Table of Contents

سیستم های ارتباطی بی سیم تحت فشار دائمی برای ارائه نرخ داده های بالاتر، تاخیر پایین تر و اتصالات قابل اعتماد تر هستند.چندین خروجی ورودی (MIMO) تکنولوژی، که از آنتن های متعدد در هر دو فرستنده و گیرنده استفاده می کند، پایه ای از این پیشرفت بوده است، با این حال، حتی سیستم های MIMO می توانند توسط موانع فیزیکی، چند محو و مداخله هوشمند تخریب شوند.

درک سطوح بازتاب هوشمند (IRS)

یک نمودار هوشمند، که به عنوان یک سطح هوشمند Reconfigurable (RIS) نیز شناخته می شود، یک ساختار پلانار ساخته شده از بسیاری از عناصر کوچک و کم هزینه منفعل است که هر عنصر می تواند به طور مستقل فاز، دامنه یا هر دو از یک سیگنال رادیویی رویداد (RF) را تنظیم کند.با کنترل این عناصر از طریق یک کنترل نرم افزار، سطح می تواند سیگنال های در یک جهت مطلوب را منعکس کند یا حتی نیاز به تقویت کننده انرژی خاص دارد، و یا تکرار کند.

ایده اصلی این است که خود سطح را به عنوان یک واسطه هوشمند که می تواند "sculpt" کانال بی سیم، به جای درمان انتشار سیگنال به عنوان یک محیط ثابت، IRS محیط قابل برنامه ریزی است، این قابلیت به ویژه در باند های با فرکانس بالا (به عنوان مثال، موج میلی متری و زیر هرتز) که سیگنال در آن کاهش شدید و خط دید (S) مسدود شده است.

چگونه IRS کیفیت سیگنال MIMO را افزایش می دهد

سیستم های MIMO از Multixing فضایی و پرتو سازی برای افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان بهره می برند.موفقیت MIMO بستگی به غنی بودن محیط انتشار دارد - به طور خاص، دسترسی به چندین مسیر سیگنال مستقل است، زمانی که کانال فاقد پراکنده شدن کافی است (به عنوان مثال، در راهروها، دفاتر داخلی، یا استادیوم)، عملکرد MIMO degrades به طور مستقیم با ایجاد این محدودیت گیرنده و منعکس کننده سیگنال های در نظر گرفته شده است.

در یک سناریوی معمولی MIMO-IRS، سطح بر روی یک دیوار قرار می گیرد ( سقف، یا حتی یک پلت فرم تلفن همراه)، ایستگاه پایگاه MIMO سیگنال هایی را ارسال می کند که در غیر این صورت کاربر را از دست می دهند؛ IRS این سیگنال ها را ضبط می کند و آنها را با انتقال فاز بهینه شده نشان می دهد. اثر ترکیب شده در گیرنده سیگنال بسیار قوی تر و متمرکز تر است.

افزایش های کلیدی شامل:

  • بهبود SNR در شرایط غیر خطی (NLOS): با هدایت سیگنال ها در اطراف موانع، IRS می تواند یک لینک ضعیف NLOS را به یک اتصال قوی تبدیل کند، به ویژه در مناطق شهری و محیط های داخلی حیاتی است.
  • فشار از تداخل Co-Channel: IRS می تواند برنامه ریزی شود تا منعکس کننده سیگنال های مداخله دور از کاربران یا ایجاد null، کاهش سلول های بین المللی و تداخل درون سلول در استقرار MIMO متراکم باشد.
  • درجه های قابل ملاحظه آزادی: اضافه کردن IRS به طور موثر تعداد مسیرهای مجازی قابل کنترل را افزایش می دهد، اجازه می دهد سیستم های MIMO برای دستیابی به دستاوردهای متعدد فضایی بالاتر حتی زمانی که تعداد آنتن های فیزیکی محدود است.

مکانیسم های فنی: System Shift Control و Channel برآورد

عملکرد MIMO IRS-aid وابسته به برآورد دقیق کانال و بهینه سازی تغییر فاز است، زیرا عناصر IRS منفعل هستند، آنها نمی توانند سیگنال های آزمایشی را پردازش یا تقویت کنند؛ آنها فقط نشان می دهند که این یک چالش را معرفی می کند: چگونه کانال بین ایستگاه پایه، IRS و کاربر را تخمین بزنیم؟ به طور معمول، ایستگاه پایه سیگنال های خلبان را ارسال می کند و بازخورد کاربر به طور مشترک برای بهینه سازی روش های یادگیری پایه و سوئیچ های مستقیم استفاده می شود.

در این میان، یک معیار مهم، است که از طریق IRS ارائه شده است.

یکی دیگر از جنبه های مهم معماری سخت افزار است.هر عنصر IRS معمولا شامل یک دیود varactor یا یک دیود PIN برای تنظیم ضریب انعکاس است. برخی از طرح ها از کریستال های مایع برای کنترل آنالوگ استفاده می کنند. تعداد عناصر می توانند از صدها تا ده ها هزار متغیر باشد، با کل مصرف برق باقی مانده از اندازه که آرایه فعال است.

درخواست های IRS در MIMO Networks

5G و Beyond 5G (B5G) Deployment

رادیو جدید 5G (NR) شامل تنظیمات MIMO تا 64×64 در ایستگاه های پایه است.با این حال، باندهای موج میلیمتری (24-52 گیگاهرتز) از انسداد شدید رنج می برند. IRS می تواند در نماهای ساختمان، بیلبوردها و خیابانها برای ایجاد "معاملان هوشمند" مجازی که پوشش را به مناطق سایه گسترش می دهند، به ویژه برای سناریوهای در فضای باز که باید از طریق سیگنال عبور کنند، استفاده شود.

شبکه های محلی بی سیم (WLAN)

در دفاتر سازمانی، فرودگاه ها و مراکز خرید، Wi-Fi مبتنی بر MIMO (به عنوان مثال، Wi-Fi 6/6/6/6/6/6/6 / E) می تواند با مناطق مرده ناشی از پارتیشن های فلزی یا ستون های بتنی مبارزه کند. پنل های IRS نصب شده بر سقف یا دیوارها می توانند سیگنال ها را به طور پویا هدایت کنند تا کاربران را در گوشه های چالش برانگیز خدمت کنند، بهبود یافته توسط 30-50٪ در آزمایشات اولیه.

ارتباطات Vehicular (V2X)

واحدهای جاده ای مجهز به IRS می توانند با انعکاس سیگنال های اطراف خم، ساختمان ها یا کامیون های بزرگ، به وسایل نقلیه مجهز MIMO کمک کنند.این قابلیت اطمینان درک تعاونی و پیام های ایمنی را در محیط های با قابلیت بالا افزایش می دهد.

شبکه های عظیم MIMO و Cell-Free

در معماری های بدون سلول آینده، چندین نقطه دسترسی توزیع شده برای خدمت به کاربران همکاری می کنند. IRS می تواند به عنوان یک مولتیپلکسر فضایی کم هزینه عمل کند و اجازه می دهد تعداد کوچکتری از آنتن های فعال برای شبیه سازی یک آرایه MIMO بسیار بزرگتر باشد.

چالش ها و محدودیت ها

در حالی که IRS وعده های قابل توجهی را می دهد، چندین چالش قبل از تصویب گسترده باقی مانده است:

  • ] برآورد کلیت سر: ] برآورد کانال BS-IRS-user آبشاری نیاز به زمان و منابع، به ویژه برای سطوح بزرگ سنجش فشرده و یادگیری عمیق برای کاهش سربار خلبان مورد بررسی قرار می گیرد.
  • پیچیدگی و کالیبراسیون سخت افزار: [FLT 1] هر عنصر باید به طور دقیق کالیبره شده برای دستیابی به انعطاف پذیری منسجم، حمل و نقل دما و پیری می تواند عملکرد را کاهش دهد.
  • [FLT: 1 ] از زمان IRS فقط منعکس و تقویت می شود، بودجه لینک کلی ممکن است برای مسافت های بسیار طولانی کافی نباشد.
  • عدم وجود پروتکل های موجود: استانداردهای بی سیم فعلی با IRS در ذهن طراحی نشده است.

چشم انداز آینده: سطوح هوشمند به عنوان یک انقلاب متا مادی

انتظار می رود که IRS از بازتابنده های ساده منفعل تکامل یابد تا به طور کامل قابل تنظیم (FLT:0) محیط های رادیویی هوشمند ، که شامل سطوحی است که می تواند اطلاعات را جذب، قطبی یا حتی تعدیل کند بر سیگنال های منعکس شده. همگرایی IRS با ارتباطات تراهرتز، که در آن حتی موانع کوچک باعث محو شدن شدید شدید می شوند، می تواند طیف جدیدی را برای باندهای 6G باز کند.

نهادهای استاندارد مانند ETSI و 3GPP، موارد مطالعه را در سطوح هوشمند قابل تنظیم برای انتشار 18 و فراتر از آن، همکاری های صنعت نیز تسریع کرده اند: EURECOM و NTT [F3] نمونه های زمان واقعی را نشان داده اند، در حالی که شرکت های راه اندازی مانند پروتکل های بی سیم ثابت [Fiv] استفاده از metaLT5.

در نهایت، IRS یک تغییر پارادایم را ارائه می دهد: به جای مبارزه با محیط بی سیم، ما می توانیم آن را تغییر دهیم. برای سیستم های MIMO، این به معنای کیفیت سیگنال بالاتر، مصرف انرژی پایین تر و پوشش یکنواخت تر است.همانطور که تکنولوژی بالغ می شود، ما می توانیم انتظار داشته باشیم که IRS به یک ابزار استاندارد در زرادخانه مهندس بی سیم تبدیل شود، تکمیل MIMO برای ارائه شبکه های فوق العاده قابل اعتماد و با ظرفیت بالا که دهه آینده نیاز دارند.

برای مطالعه بیشتر، به مرور کلی با Di Renzo et al. (2023] و مجله ارتباطات IEEE در RIS (20۲۱) اشاره کنید.این منابع شیرجه عمیق به پایه های ریاضی و اعتبار تجربی سیستم های MIMO IRS-aid.