Langattomien viestintäjärjestelmien paineet ovat jatkuvat, jotta voidaan tuottaa korkeampia datanopeuksia, vähemmän latenssia ja luotettavampia yhteyksiä. Useita syöte- ja monitoimijärjestelmiä käyttävä (MIMO) teknologia, jossa käytetään useita antenneja sekä lähetin- että vastaanotinlähetin-vastaanottimessa, on ollut tämän kehityksen kulmakivi. Kuitenkin jopa MIMO-järjestelmiä voidaan heikentää fyysisten esteiden, monipolkuisen haalistumisen ja häiriöiden avulla. Älykäs Heijastava pinta (IRS) on noussut uudenlaiseksi lähestymistavaksi muokata radioympäristöä, joka tarjoaa kustannustehokkaan ja energiatehokkaan tavan parantaa MIMO-signaalin laatua ilman massiivisia laitteistopäivityksiä. Tässä artikkelissa tarkastellaan, miten IRS toimii, miten se toimii, miten se on synergisesti MIMO:n kanssa, ja mitkä ovat keskeisiä etuja ja todellisia maailman sovelluksia, jotka muokkaavat langattoman verkon tulevaisuutta.

Älykkäiden heijastuspintojen ymmärtäminen

Älykäs heijastuspinta, joka tunnetaan myös Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) -na, on ihmisen tekemä tasorakenne, joka koostuu monista pienistä, edullisista passiivisista elementeistä. IRS ei tarvitse aktiivisia RF-ketjuja tai tehovahvistimia, vaan vain minimaalista tehoa ohjauspiiriin. Tämä tekee IRS:stä erittäin energiatehokkaan ja tiheään käyttöön soveltuvan.

IRS:n ydinajatuksena on käsitellä pintaa älykkäänä välikappaleena, joka voi "veistää" langattoman kanavan. Sen sijaan, että se käsittelee signaalin leviämistä kiinteänä ympäristönä, se tekee ympäristöstä ohjelmoitavan. Tämä ominaisuus on erityisen arvokas suurtaajuuskaistoilla (esim. millimetriaalto ja ali-THz), joissa signaalin vaimennus on vakava ja LOS-reitit usein tukkivat.

Miten IRS parantaa MIMO-signaalin laatua

MIMO-järjestelmät hyödyntävät tila- ja säteenmuodostusta kapasiteetin ja luotettavuuden lisäämiseksi. MIMOn menestys riippuu erityisesti etenemisympäristön rikkaudesta.Mikäli kanavalta puuttuu riittävästi hajaantumista (esim. käytävillä, sisätiloissa tai stadioneilla), MIMOn suorituskyky heikkenee. IRS puuttuu suoraan tähän rajoitukseen luomalla keinotekoisia hajaantumis- ja heijastussignaaleja aiottuun vastaanottimeen.

Tyypillisessä MIMO-IRS-skenaariossa pinta asetetaan seinälle, kattoon tai jopa liikkuvalle alustalle. MIMO-tukiasema lähettää signaaleja, jotka muuten jäisivät käyttäjän huomaamatta; IRS tallentaa nämä signaalit ja heijastaa niitä optimoiduilla vaihesiirroilla. Vastaanottimessa yhdistetty vaikutus on paljon vahvempi ja keskitetympi signaali. Tätä prosessia voidaan kuvata [] passiiviseksi säteenmuodostelmaksi.Pinta ohjaa heijastuvaa energiaa ilman, että se kuluttaa lähetystehoa. IRS-ohjainkoordinaatit MIMO-esikoodaajalla maksimoivat kokonaissignaalin ja melusuhteen (SNR) kullakin käyttäjällä.

Tärkeimmät parannukset ovat:

  • Parempi SNR muissa kuin line-of-Sight (NLOS) Ehdot:[] Suuntaamalla signaalit esteiden ympärille, IRS voi muuttaa heikko NLOS-linkki vahvaksi liitoksi, erityisesti kriittinen kaupunkikanjoneissa ja sisätiloissa.
  • Ko-Kannelien häiriöiden estäminen:[ IRS voidaan ohjelmoida heijastamaan häiritseviä signaaleja käyttäjistä tai luomaan nollaa, mikä vähentää solujen välisiä ja solujen sisäisiä häiriöitä tiheässä MIMO-käytössä.
  • Enhanced Degrees of Freedom:[] IRS:n lisääminen lisää tehokkaasti ohjattavien virtuaalisten reittien määrää, jolloin MIMO-järjestelmät voivat saavuttaa suurempia tilakohtaisia multipleksointietuja, vaikka fyysisten antennien määrä on rajallinen.

Tekniset mekanismit: vaihevuoron valvonta ja kanavan arviointi

IRS-avusteisen MIMOn suorituskyky riippuu kanavan täsmällisestä arvioinnista ja vaihesiirtymän optimoinnista. Koska IRS-elementit ovat passiivisia, ne eivät voi käsitellä tai vahvistaa signaaleja, ne vain heijastavat. Tämä tuo haasteen: miten arvioida kanava tukiaseman, IRS:n ja käyttäjän välillä? Tyypillisesti tukiasema lähettää pilottisignaaleja ja käyttäjäpalautteita käytetään yhdessä optimoimaan tukiaseman säteenmuodostavia painoja ja IRS:n vaihesiirtymää. Algoritmeihin liittyy usein vuorotteleva optimointi, kaltevuuspohjaiset menetelmät tai syväoppiminen.

Ratkaiseva metri on ]-signaalin hyöty[], jonka IRS tarjoaa. Pinta-alalla N-elementtien kanssa heijastuva signaaliteho voi teoriassa skaalautua N[[]]2:lla johdonmukaisen yhdistämisen vuoksi. Käytännössä voitot rajoittuvat pintakoon, elementtien välin ja käytännön rajoitteiden, kuten keskinäisen kytkennän ja kvantifiointivirheiden, mukaan. Prototyyppien demonstraatiot ovat kuitenkin osoittaneet SNR-parannnukset 10....20 dB kohdennetuissa suunnoissa.

Toinen tärkeä näkökohta on -hardware-arkkitehtuuri[]. Jokainen IRS-elementti sisältää tyypillisesti varactor diodin tai PIN-diodin säätää heijastuskerrointa. Jotkut mallit käyttävät nestekiteitä analogiseen ohjaukseen. Alkuaineiden määrä voi vaihdella sadoista kymmeniin tuhansiin, jolloin tehonkulutus on jäljellä erittäin suuri kuin aktiivisen relematriisin.

Veronmaksajien hakemukset MIMO-verkoissa

5G ja 5G (B5G) Käyttöönotto

5G New Radio (NR) sisältää MIMO-kokoonpanot 64×64 tukiasemilla. Kuitenkin millimetriaaltokaistat (24...52 GHz) kärsivät vaikeasta tukoksesta. IRS voidaan ottaa käyttöön julkisivujen, mainostaulujen ja katuvalaisimien rakentamiseen, jotta voidaan luoda virtuaalisia "älykkäitä heijastimia," jotka kattavat varjostetut alueet. Tämä on erityisen arvokasta ulko- ja sisätilojen skenaarioissa, joissa signaalien on kuljettava seinien läpi.

Sisätiloissa sijaitsevat langattomat lähiverkkoverkot (WLAN)

Yritystoimistoissa, lentoasemilla ja ostoskeskuksissa MIMO-pohjainen Wi-Fi (esim. Wi-Fi 6/6E) voi kamppailla metalliosista tai betonipylväistä johtuvien kuolleiden alueiden kanssa. Kattoihin tai seiniin asennetut IRS-paneelit voivat dynaamisesti ohjata signaaleja käyttäjien palvelemiseksi haastavissa kulmissa, mikä parantaa läpäisyä 30..50% alkukentällä.

Vehikulaarinen viestintä (V2X)

IRS-järjestelmällä varustetut tienvarsiyksiköt voivat auttaa MIMO-varusteilla varustettuja ajoneuvoja heijastamalla signaaleja mutkien, rakennusten tai suurten kuorma-autojen ympärillä. Tämä parantaa yhteistyökykyisten käsitysten ja turvallisuusviestien luotettavuutta korkeassa liikkuvuudessa.

Massive MIMO ja soluttomat verkot

Tulevaisuudessa soluttomat arkkitehtuurit tekevät yhteistyötä useiden hajautettujen liityntäpisteiden kanssa palvellakseen käyttäjiä. IRS voi toimia edullisena tilamoninkerääjänä, jolloin pienempi määrä aktiivisia antenneja voi jäljitellä paljon suurempaa tehokasta MIMO-matriisia. Tutkijat ovat osoittaneet, että jopa pieni IRS (100 elementtiä) voi kaksinkertaistaa soluttoman järjestelmän spektrisen tehokkuuden.

Haasteet ja rajoitukset

Vaikka vero- ja verovirasto lupaa merkittäviä hyötyjä, useita haasteita on vielä jäljellä ennen laajaa käyttöönottoa:

  • Hankkeen arviointi Yleisarvio:[] Kassakadun BS-IRS-käyttäjäkanavan arvioiminen vaatii aikaa ja resursseja, erityisesti suurille pinnoille. Kompressorien aistimista ja syväoppimista tutkitaan pilottien yläpuolella olevien pisteiden vähentämiseksi.
  • Kovaohjelmistojen kompleksisuus ja kalibrointi:[] Jokainen elementti on kalibroitava tarkasti, jotta saavutetaan johdonmukainen heijastus. Valmistustoleranssit, lämpötilan vaihtelu ja ikääntyminen voivat heikentää suorituskykyä.
  • Half-Duplex rajoitteet:[ Koska IRS vain heijastaa ja ei voi vahvistaa, yleinen linkki budjetti voi olla edelleen riittämätön hyvin pitkiä matkoja. Kuitenkin yhdistämällä IRS ja massiivinen MIMO voi voittaa tämän.
  • Integrointi olemassa oleviin protokollat:[ Nykyiset langattomat standardit ei suunniteltu IRS mielessä. Muutokset aikataulujen, säteen hallinta, ja palautemekanismit ovat tarpeen.

Tulevaisuuden näkymät: Älykäs pinta metamateriaalivallankumous

IRS:n odotetaan kehittyvän yksinkertaisista passiivisista heijastimista täysin uudelleen konfiguroituviksi []älykkäiksi radioympäristöiksi[]. Tähän sisältyy pinnat, jotka voivat absorboida, polarisoida tai jopa muuntaa tietoa heijastuviin signaaleja vasten. IRS:n ja terahertz-viestinnän lähentyminen, jossa jopa pienet esteet aiheuttavat vakavaa haalistumista, voisi avata uusia taajuuskaistoja 6G:lle.

Standardointielimet, kuten ETSI ja 3GPP, ovat aloittaneet tutkimuskohteet uudelleenkonfiguroituvista älykkäistä pinnoista julkaisua 18 varten ja sen jälkeen. Toimialayhteistyö kiihtyy myös: EURECOM ja NTT[] ovat osoittaneet reaaliaikaisia prototyyppejä, kun taas startup-yritykset, kuten ]Pivotal Commware[, käyttävät aktiivisia metapintaantenneja kiinteän langattoman liityntäyhteyden luomiseksi.

Viime kädessä IRS tarjoaa paradigman muutoksen: sen sijaan, että torjuisimme langatonta ympäristöä, voimme muokata sitä. MIMO-järjestelmille tämä tarkoittaa parempaa signaalin laatua, energiankulutuksen laskua ja yhdenmukaisempaa kattavuutta. Teknologia kehittyy, ja voimme odottaa, että IRS:stä tulee standardityökalu langattomassa insinöörissä.

Lisätietoja on saatavilla Di Renzo et al. (2023)[:n ja IEEE Communications Magazinen RIS (2021):n tieteellisissä katsaukseissa. Nämä resurssit antavat syviä syviä sukeltajia IRS:n tukemien MIMO-järjestelmien matemaattisiin perusteisiin ja kokeellisiin validointiin.