقيق هذه الأهداف يتطلب نماذج جديدة أساسية للمعدات، وأحد أكثر المرشحين واعدة للخروج من حدود البحث هو:

والمبدأ الأساسي لمؤسسة " RIS " بسيط بشكل واضح: مجموعة من العناصر السلبية المنخفضة التكلفة التي يمكن أن تُخصم ممتلكاتها الارتجالية إلكترونيا، ومن خلال تعديل التحول التدريجي وضخامة موجات الحوادث في كل عنصر، يمكن أن يُظهر السطح إشارات إلى أجهزة استقبال مقصودة، أو يلغي التدخل، أو حتى يخلق مسارات جديدة للنشر، وقد تؤدي هذه القدرة على إعادة تشكيل قناة الوصل اللاسلكية إلى تحويل بيئة العقبة القائمة على البرمجيات إلى قاعدة عشوائية.

For context, 5G massive MIMO relies on hundreds of active antenna elements and power-hungry radio frequency chains to shape beams. In contrast, RIS arrays can consist of thousands of nearly passive elements, consuming only microwats per unit for control electronics. This dramatic reduction in power and cost makes RIS attractive for dense urban deployments, windows, and street fabrict

كيف يمكن أن تكون مثقلة بالأوجه الذكية تعمل

وعلى المستوى المادي، فإن " معهد الدراسات البيئية " هو سطح ثنائي الأبعاد يتألف من خلايا وحدة تحت الماء، وكثيرا ما يسمى " الطماطم " ، وكل خلية تحتوي على حمى موصل أو حمى من طراز PIN أو أي عنصر آخر غير قابل للتكتم يمكن أن يغير مرحلة موجة الكهرومغناطيسية الواردة بكمية مفككة - عادة ما بين صفر و 360 درجة.

وعندما تصل إشارة الحادث من محطة قاعدية إلى مركز بحوث البيئة، فإنها تتفاعل مع جميع الخلايا في وقت واحد، وبتصميم نمط المرحلة على السطح بدقة، يمكن توجيه الموجة المنعكسة في اتجاه مختار - تماماً كجهاز معالج مائي متطور، ولكن بدون أي تضخيم نشط، وتوصف هذه القدرة الرياضية بقانون الطاحونة التفضيلية العامة، الذي يتصل أحياناً بنقطة الانعكاس البديلة.

ويتبع نظام " GRIS " أسلوبين تشغيليين رئيسيين: يعكسان أسلوباً وطريقة نقلاً، ويوضع نظام " RIS " على حائط أو سقف، ويعاد توجيه إشارات الحوادث، ويستخدم في بعض الأحيان أسلوباً متبادلاً (يسمى " سطحاً متطوراً " أو " IRS " )، ويوضع السطح على نافذة أو مواد شفافة، ويسمح بمرور بعض الطاقة أثناء إعادة تشكيلها.

العناصر الرئيسية لنظام RIS

  • Tunable meta-atoms:] Low-loss substrate materials (e.g., Rogers or FR4) with embedded PIN or varactor diodes for phase shifting.
  • Controller board:] A microcontroller or FPGA that applies voltage patterns to the meta-atoms based on external commands.
  • Backhaul/control link:] A low-rate wired or wireless connection to the network’s decision ' s decision driven (often co-located with a base station).
  • Power supply:] Minimal - a single RIS panel may draw only a few wats total for control electronics, and some designs are exploring energy harvesting from ambient RF.
  • Optimization software:] Algorithms for real-time beamforming, interference nulling, and channel estimation adapted to the passive nature of the surface.

فوائد نظام " باريس " لشبكة 6G

وتتجاوز مزايا إدماج نظام " RIS " في هيكلي 6G زيادة الإشارات البسيطة، وهي تؤثر على مؤشرات القدرة الأساسية على التنفيذ التي تحدد الجيل التالي: التغطية، ومعدل البيانات، والتساهل، وكفاءة الطاقة، والأمن، وناظرة بالتفصيل كل من الفوائد.

تمديد التغطية والاعتماد عليها

One of the largest hurdles for 6G is operating at frequencies above 100 GHz, where path loss can exceed 100 dB over a few hundred meters. RIS can create virtual line-of-sight paths around obstructions, reducing the likelihood of deep fades. In a typical urban canyon scenario, a single RIST panel can cover an additional 200-300 square meters of “shadowed” Field trials.

القدرة على التواصل مع الناس

6G anticipates up to 10 million devices per square kilometer, many of which are low-power sensors. RIS can help by concentrating radiated energy toward specific tool clusters, reducing the overall transmit power required from base stations. This is especially critical for battery-less IoT devices that rely on backscatter communication. An RIS can be tuned to periodically sweep through a spatial grid, activive actntiive

المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة في استخدام الطاقة

ومقارنة بكبيرة من هذه المنظمة، حيث يتطلب كل عنصر من عناصر الهوائيات مضخمة للطاقة، وقابلا للاختزال، وشركة ADC، فإن عنصر " RIS " هو أساسا انعكاس سلبي، وأن استهلاك الطاقة الوحيد في الكترونيات الرقابية وشبكة التحيز، وتشير التقديرات إلى أن الاستعاضة عن وحدة إذاعة متعددة الأطراف من طراز MIMO تبلغ من العمر 64 طنا، مع مزيج من مجموعة أقل نشاطا، وأن فريقا من أهداف القدرة على تحمل الطاقة يمكن أن يؤدي إلى تحقيق الاستدامة هو 40 في المائة في المائة في المائة في المائة في الموقع.

أمن الملاوير المادي

ونظراً لأن معهد بحوث الطاقة يمكن أن يتحكم في اتجاه الموجة المعبر عنها، فإنه يمكن أن يخفض عمداً نوعية الإشارة بالنسبة للأجهزة اللاسلكية عن طريق توجيه لاغيات أو إدخال ضوضاء اصطناعية، وهذه القدرة " التشويش التعاوني " تضيف بعداً جديداً للأمن دون زيادة النفقات العامة الحاسوبية، وقد أظهرت البحوث التي أجريت من جمعية الاتصالات IEE أن معدلات الإرسالات الآمنة ذات الأشعة تزيد تدريجياً عن 50 في المائة.

مقارنة مع التكنولوجيات القائمة

(أ) فهم المكان الذي يناسب فيه معهد بحوث البيئة في مجموعة الأدوات 6G يتطلب مقارنته بالحلول القائمة:

Technology Active Elements Power per Element Cost Flexibility
Relay (e.g., IAB node) Active (full chain) ~100 W High (dedicated HW) Medium
Massive MIMO (5G) Active (64-256) ~50-100 W total High High
Repeater (analog) Passive/active mix ~10-30 W Low Low (fixed gain)
RIS (proposed) Passive (tunable only) ~0.1-1 W per panel Very low (could be $10-100 per m²) High (programmable)

وفي حين أن عمليات النقل تتطلب عناصر نشطة مكلفة وموارد طيفية لإعادة التأهيل، يمكن نشر نظام " RIS " مع إجراء تغييرات طفيفة في الهياكل الأساسية، ولا تزال البعثة المكثفة تفوق عملية تصويب أجهزة المستخدم، ولكن يمكن أن تكمله " RIS " بتعدد مسارات البيانات الإضافية من الناحية المكانية في بيئات الفرز الغنية، كما أن الجمع بين الصفوف النشطة في محطات القاعدة و " معهد البحوث السلبية " في المواقع المتوسطة " هو مرشح رئيسي لشبكة الاتصال اللاسلكية في المواقع المتوسطة " .

تطبيقات نظام " RIS " في 6G Scenarios

وفيما عدا التغطية العامة، يتيح معهد بحوث البيئة استخدام حالات محددة تكون أساسية بالنسبة لرؤية " البيئة الإذاعية الذكية " التي وضعها ٦ جي:

Smart Factories and Industry 4.0

- البيئات الصناعية مشهورة بالتدخل المتعدد التعاطف من الآلات الفلزية والآليات المتحركة. ويمكن تشكيل أفرقة البحث والتطوير المهيأة على السقف أو الجدران بصورة دينامية لتركيز الإشارات على آلات محددة أثناء نوبات الإنتاج، ثم إعادة تشكيلها لمخططات مختلفة، وهذا يدعم وجود خطوط اتصال منخفضة جداً يمكن الاعتماد عليها (URLLLC) مطلوبة لثبات التحكم في سلامة حرجة.

البيئات الداخلية للكائنات (المدارس، المطارات)

وفي الأماكن التي بها كثافة عالية من المستعملين، تعاني الخلايا الصغيرة التقليدية من التدخل والاختناقات في المؤخرة، ويمكن أن تخدم مؤسسة واحدة مئات المستخدمين بواسطة شعاعات بقعة توجيه إلكترونية في التعاقب السريع، وتعمل بفعالية كصفيفة تدريجية سلبية منخفضة التكلفة، وهذا يزيل حركة المرور من الشبكة النشطة، مما يقلل العدد المطلوب من الوحدات الإذاعية المكلفة.

الاتصالات الفيديوية و V2X

ويمكن أن تعكس وحدات نظم المعلومات البيئية على جانب الطريق إشارات حول زوايا أو فوق التلال للحفاظ على الربط بين المركبات المستقلة، ولأن السطح يمكن أن يُدمج في علامات الطرق أو أضواء المرور، فإنه يوفر وسيلة فعالة من حيث التكلفة لسد الثغرات في التغطية دون تركيب مسارات على الطرق، وتعتمد رؤية " التنقل الذكي المترابط " على هذه الهياكل الأساسية لضمان استمرار وجود روابط منخفضة من أجل تصور التعاونيات وتجنب الاصطدام.

الشبكات الساتلية وغير الفضائية

ويمكن أيضاً وضع نظام " RIS " على أسوار الطائرات بدون طيار أو سواتل ذات المدار المنخفض لتشكيل حزام الهوائي بدون توجيه آلي، حيث أن الطبيعة الخفيفة والصغيرة القوة لمؤسسة " RIS " تجعله مثالياً للمنصات المحمولة جواً حيث كل غرام ووات، ومبادرات بحثية مثل مشروع الاتحاد الأوروبي PathFinder [FLT:] استكشاف الفضاء.

التحديات المتمثلة في اعتماد المسار الرئيسي

وعلى الرغم من الإثارة، يجب التغلب على عدة عقبات قبل أن يصبح معهد بحوث البيئة سلعة في شبكات مجموعة الـ 6:

تصميم البرامجيات الصلبة وقابليتها للتكرار

وتكرار الطماطم التي تعمل عبر نطاقات الترددات المتعددة (دون 6 غيغاهيرتز، وهايف، وثالث) دون خسائر مفرطة، مشكلة هندسية مفتوحة، وتستعمل النماذج الأولية الحالية مواد باهظة التكلفة أو توابيت بلورات سائلة غير قابلة للتكديس بعد، وعلاوة على ذلك، فإن الانقلاب بين العناصر في صفائف كبيرة (نحو 000 1 عنصر) يخلق آثاراً طفائية متطورة.

التفعيل الفعلي

أما المشكلة المجمدة المتمثلة في اختيار المراحل لآلاف العناصر في الوقت نفسه مع تنقل المستخدمين فهي مشكلة تتمثل في تقلص حجم الناتج القومي، وفي حين أن التعلم العميق والأساليب القائمة على النموذج قد أظهرت وعدا، فإنها لا تزال تواجه تأخيرات في التقارب في عدة ثوان - بطيئة جدا في القنوات الدينامية للغاية، ويجري التحقيق في النُهج الهجينة التي تفرق إلى أقصى حد بين جهاز المراقبة المركزي (المستجدات المنخفضة) والتعديلات السريعة المحلية (استخدام بالجدولين المبسطين).

التكامل مع الشبكات القائمة

ويطرح نظام تجريبي في شبكة حية من شبكة 5G تحديات في مجال تسليم الموظفين وتنسيق التدخل والمراقبة، ولم تحدد هيئات توحيد المعايير التابعة للفريق 3 إجراءات العمليات التي تتلقى مساعدة من المؤسسة، وما زالت إمكانية التشغيل المتبادل بين البائعين بين البائعين محدودة، مما يتطلب مشاركة كبار بائعي البنية التحتية ومشغليها الذين يقومون حاليا بإجراء محاكمات خاصة بهم.

التقدير القناة

ونظرا لأن عناصر المؤسسة لا تملك سلاسل فعالة لنموذج الإبلاغ الموحد، فإنها لا تستطيع أن تشعر مباشرة بالقناة، فتقدير قناة القاعدة المتعاقبة - محطة " باريس " يتطلب تصميمات تجريبية خاصة وخرفقيات متكررة، وهذا الرؤوس العامة تنمو بشكل متواز مع عدد عناصر " باريس " ، مما يؤدي إلى تداول بين مكاسب الأداء وتعقيد التقدير، كما أن تقنيات الاستشعار المكثفة باستخدام أجهزة الموجة المطوية المطوية المخففة.

البحوث المتعلقة بالتقدم المحرز والمحاكمات الميدانية

وقد شهدت السنوات الثلاث الأخيرة انفجاراً في أنشطة المؤسسات الأكاديمية والصناعية، وقد أطلقت المؤسسة مبادرة تكنولوجية متطورة مكرسة RIS Emerging Technology Initiative] لتنسيق التوحيد.

  • Kyoto University] (2022): A 256-element RIS operating at 28 GHz achieved a 15 dB SNR improvement over a non-line-of-sight link in an outdoor-to-indoor scenario.
  • Nokia Bell Labs] (2023): Field trial in Stutgart, Germany, using a 1 x1 m RIS panel to cover a 200-meter extension of roadway, reducing handover failures by 40% for high-speed vehicles.
  • China Mobile (2024): Commercial pilot in Shenzhen with RIS integrated into building glass, demonstrating 20% capacity increase for indoor users without additional base stations.
  • TU Darmstadt] (2024): Hybrid metalens RIS التي يمكن أن تتغير بين أنماط التركيز والنشر لتعزيز الإشارات وأمن الطبقات المادية.

وتؤكد هذه النتائج أن معهد بحوث البيئة ليس فضول نظري وإنما هو تكنولوجيا للزراعة على طريق نحو التسويق، والنقطة الرئيسية التالية هي إنتاج واسع النطاق من البطاطا ذات التكلفة المنخفضة باستخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو الإلكترونيات المرنة، مما يمكن أن يخفض تكلفة الفرن إلى أقل من 50 دولاراً لاستخدامها في الأعمال التجارية السكنية أو الصغيرة.

المستقبل: معهد بحوث البيئة والبيئة الذكية

ومن المرجح أن يتطور نظام " RIS " في المستقبل من لوحات سطحية مستقلة إلى جلدات إذاعية ذكية تماما وقائمة على الثقة الذاتية تغطى المباني والمركبات بل وحتى الملابس البشرية، ويتوخى مفهوم " البيئة الإذاعية الذكية " أن يصبح كل جسم في البيئة عنصرا مؤثرا أو متجددا، يرتكز على نظام تشغيلي للشبكة، مما سيمكن من التحكم في المشهد الكهرومغناطيسي، الذي يسمح بالشبكة،

ومن الاتجاهات الناشئة الأخرى [(FLT:0]) الناشطة في مجال نظم المعلومات () (حيث يشمل كل عنصر زيادة طفيفة في عدد المكسب الإضافي)، النقل السلكي المتزامن مع التركيز على " RIS " (STAR-RIS) الذي يمكن أن يخدم المستخدمين على جانبي عنصري النقل البري، و

كما أن الأمن والخصوصية لا يزالان في مناطق نشطة، ويمكن تسليح معهد بحوث البيئة من أجل شن هجمات " مكثفة " تركز على الإشعاع لتجاوز جهاز ما، أو لإنشاء قنوات سرية، ويقوم الباحثون بالفعل بتطوير تقنيات للتحقق من مكافحة التخريب والنـزاهة لضمان أن تكون عمليات نشر نظم المعلومات ذات مصداقية وممتثلة لحدود التعرض التنظيمية.

خاتمة

إن أجسام الكائنات الذكية القابلة للثقة تمثل تحولا في النموذج الذي نصممه للشبكات اللاسلكية: فبدلا من التغلب على بيئة النشر، نكيفه، أما الفوائد التي يحققها 6 ج - التغطية الموسعة، وزيادة كفاءة الطاقة، وتعزيز الأمن، والوصلات المتصاعدة على نطاق واسع - فهي تتوافق تماما مع أهداف الجيل القادم، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة في المعدات، والتوحيد الأمثل، فإن سرعة بدء التطبيقات التقليدية ستتمثل في المستقبل.

وبالنسبة لمشغلي الشبكات، والبائعين، والباحثين، فإن الرسالة واضحة: فالاستثمار الآن في خوارزميات نظم الطاقة، وهياكل التحكم، وعمليات التصنيع سيكون أمرا بالغ الأهمية لاستغلال فرص الـ 6 ج. وقد تكون الرحلة من مختبرات سطح الميثان إلى النشر العالمي معقدة، ولكن المكافآت المحتملة - عالم لاسلكي لا توجد فيه مناطق ميتة، وفواتير أقل للطاقة، وبيئات لاسلكية أذكى - كبيرة جدا في تجاهلها.