درک سطوح هوشمند Reconfigurable

سطوح هوشمند قابل پیکربندی (RIS) متا سطوح مهندسی شده از صدها یا هزاران عنصر ارزان و غیرفعال است که می تواند برای کنترل انتشار امواج الکترومغناطیسی برنامه ریزی شود.هر عنصر به طور معمول یک ساختار زیر موج است که می تواند فاز، دامنه یا قطبی شدن یک سیگنال حادثه در زمان واقعی را تنظیم کند.

اصل اساسی پشت RIS قانون کلی Snell انعکاس است (که اجازه می دهد سطح برای ایجاد گرادینت های مرحله ای دلخواه، این قادر به هدایت پرتو، تمرکز و حتی تقسیم سیگنال ها بدون نیاز به فرکانس رادیویی برق (RFLT) بر خلاف سیستم های فعال رله، عناصر RIS نیاز به تقویت کننده یا مبدل فرکانس ندارند، و آنها را به شدت انرژی و بررسی عمیق تر از طریق معماری جامع:

فناوری RIS اغلب با MIMO گسترده مقایسه می شود، اما این دو اساسا متفاوت هستند. MIMO از بسیاری از آنتن های فعال با زنجیره های RF جداگانه برای خدمت به کاربران متعدد به طور همزمان استفاده می کند، در حالی که RIS از عناصر منفعل استفاده می کند که سیگنال ها را از یک ایستگاه پایه منعکس می کند و محیط انتشار را افزایش می دهد.

Synergy بین سیستم های RIS و MIMO

سیستم های MIMO (Multiple Input Multi Output) در حال حاضر چندین آنتن را در هر دو فرستنده و گیرنده برای بهره برداری از تنوع فضایی و چند برابر شدن استفاده می کنند، هنگامی که با RIS ادغام شده است، سیستم ترکیبی لایه اضافی کنترل بر کانال بی سیم را به دست می آورد. RIS می تواند به عنوان یک بازتابنده هوشمند فکر کند که مسیرهای خط مجازی از دید در اطراف موانع، غنی سازی، و بهبود سودهای چند ماتریس.

کیفیت سیگنال و پوشش

یکی از فوری ترین مزایای استقرار RIS در شبکه های MIMO بهبود چشمگیر در پوشش است، به ویژه در محیط های چالش برانگیز مانند دفاتر داخلی، کارخانه ها یا کانون های شهری متراکم، با قرار دادن پانل های RIS در دیوارهای ساختمان، سقف ها و یا مبلمان خیابانی، اپراتورهای می توانند سیگنال ها را به مناطق سایه هدایت کنند.

پرتو فعال در ایستگاه پایه MIMO همراه با پرتو برداری منفعل در RIS اجازه می دهد تا برای کاهش دقیق فرمان null برای کاهش مداخله. تحقیقات در Nature Communications نشان داده است که بهینه سازی مشترک از پیش کدر اتصال MIMO و RIS فاز تغییر می تواند نسبت سیگنال به تداخل-به اضافه (NR) بهره برداری از اتوماسیون زنده مانند برنامه های اتصال سریع و انعطاف پذیر است.

افزایش بهره وری انرژی و اسپکس

سیستم های MIMO می توانند با استفاده از چندین برابر شدن فضایی، کارایی طیف بالا را به دست آورند، اما سودها اغلب با رتبه ماتریس کانال محدود می شوند. RIS می تواند به طور مصنوعی رتبه کانال موثر را با ایجاد مسیرهای انتشار اضافی افزایش دهد.در یک محیط پراکنده غنی، RIS می تواند درجه های فضایی موجود آزادی را بدون نیاز به آنتن های فعال اضافی در این سرعت ترجمه مستقیم داده های بالاتر برای همان پهنای باند، دو برابر یا سه برابر کند.

بهره وری انرژی یکی دیگر از مزایای حیاتی است در حالی که یک ایستگاه پایه MIMO قدرت قابل توجهی را برای هر زنجیره RF مصرف می کند، عناصر RIS از سفارش های قدرت کمتری استفاده می کنند - به طور معمول در محدوده میکرووات در هر عنصر، با تغییر بار افزایش سیگنال از پایگاه به سطوح RIS منفعل، مصرف کلی برق شبکه می تواند تا 40٪ با توجه به مطالعات (F:0) کاهش یابد.

چالش های فنی کلیدی

علی رغم پتانسیل های عظیم، مسیر استقرار عملی RIS-MIMO با چالش های قابل توجهی در حال شکل گیری است.این ها باید قبل از اینکه اپراتورهای بتوانند RIS را در مقیاس بالا ببرند، مورد توجه قرار گیرند.

طراحی سخت افزار و هزینه

ساخت پانل های RIS با میلیون ها عنصر کنترل فردی یک کار غیر سریع است.هر عنصر نیاز به یک مکانیسم تنظیم دارد - به طور معمول یک دیود varactor، دیود پین یا MEMS سوئیچ - و یک کنترل کننده که می تواند حالت های فاز را در میکرو ثانیه به روز کند، هزینه هر عنصر باید به طور چشمگیری کاهش یابد تا سطوح بزرگ (به عنوان مثال، 1m x 1m 1m) پیشرفت های اقتصادی پایدار، و امیدوار کننده تولید گازهای گلخانه ای، علاوه، مهندسی توده ای سازگار است.

کنترل زمان واقعی و برآورد کانال

بزرگترین مانع الگوریتمی نیاز به اطلاعات دقیق دولت کانال (CSI) در هر دو ایستگاه پایگاه MIMO و RIS است، زیرا RIS هیچ سنجش فعال یا قابلیت پردازش ندارد، ایستگاه پایه باید کانال آبشار شده (بر اساس ایستگاه RIS → کاربر) را با استفاده از سیگنال های خلبان تخمین بزند.این مشکل به طور چشمگیری با تعداد عناصر پیکربندی کلاسیک رشد می کند، با این حال، حداقل نیاز به یادگیری سیستم های گسترده ای دارد.

ادغام با زیرساخت های موجود

اپراتورهای نمی توانند اجازه دهند تا ایستگاه های پایگاه MIMO موجود را پاره و جایگزین کنند، به این معنی که RIS باید به عنوان یک افزودنی مقاوم طراحی شود، نه یک جایگزین. رابط کنترل بین ایستگاه پایه و RIS باید استاندارد شود؛ در حال حاضر، هیچ پروتکل یکپارچه وجود ندارد، استقرار RIS باید از نظر قرار دادن و جهت گیری بهینه سازی بهینه سازی شود.

مسیر های آینده: RIS در 6G و Beyond

فرآیند استاندارد سازی 6G که انتظار می رود تا سال 2025 تا 2026 به طور رسمی آغاز شود، RIS را به عنوان یک تکنولوژی فعال کننده معرفی کرده است. چندین پروژه تحقیقاتی در سراسر جهان از بستر های تست RIS-MIMO برای تأیید عملکرد در محیط های واقعی استفاده می کنند.

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین برای بهینه سازی RIS

هوش مصنوعی نقش مهمی در عملی کردن الگوریتم های یادگیری تقویت کننده می تواند برای کشف تنظیمات فاز بهینه بدون نیاز به CSI کامل ایفا کند. ایستگاه پایه کیفیت سیگنال دریافت شده را مشاهده می کند و تنظیم RIS در یک روش آزمایشی و خطا را تنظیم می کند، یادگیری سیاستی که تحت شرایط در حال تغییر کار می کند. فدرال یادگیری در سراسر پانل های RIS می تواند هر یک از ویژگی های پیش فرض را تنظیم کند و تنظیم پیام رسانی پیش فرض کاربر را تنظیم کند.

مدل های زبان بزرگ حتی برای عیب یابی شبکه خودکار مورد بررسی قرار می گیرند، به عنوان مثال، یک اپراتور ممکن است یک سیستم را دنبال کند: "عملیات آرایه RIS در ساخت وینگ C برای حداکثر نفوذ در طول یک کنفرانس." AI سپس یک توالی از پیکربندی ها را ایجاد می کند و آنها را از طریق شبیه سازی قبل از استقرار تأیید می کند.

مقیاس پذیر Deployment and Standard

برای اینکه RIS به همه جا تبدیل شود، صنعت باید در مورد رابط های مشترک، پروتکل های کنترل و اقدامات امنیتی توافق کند. ETSI (موسسه استاندارد ارتباطات اروپا) یک گروه مشخصات صنعت در RIS را آغاز کرده است و 3GPP سناریوهای استفاده را ارزیابی می کند. یکی از روش های امیدوار کننده استفاده از "محیط رادیو هوشمند" است که در آن پانل های RIS به طور موقت بر روی هواپیماهای بدون سرنشین یا روبات های تلفن همراه برای ارائه پوشش شیشه ای یا مواد دیگر مانند ساخت فاجعه کار می کنند.

کاهش هزینه همچنین از تولید انبوه با استفاده از تکنیک های چاپ رول به صفحه، شبیه به اینکه چگونه پانل های خورشیدی تولید می شوند، اگر قیمت هر عنصر زیر 0.01 $ باشد، استقرار بزرگ در مقیاس بزرگ از نظر اقتصادی امکان پذیر می شود.

نتیجه گیری

سطوح هوشمند قابل پیکربندی یک مفهوم آینده دور نیستند؛ آنها امروز نمونه اولیه و آزمایش شده اند.هنگامی که همراه با ارتباطات MIMO، RIS ارائه می دهد یک راه منحصر به فرد انعطاف پذیر و کارآمد برای شکل دادن به محیط بی سیم، می تواند پوشش، بهبود ظرفیت اتصال و کاهش مصرف انرژی بدون نیاز به یک تعمیر و تحلیل کامل از زیرساخت های موجود است.