שימוש במשטחים חכמים הניתנים להגדרה מחדש כדי לשפר את יכולות אנטנה ארורי

הבא Leap in Wireless Communications

הביקוש הבלתי פוסק לשיעורי נתונים גבוהים יותר, עצלות נמוכה יותר, וקישוריות בכל מקום דוחפת את הגבולות של מערכות אלחוטיות קונבנציונליות, בעוד שמגוון רחב של מנגנונים של אנטנות (MIMO) ומערךי אנטנה מסיביים של MIMO הפכו לאבני דרך מודרניות של רשתות 5G, הביצועים שלהם נשמרים באופן יסודי על ידי הסביבה הפיזית.

מה הם משטחים חכמים?

בליבתם, משטחים חכמים ניתנים להגדרה הם שני תחומים תלת-ממדיים של תאים תת-גלכיים - הנקראים לעתים קרובות meta-atoms - שניתן לשלוט בהם באופן אינדיבידואלי כדי לשנות את האמרה, שלב, או קיטוב של גלים אלקטרומגנטיים מקריים. בניגוד לממסרים מסורתיים הדורשים סביבות רדיו- ⁇ פעיל (RF) , מגברי חשמל, עיבוד מורכב ובסיסי, RIS הם בעיקר פסיביים או אותות של עוצמה נמוכה.

התצורה מחדש מושגת באמצעות אלמנטים של כוונון כגון PIN diodes, varactors, או מערכות מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS) משובצים בכל תא יחידה. על ידי שינוי המתח ההטיה או זרם החל מרכיבים אלה, פני השטח יכול לעבור בין מצבי חסימה שונים, ובכך לשנות את השינוי שלב שהוקצה לגל המשקף.

חשוב להבחין בין RIS מטכנולוגיות אחרות כמו היבטים אינטליגנטיים ומשקפים הניתנים להגדרה מחדש. בעוד שלמדרי בדרך כלל יש פרופיל שלב קבוע לכיוון מסוים, RIS יכול לשנות את הפרופיל שלו בזמן אמת, להסתגל לריאציות ערוץ. רעיון קשור אחר הוא פני השטח האינטליגנטי גדול (LIS), אשר לעתים קרובות מרמז עיבוד אותות פעיל; RIS, בניגוד, הם למעשה, הם סימנים פסיביים ולהפחית את רמות האנרגיה הקיימות, במיוחד על פני השטח.

כיצד RIS משפר את אנטנה Array Capabilities

מערךאנטנה - בין אם בתחנת הבסיס או במסוף המשתמש - נועדו ליצור דבורים, להדיח את הדבורים, להשיג רווח רב-ממדי מרחבי.עם זאת, הביצועים שלהם תלויים במידה רבה בתנאי קו-of-sight (LoS) ואת העושר של הסביבה המפלתת. RIS מגביר את היכולות האלה בכמה דרכים בסיסיות.

המונחים: Line-of-Sight Limitations

כאשר מכשול חוסם את הנתיב הישיר בין מערך האנטנה של תחנת בסיס לבין מכשיר משתמש, מנגנונים קונבנציונליים סובלים מאובדן נתיב חמור ורמות מרחביות מוזנחות של חירות. RIS מונח אסטרטגית יכול להקים קישור וירטואלי ל-LS על ידי התבוננות בסימן סביב החסימה.על ידי תכנות פני השטח כדי ליצור השתקפות חזקה, קוהרנטית לכיוון המקלט המיועד, הערוץ יעיל הופך טוב כמו - ולפעמים טוב יותר מאשר הנתיב הפנימי הזה יכול ליצור אובייקטים בתוך מבנים.

Beam Steering ללא שרשרת RF פעילה

מערך אנטנה מסורתי מסתמכ על משמרות שלב ומשתנה מקבל מגבר כדי לנווט דבורים.מספר הדבורים בעלות שליטה מוגבל על ידי מספר רשתות RF. RIS, לעומת זאת, ניתן לראות כמערך גדול פאסיטיבי שפועל בתחום ההשתקפות. על ידי התאמת שלב של מאות או אלפי metaatoms, RIS יכול להיות מתוכנת כדי לשקף את המערך הסגור יותר מבסיס פעולה באופן יעיל יותר, כי הוא מסוגל להתאים את השלב של מאות או אלפי metaams-reams, באופן יעיל, באופן יעיל, כלומר, כלומר, באופן יעיל, כלומר, הוא יעיל, כלומר, כלומר, כלומר, הוא יעיל יותר, כלומר, כלומר, הוא יעיל יותר, כדי ליצור מערכת הפעלה של מערכת הפעלה של מערכת הפעלה של מערכת הפעלה של מערכת הפעלה של מערכת יחסים יעילה, באופן יעיל יותר, באופן יעיל יותר, באופן יעיל יותר, באופן יעיל יותר, כלומר, באופן יעיל יותר, באופן יעיל יותר, כדי ליצור את השלבים של מערכת יחסים יעילה, באופן יעיל יותר.

הגדלת מספר יעיל של חוטים ספאריים

במערכת MIMO קונבנציונלית, מספר זרמים מרחביים עצמאיים מוגבל על ידי המינימום של מספר השידור ולקבל אנטנה, כמו גם את הדירוג של ממטריקס ערוץ. RIS יכול להגדיל באופן מלאכותי את הדירוג של הערוץ על ידי הצגת נתיבי הפצה חדשים.כל אלמנט RIS יכול לפעול כמו רסיסים חשמליים או קוגניטיבי יותר, ביעילות להכפיל את מספר רכיבי פתרון רב-פת עם שלב זה, אופטימיזציה מסיבית במיוחד עם בסיס זה יכול לספק תנאים ספאריים או קבוע יותר מאשר RIS.

אנרגיה ועוצמה ניכוי

אחד היתרונות המשכנעים ביותר של שילוב RIS עם מערך אנטנה הוא הפוטנציאל לחיסכון באנרגיה משמעותי.מדן מסורתי דורש תחנת הבסיס להגביר את כוח השידור שלה כדי להתגבר על אובדן הנתיב כאשר הקישור הישיר הוא חלש.על ידי הצבת RIS ליד המשתמשים, תחנת הבסיס יכולה להוריד את הכוח תוך כדי הסתמכות על RIS כדי לרכז את האות.

השוואתיות Mitigation ו-ספאטלטל

בפריסה צפופה, התערבות משותפת היא צוואר בקבוק גדול.אנטנה מערך יכול להשתמש אפס-forcing או טכניקות אחרות למניעת התערבות כלפי משתמשים ספציפיים, אבל מספר האפסים שוב מוגבל על ידי דרגות החופש. RIS יכול לעזור על ידי פיסול של יחסי הנקה בלבד (RNRconfiging את פני השטח כדי לשקף אותות מ uninteds או לספוג על ידי כיוונים מסוימים של אנרגיה לא יכול ליצור אותות מנטרקטיביים) או לבטל את האופטימיזציה של כוח משותף.

היתרונות העיקריים של RIS-Enhanced Antenna Arrays

מעבר למנגנונים הטכניים, השילוב מציע יתרונות ברורים ברמת המערכת:

• (ב) ההרחבה:0 (Coverage Extension: FLT:1 RIS יכול למלא אזורי צל ולהרחיב את טווח ההגעה של תחנת בסיס ללא תשתית פעילה נוספת.זה קריטי לחיבור אזורים מרוחקים או חסרי ערך עלות באופן יעיל.
• (FLT:0)Imrovated Spatial Reuse:cioFLT:1 על ידי בדיוק אותות, RIS מאפשר שימוש בתדירות אגרסיבי יותר, הגדלת יכולת הרשת הכוללת ללא ספקטרום נוסף.
• (FLT:0)Lower Latency:FLT:1 עם קישורים חזקים יותר, אמינים יותר, רנסנסרים מצטמצם, צמצום הגמישות מקצה לקצה עבור יישומים כמו נהיגה אוטונומית וטלמדיקים.
• (FLT:0) אינטגרציה ללא קשר עם mMIMO:BuildFLT:1) RIS ניתן לטפל כחלק מהסביבה להפצת רדיו, הדורשת שינויים בממשק האוויר מסיבי של MIMO אם נעשה שימוש בטכניקות estimation ערוץ מתאימות.
• (FLT:0) איכות ועלויות:FLT:1 כי RIS הם פסיביים וניתן להדפיס אותם על תת-שכבות גמישות, הם עשויים להיות הרבה יותר זולים למטר רבוע מאשר תאים קטנים פעילים.זה הופך אותם מתאימים לפריסות בקנה מידה גדול על בניית קירות, חלונות, ריהוט רחוב.

דרישות מפתח של RIS-Enhanced Antenna Arrays

הסינרגיה בין RIS ואנטנות פותחת אפשרויות חדשות במספר תחומים.

5G-מתקדמים ו-6G Networks

גופי התקנים כגון 3GPP ו- הדור הבא של רשתות סלולריות (NGMN) כבר לומדים RIS כטכנולוגיית מועמדת עבור מעבר 5G. בשחרור 18 ומעבר, RIS יכול לשמש לשיפור הכיסוי בתוך נקודות חמות, להרחיב את סיקור מ"מWave סביב מכשולים, ולשפר את יעילות האנרגיה ברשת. עבור 6G, RIS צפויים להיות הליבה של אמצעי תקשורת תת-TH, שבו יש צורך מאוד לחץ גבוה על ידי מערכת יחסים גבוהה.

ניווט ומקומיזציה

RIS יכול לשמש גם עוגן עבור חישה פסיבית.אנטנה מערך בתחנה הבסיס משדר אות ידוע; RIS משקף אותו מכיוונים שונים המבוססים על התצורה שלה.על ידי עיבוד הדים שהתקבלו באותו מערך, המערכת יכולה להפר את נוכחות, מיקום, ואפילו תנועה של אובייקטים מאחורי קירות או באזורים שאינם קו-ממבט.זה יש יישומים בבניינים חכמים, אבטחה, וחייבת ניטור של משתמשים ללא כל מכשיר.

Vehicular Communications (V2X)

סביבות מהירות גבוהה vehicular סובלים מריאציות ערוץ מהיר ופרסום תכופים, במיוחד בתדרים מ"מ וייב. RIS על סימני כביש, גשרים, או מבנים יכולים לעקוב באופן דינמי אחר כלי רכב נעים ופניית מחדש ממערך אנטנה בצד הכביש לכיוון המכונית.זה יכול לשמור על קשר יציב עבור יישומים V2X כגון platooning, התנגשות, מניעת, ו High-defindefinition מפות נמוכה.

תקשורת אווירית ולוויינים

ברשתות לא-ארציות (NTN), לווייני חשמל ורחפנים נמוכים (LEO) משתמשים במערך אנטנה כדי להיותם אותות למשתמשי קרקע, עם זאת, תנאים אטמוספריים ושטח יכולים לקלקל את הקישור. RIS מבוסס קרקע יכול לשנות את הכיוון המתקבל או אפילו לפעול כאותת מידה גדולה של מטה-קרקע.

ייצור חכם ותעשייה 4.0

בתוך מפעלים, מערך אנטנה מסיבי על תקרה יכול להיאבק כדי לשמור על קשרים אמינים עקב העברת מכונות ומשטחים מתכתיים. RIS להציב על קירות או גופי מכונה ניתן לתכנן כדי לנווט אותות סביב מכשולים, להבטיח קישוריות חזקה רובוטים אוטונומיים, רשתות חיישן, וממשקי מציאות מוגברת.יעילות האנרגיה של RIS גם תואם עם מטרות ייצור ירוק של תעשייה 4.0.

אתגרים ומחקר גבולות

למרות הסיכויים המבטיחים, יש להתגבר על כמה אתגרים טכניים ומעשיים לפני ש-RIS הם פרוצים באופן נרחב.

עיבוד ערוצים ואופטימיזציה של שלב

כדי לממש את היתרונות של RIS, הן תחנת הבסיס והן את RIS חייב לדעת את הערוצים לכל המשתמשים. עם זאת, כי RIS הוא פסיבי, זה לא יכול לשדר טייסים. חוקרים הציעו מסגרות estimation ערוצים שונים - כגון על / מעבר של אלמנטים, ניתוח דחוס של צנזורה, ואופטימיזציה עמוקה של זמן למידה - אבל אלה דורשים לעתים קרובות גבוה יותר ויותר רגישים ללקות בסביבה ניידת, שבו משתמשים משתנים לעתים קרובות צריך להיות לחץ חזק יותר.

מגבלות קשות וייצור

כל אלמנט RIS צריך להיות נשלט באופן אמין, אבל מספר ה- FPGA (בעיקר מאות מטרים רבועים) מציג מורכבות חיבור בין-קשר לבקר (למשל, FPGA) או מעבד מרכזי חייב להיות מתוכנן בזהירות להימנע התערבות פיזית עם הביצועים האלקטרומגנטיים. RIS הנוכחי להשתמש בטכניקות ייצור יקר, גבוה, כי הם עדיין לא ניתן ל- מפרש נמוך חומרים אלקטרוניים.

שילוב עם קיימות תשתיות

מפעילי רשת זהירים באופן טבעי על פריסת חומרה חדשה שעשויה להיות Plug-and-play. RIS צריך ממשק עם תחנות בסיס קיימות רשתות הליבה מבלי לדרוש פרוטוקולים קנייניים.רשת Open Radio Access (O-RAN) אדריכלות עשויה לספק מסלול, שבו בקרים של RIS פועלים כנקודות קצה בתוך הבקר האינטליגנטי (RIC) מאמצי סטנדרטיזציה של קבוצות כמו IEEE ו-RIS Alliance הם בדרך, אבל הזמן הוא גם לא ברור של הסביבה.

איומים על אבטחה ושכבת

מכיוון ש-RIS יכול להיות מתוכנת על ידי בקר חיצוני, הם מציגים משטח התקפה. An ⁇ יכול לתפעל את פני השטח אותות ריבק, eavesdrop ביעילות רבה יותר, או ליצור השתקפות כוזבת עבור ה Localization.השלמות של ערוץ הבקרה בין הרשת לבין RIS הוא קריטי ולכן אימות קל משקל ותכניות הצפנה עבור פיקוד RIS ושליטה הם תחום פעיל של מחקר נוסף, האופי הפסיבי של RIS גורם להם לזהות אותם באופן פעיל, אם הם לא מסבך, אם הם לא מסבך באופן פעיל.

שיקולים ספקטרום וספקולציות

RIS משקף אותות שכבר נמצאים בספקטרום מורשה; הם אינם מייצרים פליטות חדשות.עם זאת, הרגולטורים (כגון FCC, CEPT, ITU) עשויים להיות צריכים להבהיר כי ניתוח RIS אינו מפר את כללי השימוש ספקטרלי או דורש רישיון נוסף.לדוגמה, אם RIS משקף אות מתחנת הבסיס של רשת סלולרית, הגל המשתקף עדיין שייך לתאים מסוימים, אך עשוי לשמש לחששות של תפקוד באופן פעיל.

אפשרויות עתידיות ו- Outlook

השילוב של משטחים אינטליגנטיים ומערך אנטנה אינו רק שיפור שלב מצטבר; הוא שינוי פרדיגמטי כיצד אנו מעצבים רשתות אלחוטיות, במקום להפוך את הטרנזיום ליותר מורכב, אנו יכולים כעת להנדס את הסביבה עצמה עד שנת 2030, אנו עשויים לראות בקרים סטנדרטיים של RIS משובצים בתשתיות עירוניות, תקשורת עם תחנות בסיס מסיביות באמצעות ה- ORAN-R.

כיוון מרגש נוסף הוא השילוב של RIS עם גישה מרובה (NOMA) ומערך אנטנה דו-פעמי מלא.היכולת לשקף אותות בעת קבלת משתמשים פותחת אסטרטגיות ביטול התערבות חדשניות. במקביל, החוקרים חוקרים חוקרים חוקרים ארכיטקטורות אולטרה-מסיביות המכילות אלפי אלמנטים אנטנה - אבל צריכת הכוח של רשתות RF פעיל הופכת למניעה.

בסופו של דבר, אימוץ נרחב של RIS תלוי בהפיכת החזר ברור על ההשקעה ביחס חלופות כמו משחת תאים קטנים או שדרוג ל- MIMO מסדר גבוה יותר עבור מפעילי, הצעת הערך חזקה ביותר בסביבה מוגבלת כיסוי (למשל, כיסוי עמוק מקורה, מנהרות, אצטדיוןים) ובפריסות רגישות באנרגיה (למשל, ראשי רדיו מרחוק סוללות).

מסקנה

משטחים חכמים הניתנים להגדרה מייצגים התקדמות בסיסית בטכנולוגיה אלחוטית, המאפשרת אנטנות לייצב את המגבלות הפיזיות המסורתיות שלהם.על ידי הפיכת סביבת הקידום מעומס פסיבי לתוך משאב פעיל, RIS יכול להגביר את עוצמת האות, להרחיב כיסוי, להפחית את צריכת האנרגיה ולשפר את מספר ה-RIS, בעוד אתגרים משמעותיים נשארים בתאים מתקדמים, עלות, סטנדרטיזציה, אבטחה, ופעולות מחקר מתמשך בעולם הן מהירות, כמו גם את השינויים המהירים, כמו גם את השינויים המהירים של מערכות המידע, כמו גם עם ביצועים מתקדמים.

(ב) לקריאה נוספת על יסודות המחקר האחרון, ראה את מדריך המגזין IEEE Communications ב-RIS (2021) (FLT:0)(link) Figve 1, סקר מקיף על פני השטח של ווה וג'אנג FLT:2(link) FigLT 3: ו- 6G White Paper from the Hexa-XFLT:4(LT:2(R) LT:2(D) ,2(D) , אשר עשה את ה-D) לטעינהלו מקורות מתמטיים, אשר עשו זאת תחת ה-D) ו-D) , אשר עשו זאת, ו-D.