مقدمة: خط الطول التالي في الاتصالات اللاسلكية

فالطلب المتكرر على ارتفاع معدلات البيانات، وانخفاض درجة الحرارة، والربط بين البيوت، يدفع حدود النظم اللاسلكية التقليدية، بينما يؤدي تعدد النواتج وقابلية الاختراق في إطار نظام المعلومات الإدارية المتكامل إلى زيادة عدد العناصر الحيوية في شبكات الـ 5 جي الحديثة، فإن أداءها يقيده بشدة البيئة المادية.

ما هي السطحات الذكية المثق بها؟

وفي صميمها، تشكل الكائنات الحية المثقفة صفائف من ثنائي الأبعاد من خلايا الوحدة الفرعية - التي كثيرا ما تسمى " البطاطا " - والتي يمكن التحكم فيها بصورة فردية لتعديل الامتداد أو المرحلة أو استقطاب الموجات الكهرومغناطيسية للحوادث، وخلافا للتأخرات التقليدية التي تتطلب سلاسل منخفضة الترددات اللاسلكية، ومجهزات تحويل الطاقة إلى حد أدنى.

ويمكن إعادة التشكيل من خلال عناصر تربوية مثل أجهزة الاستديو أو المعالجات أو النظم الميكانيكية الدقيقة التي تجسد في كل خلية من وحداتها، ومن خلال تغيير التحيز أو التيار المطبق على هذه المكونات، يمكن للسطح أن يتحول بين مختلف الدول المعترضة، مما يغير التحول التدريجي المؤدي إلى الموجة المعبرة.

ومن المهم التمييز بين معهد بحوث الطاقة والتكنولوجيا والتكنولوجيات الأخرى مثل الموجات الذكية والصور المتحركة، وفي حين أن الأشعة المائلة عادة ما تكون لها صورة ثابتة من حيث اتجاه معين، فإن مؤسسة الطاقة يمكن أن تغير من مكانها في الوقت الحقيقي، وأن تتكيف مع تغيرات القنوات، وثمة مفهوم آخر يتصل بذلك هو التدفق الكبير للعلامات، الذي كثيرا ما ينطوي على معالجة فعالة للإشارة، على عكس ذلك، هي في الغالب مفهوم سلبي.

How RIS Enhance Antenna Array Capabilities

أما صفائف الهوائيين - سواء كانت في محطة قاعدية أو محطة طرفية للمستعملين - فهي مصممة لتكوين الشعاعات، وتوجيه تلك الحزمة، وتحقيق مكاسب مكانية متعددة الأوجه، غير أن أدائها يعتمد اعتمادا كبيرا على ظروف خط البصر وثراء بيئة الارتطام.

حدود خط البصر

وعندما تحجب العقبة الطريق المباشر بين صفيفة هوائيات محطة قاعدية وجهاز مستخدم، تعاني الصفوف التقليدية من فقدان شديد للمسارات ومن تدهور درجات الحرية المكانية، ويمكن أن ينشئ معهد بحوث البيئة في موقع استراتيجي وصلة افتراضية للأماكن المغلقة عن طريق إبراز الإشارة حول الانسداد، ومن خلال برمجة السطح لإيجاد انعكاس قوي ومتماسك نحو جهاز الاستقبال المقصود، تصبح القناة الفعالة جيدة بقدر ما تؤدي إلى وجود مناطق مائية في المستودعات الحضرية المباشرة المكبوتة.

Beamforming and Beam Steering without Active RF Chains

وتعتمد صفائف الهوائي التقليدية على المتحولين في المرحلة ومضخات المكسب المتغير على مزامير القاذورات، ويقتصر عدد الحزمة التي يمكن التحكم فيها على عدد سلاسل الترددات، ويمكن أن ينظر إلى نظام " RIS " على أنه مجموعة واسعة من المحركات المتحركة التي تعمل في مجال التأمل، ومن خلال تعديل مرحلة المئات أو الآلاف من المطاطس، يمكن برمجة نموذج " RISam " بحيث تعكس موجة " .

زيادة عدد الفحوصات المكانية

وفي نظام تقليدي تابع للمنظمة البحرية الدولية، يحد عدد المجارير المكانية المستقلة من عدد النقل إلى الغلاف الجوي وتلقيه، وكذلك من حيث رتبة مصفوفة القناة، ويمكن أن يزيد نظام " RIS " بصورة مصطنعة من مستوى القناة بإدخال مسارات جديدة للنشر، ويمكن لكل عنصر من عناصر " RIS " أن يعمل كعامل ضار يمكن التحكم فيه، ويضاعف فعليا عدد عناصر محطة التكاثر التي يمكن حلها.

كفاءة الطاقة والحد من الطاقة

ومن أكثر المزايا إلحاحا في إدماج نظام " باريس " في صفائف الهوائيات احتمال تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة، فالعمل التقليدي يتطلب من محطة الأساس زيادة قدرتها على النقل للتغلب على فقدان المسارات عندما تكون الصلة المباشرة ضعيفة، وبإخضاع نظام " RIS " بالقرب من المستعملين، يمكن أن تخفض محطة القاعدة قوتها مع الاعتماد على نظام " RIS " لتركيز الإشارة، ولأن عناصر " RIS " تستهلك شبكات ميكرويت " (المقاس بنسبة 30)

التخفيف والتخليص المكاني

وفي حالات النشر الكثيفة، يشكل التدخل في القنوات المشتركة عقبة رئيسية، إذ يمكن لصفائف الأنتينا أن تستخدم تقنيات عدم الانطلاق أو غيرها من التقنيات المسبقة للتدخل الباطلة نحو مستخدمين محددين، ولكن عدد اللاغيات يقتصر مرة أخرى على درجات الحرية، ويمكن أن يساعد نظام " RIS " بتحويل بيئة الانتشار، وبتشكيل المصفوفة السطحية لتعكس الإشارات بعيدا عن أجهزة الاستلام غير المقصودة أو باستيعاب الطاقة في بعض الاتجاهات.

الفوائد الرئيسية لـ " آري " المحسنة

وفيما عدا الآليات التقنية، يتيح الجمع مزايا واضحة على مستوى المنظومة:

  • Coverage extension:] RIS can fill shadow zones and extend the reach of a base station without additional active infrastructure. This is critical for connecting remote or underserved areas cost-effectively.
  • Improved Spatial Reuse:] By precisely directing signals, RIS enable more aggressive frequency reuse, increasing overall network capacity without additional spectrum.
  • Lower Latency:] With stronger, more reliable links, retransmissions are minimized, reducing end-to-end latency for applications like autonomous driving and telemedicine.
  • Seamless Integration with mMIMO:] RIS can be treated as part of the radio propagation environment, requiring no changes to the standard massive massive MIMO air interface if appropriate channel estimation techniques are used. This backward compatibility is a major industrial advantage.
  • Scalability and Cost:] because RIS are passive and can be printed on flexible substrates, they are potentially much cheaper per square meter than active small cells. This makes them suitable for large-scale deployments on building walls, windows, and street fabric.

التطبيقات الرئيسية لـ (أري) المحسنة

ويفتح التآزر بين صفائف نظم المعلومات البيئية وأجهزة الهوائيات إمكانيات جديدة في عدة مجالات.

5G-Advanced and 6G Networks

ويمكن لهيئات المعايير مثل 3GPP وتحالف شبكات الجيل القادم من الشبكة أن تدرس معهد بحوث الطاقة بوصفه تكنولوجيا مرشحة لما بعد 5 زاي. وفي الإصدار 18 وما بعده، يمكن استخدام نظام " RIS " لتحسين التغطية في المناطق الساخنة الداخلية، وتوسيع نطاق تغطية شبكة العجلات حول العقبات، وتعزيز كفاءة استخدام الطاقة في الشبكة، ويتوقع أن يكون جهازاً أساسياً للنشر في مراكز فرعية عالية، حيث تكون الخسارة في المجرى

الاستشعار بلا سلك وإضفاء الطابع المحلي

ويمكن أن تكون المؤسسة أيضا بمثابة مرساة قابلة للبرمجة للاستشعار السلبي، وترسل صفيفة الهوائي في محطة قاعدية إشارة معروفة؛ وتظهر المؤسسة ذلك من اتجاهات مختلفة تستند إلى تشكيلها، ويمكن للنظام، من خلال معالجة صدى العينات الواردة في نفس المجموعة، أن يستنتج وجود الأجسام التي خلف الجدران أو في مناطق غير مرئية، بل أن له تطبيقات في المباني الذكية والأمن، وفي الرصد الصحي دون اشتراط.

الاتصالات الفيديوية (V2X)

وقد تعاني البيئات المرتفعة السرعة من تفاوتات في القنوات ومن ارتفاعات متكررة، لا سيما ترددات الموجات المتوسطة، ويمكن أن تُقام نظم الإنذار المُركَّبة على علامات الطرق أو الجسور أو المباني ذاتياً أن تتعقب المركبات المتحركة بصورة دينامية وأن تعيد توجيه الشعاع من صفائف الهوائيات على جانب الطريق نحو السيارة، ويمكن أن يحافظ ذلك على صلة مستقرة بتطبيقات V2X مثل التصفيات، والتحديث، وتجنب التعرض لمخاطر.

الاتصالات الساتلية والاطارية

وفي الشبكات غير الأرضية، تستخدم السواتل ذات المدار المنخفض والطائرات بدون طيار صفائف الهوائيات لأجهزة الأشعة على الأرض، غير أن الظروف الجوية والتضاريس يمكن أن تتدهور الصلة، ويمكن أن تعدل شبكة السواتل الأرضية اتجاه الإشارة المتلقاة أو حتى تعمل كمستخدمة متنقلة كبيرة الحجم، على سبيل المثال، يمكن أن تعكس مجموعة من مستخدمي الأشعة على سطح مبنى.

الصناعة التحويلية الذكية

ويمكن أن تكافح المصفوفات الهوائية الضخمة على السقف للحفاظ على صلات موثوقة بسبب تحرك الآلات والأسطح المعدنية ويمكن برمجة نظام " RIS " على الجدران أو الأجهزة الآلية لتوجيه الإشارات حول العقبات وضمان الربط القوي بين الآليين المستقلين وشبكات الاستشعار وزيادة التفاعلات الواقعية، كما أن كفاءة الطاقة في معهد بحوث الطاقة تتواءم مع أهداف الصناعة التحويلية الخضراء 4.0.

التحديات وواجهة البحوث

وعلى الرغم من التوقعات الواعدة، يجب التغلب على العديد من التحديات التقنية والعملية قبل نشر نظام " باريس " على نطاق واسع.

تقدير القناة وتحقيق الاستفادة من المرحلة

ومن أجل تحقيق فوائد نظام " RIS " ، يجب أن تعرف كل من محطة الأساس ومؤسسة " RIS " القنوات لجميع المستعملين، ولكن نظرا لأن نظام " RIS " سلبي، فإنه لا يمكن أن ينقل الطيارين، وقد اقترح الباحثون أطرا مختلفة لتقييم القنوات - مثل التبديل أو التحويل غير المباشر للعناصر، والاستشعار المكثف، والأساليب المتغيرة القائمة على التعلم - وكثيرا ما تتطلب زيادة في الرؤوس، وتراعي لضعف في المعدات.

الحد من المعدات وصناعةها

ويحتاج كل عنصر من عناصر نظام " RIS " إلى أن يخضع للمراقبة الموثوقة، ولكن العدد الضئيل من العناصر (المئات المحتملة لكل متر مربع) يُحدث تعقيدات فيما بين الأطراف، كما أن الروابط بين المتحكم (مثلاً، أي شركة FPGA) أو مجهز مركزي يجب أن تصمم بعناية لتجنب التدخل المادي في الأداء الكهرومغناطيسي، وتستخدم نماذج الاختبار الحالية تقنيات نسيجية باهظة باهية باهظة باهظة الثمن وغير قابلة للتصويرها بعد.

التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة

ومن الطبيعي أن يكون مشغلو الشبكات حذرين من نشر معدات جديدة قد لا تكون مائلة ومؤثرة، وأن الحاجة إلى التواصل مع محطات القاعدة وشبكات أساسية قائمة دون اشتراط بروتوكولات ملكية، وأن يكون هيكل شبكة الوصول إلى الاتصالات اللاسلكية المفتوحة هو السبيل الذي يمكن أن يكون فيه متحكمو المخاطر بمثابة نقاط نهائية في إطار نظام مراقبة المخاطرة، ولكن جهود التوحيد التي تبذلها مجموعات مثل الإطار الزمني للتحالف الدولي للنظم الإيكولوجية والبيئة الآلات.

التهديدات الأمنية والفيزيائية

ونظراً لأن جهاز المراقبة الخارجي يمكن أن يبرمجه، فإنه يستحدث سطحاً للهجوم، ويمكن للخصيص أن يتلاعب بالسطح إلى إشارات التشويش، أو يحفر بشكل أكثر فعالية، أو أن يخلق انعكاسات زائفة للتمركز، وبالتالي فإن سلامة نطاق التحكم بين الشبكة ومؤسسة ريس أمر حاسم، ومن ثم فإن التوثيق بالوزن الخفيف وخطط التشفير الخاصة بقيادة المؤسسة ومراقبتها هي مجال نشط من مجالات البحث.

الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بالانتقال

وتجسد المؤسسة إشارات موجودة بالفعل في الطيف المرخص به؛ وهي لا تنتج انبعاثات جديدة؛ غير أن المنظمين )مثل لجنة المنافسة الحرة ولجنة حماية البيئة في تيمور الشرقية والاتحاد الدولي للاتصالات( قد يحتاجون إلى توضيح أن عملية " نظم المعلومات " لا تنتهك قواعد إعادة استخدام الطيف أو تتطلب ترخيصا إضافيا، وعلى سبيل المثال، إذا كانت " نظم المعلومات البيئية " تعكس إشارة من محطة قاعدية متحركة، فإن الموجة المعبر عنها لا تزال تعود إلى مجموعة الرخصة المعززة التي سيشغلة، ولكن هناك.

التوقعات المستقبلية والتوقعات

إضافة إلى أن تركيبة الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل والصفوف الهوائية ليست مجرد تحسين تدريجي، بل هي تحول نموذجي في كيفية تصميم الشبكات اللاسلكية، وبدلا من جعل مستعملي هذه القنوات أكثر تعقيدا، يمكننا الآن أن نصمم البيئة نفسها، وبحلول عام 2030، قد نرى أجهزة قياسية موحدة لضبط المخاطر مدمجة في البنية التحتية للمدينة،

وثمة اتجاه مثير آخر هو الجمع بين نظام " RIS " وبين عدة طرق غير عادية، ومجموعات الهوائيات الكاملة، وقدرة على التعبير عن الإشارات، مع تلقيها من المستعملين في وقت واحد، تفتح استراتيجيات جديدة لإلغاء التدخل، وفي موازاة ذلك، يقوم الباحثون باستكشاف هياكل متعددة الأبعاد تابعة للمنظمة تضم آلاف العناصر الهوائية - ولكن استهلاك الطاقة من السلاسل النشطة لإدارة مصائد الأسماك يصبح باهظا.

وفي نهاية المطاف، يتوقف اعتماد نظام " RIS " على نحو واسع على إثبات عائد واضح للاستثمارات مقارنة ببدائل مثل كثافة الخلايا الصغيرة أو الارتقاء إلى مستوى أعلى من مستوى الإدارة المتكاملة للمحركات، أما بالنسبة للمشغلين، فإن عرض القيمة أقوى في البيئات المحدودة التغطية (مثل التغطية العميقة داخل المباني والأنفاق والملاعب) وفي عمليات النشر الأكثر مراعاة للطاقة (مثلا، أجهزة إعادة البث اللاسلكي التي لا تعمل بالبطارية)

خاتمة

إن ظهور الكائنات الحية التي يمكن إعادة تشكيلها يمثل تقدما أساسيا في التكنولوجيا اللاسلكية، مما يتيح لمصفوفات الهوائيات التغلب على قيودها المادية التقليدية، ومن خلال تحويل بيئة الانتشار من قيود سلبية إلى مورد نشط، يمكن أن يعزز نظام الطاقة المتجددة قوة الإشارة، ويوسع نطاق التغطية، ويخفض استهلاك الطاقة، ويعزز تعدد المواقع، وفي حين تظل التحديات الكبيرة قائمة في مجال تقدير القنوات، وتكاليف المعدات، والتوحيد القياسي، والأمن، فإن جهود البحث الجارية في جميع أنحاء العالم.

For further reading on the fundamentals and latest research, see the IEEE Communications Magazine tutorial on RIS (2021) (link), a comprehensive survey on intelligent reflect surfaces by Wu and Zhang (link), and the recent 6G-Xal Paper from