מערכות תקשורת אלחוטיות נמצאות תחת לחץ מתמיד לספק שיעורי נתונים גבוהים יותר, שקיפות נמוכה יותר, וחיבורים אמינים יותר.מספר רב של טכנולוגיה אלחוטית (MIMO) אשר משתמשת אנטנה מרובים הן משדר ו המקלט, כבר אבן הפינה של התקדמות זו.עם זאת, אפילו מערכות MIMO ניתן להידרדר על ידי מכשולים פיזיים, ריבוי פיגור, והתערבות חכמה.

הבנה חכמה של משטחים (IRS)

משטח הרהורים אינטליגנטי, הידוע גם כמשטח אינטליגנטי אמין מחדש (RIS), הוא מבנה תכנון מעשה ידי אדם המורכב מרכיבים קטנים, זולים פסיביים פסיביים. כל אלמנט יכול להתאים באופן עצמאי את השלב, amplitude, או שניהם של תדר רדיו אירוע (RF) אות שליטה על אלמנטים אלה באמצעות בקר תוכנה, פני השטח יכול לשקף אותות בכיוון הרצוי או אפילו לשלב השתקפות כדי ליצור הפרעות קונסטרוקטיביות מעגליות ספציפיים.

הרעיון המרכזי הוא להתייחס אל פני השטח עצמו כאמצעי תקשורת אינטליגנטי שיכול "לבטל" את הערוץ האלחוטי.במקום להתייחס להפצת אות כסביבה קבועה, IRS עושה את הסביבה ניתן לתוכנת.יכולות אלה בעלות ערך מיוחד בלהקות גבוהות (למשל, גלי מילימטר ו sub-THz) שבו אות אטמומנט הוא קו רציני וכבד של הראייה (שרוב) הם חסומים.

כיצד IRS משפר את איכות האות MIMO

מערכות MIMO מנצלות מספר עצום של צורות מרחביות ומודיעות להגדיל את היכולת והאמינות.הצלחת MIMO תלויה בעושר של סביבת הקידום - ספציפית, הזמינות של נתיבי אות עצמאיים מרובים.כאשר הערוץ חסר מספיק פיזור (למשל, במסדרונות, משרדים מקורה או איצטדיון), ביצועי MIMO מתייחסות ישירות לכך על ידי יצירת מגבלה מלאכותית ומתפזרים אותות לכיוון המקלט.

בתרחיש טיפוסי של MIMO-IRS, פני השטח ממוקמים על קיר, תקרה, או אפילו פלטפורמה ניידת.תחנת הבסיס MIMO שולחת אותות שאחרת יחמיצו את המשתמש; IRS לוכד את האותות האלה ומשקף אותם עם שינויים שלב מותאם אישית.האפקט המשולב ב המקלט הוא אות חזק יותר וממוקד יותר.

שיפורים מרכזיים כוללים:

  • (ה)הסבר:0) הוכח את SNR ב- Non-Line-of-Sight (NLOS) תנאים: FLT:1 על ידי הפניית אותות סביב מכשולים, IRS יכול להפוך את הקישור החלש NLOS לחיבור חזק, במיוחד קריטי בקניונים עירוניים ובסביבות מקורה.
  • (FLT:0) דיכוי של קו-Channel Interference:FLT:1 IRS ניתן לתכנת כדי לשקף את אותות ההפרעה של משתמשים או כדי ליצור אפסים, צמצום התא הבין-אי והתערבות תאית בפריסות MIMO צפופות.
  • (FLT:0) מעלות של חופש: ההרחבה 1 (IRS) מוסיפה למעשה את מספר הדרכים הווירטואליות בעלות שליטה, ומאפשרות מערכות MIMO להשיג הישגים מרובים מרחביים גבוהים יותר גם כאשר מספר האנטנה הפיזית מוגבל.

מכניזם טכני: שלב Shift Control ו- Channel Estimation

הביצועים של IRS-Aided MIMO hings על אופטימיזציה מדויקת ערוץ ואופטימיזציה של שלב. כי אלמנטים IRS הם פסיביים, הם לא יכולים לעבד או להגביר אותות; הם רק לשקף.זה מציג אתגר: כיצד להעריך את הערוץ בין תחנת הכוח, IRS, ואת המשתמש בדרך כלל, תחנת הבסיס שולח אותות טייס, ואת המשתמש משמש במשותף כדי לייעל את תחנות הבסיס להיות משקף לעתים קרובות.

(ב) ⁇ (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

היבט חשוב נוסף הוא האדריכלות של ההרחבה:0 (FLT:0) חומרה (FLT:0) חומרה חשובה נוספת היא ארכיטקטורת ארכיטקטורת ההשתקפות: חלק מהעיצובים משתמשים גבישים נוזליים לשליטה אנלוגית.מספר המרכיבים יכול לנוע בין מאות לעשרות אלפי, עם צריכת החשמל הכוללת שנותרה הזמנות של גודל מתחת למערך פעיל.

יישומים של IRS ב MIMO Networks

5G ומעבר 5G (B5G) Deployments

5G רדיו חדש (NR) כולל תצורה MIMO עד 64×64 בתחנות בסיס.עם זאת, להקות גלי מילימטר (2-52 GHz) סובלים מחסימה חמורה.IRS ניתן לפרוס על חזיתות בנייה, לוחות מודעות ו- Streetlamps כדי ליצור "משקפים חכמים" וירטואליים המשתרעים כיסוי לאזורים צלפים.זה הוא בעל ערך במיוחד עבור תרחישים מחוץ לדלת שבו יש להעביר אותות דרך קירות.

Indoor Wireless Local Area Networks (WLAN)

במשרדי הארגון, שדות תעופה וקניונים, Wi-Fi מבוססי MIMO (למשל, Wi-Fi 6/6E) יכול להיאבק עם אזורי מת שנגרמו על ידי מחיצות מתכת או עמודות קונקרטיות. לוחות IRS רכובים על תקרה או קירות יכולים לנווט באופן דינמי אותות כדי לשרת משתמשים בפינות מאתגרות, שיפור באמצעות חישוב של 30–50% במבחנים שדה ראשוני.

Vehicular Communications (V2X)

יחידות Roadside מצוידות ב- IRS יכולות לסייע לרכבים מצוידים על ידי השתקפות של אותות סביב bends, מבנים, או משאיות גדולות.זה משפר את האמינות של תפיסה שיתופית והודעות בטיחות בסביבות בעלות גבוהה.

רשתות קטנות MIMO ו- Cell-Free Networks

באדריכלות ללא תאים עתידיים, מספר נקודות גישה מבוזרות לשתף פעולה כדי לשרת משתמשים. IRS יכול לפעול כמו מספר קטן של מספר קטן של אנטנה פעילה כדי לחקות מערך גדול יותר של MIMO. החוקרים הראו כי אפילו קטן IRS (100 אלמנטים) יכול להכפיל את היעילות הקיבוצית של מערכת ללא תאים.

אתגרים ומגבלות

בעוד IRS מבטיח רווחים משמעותיים, מספר אתגרים נותרו לפני אימוץ נרחב:

  • (FLT:0)הנדל אסתמיזציה מעל ראש: קיד 1) ,מדמים את הערוץ BS-IRS-משתמש דורש זמן ומשאבים, במיוחד עבור משטחים גדולים.
  • (FLT:0) מורכבות ו- Calibration:cioFLT:1) כל אלמנט חייב להיות בדיוק מכוונן כדי להשיג השתקפות קוהרנטית.ייצור סובלנות, סחף טמפרטורה, והזדקנות יכול להפיג את הביצועים.
  • (FLT:0)Half-Duplex Constraint: ⁇ 1) מאחר ש-IRS רק משקף ואינו יכול להגביר, תקציב הקישור הכולל עדיין אינו מספיק למרחקים ארוכים.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם פרוטוקולים קיימים:BuildFLT:1 , הסטנדרטים האלחוטיים הנוכחיים לא נועדו עם IRS בראש. Modifications לתזמון, ניהול קרן באם, ומנגנוני משוב נדרשים.

תחזית: פני השטח החכמים כמהפכת מטא-חומר

במבט קדימה, IRS צפוי להתפתח ממשקפים פסיביים פשוטים כדי להגדיר מחדש לחלוטין (FLT:0 סביבות רדיו חכמות FLT:1 ).זה כולל משטחים שיכולים לספוג, לקוטב, או אפילו לשנות מידע על אותות משתקפים משתקפים.ההתכנסות של IRS עם תקשורת terahertz, שבו אפילו מכשולים זעירים לגרום לנפיחות חמורה, יכול לפתוח ספקטרום חדש עבור 6G.

מנגנוני סטנדרטיזציה, כגון ETSI ו- 3GPP, החלו ללמוד פריטים על פני השטח האינטליגנטיים הניתנים להגדרה מחדש לשחרור 18 ומעבר לכך, שיתוף פעולה בתעשייה גם מאיץ: FLT:0ErealCOMFLT:1 ו-FLT:2NTTFLT:3 הוכיחו אבטיפוס בזמן אמת, בעוד חברות סטארט-אפ כמו PLT:4 אנטמול 5.

בסופו של דבר, IRS מציע שינוי פרדיגמטי: במקום להילחם בסביבה האלחוטית, אנו יכולים לעצב מחדש את זה.עבור מערכות MIMO, זה אומר איכות אות גבוהה יותר, צריכת אנרגיה נמוכה יותר, וכיסוי אחיד יותר.כפי שהטכנולוגיה מתבגרת, אנו יכולים לצפות ש-IRS יהיה כלי סטנדרטי בארסנל של מהנדס אלחוטי, משלימים את MIMO כדי לספק את רשתות הגמישות, גבוהות מאוד, הדורשות בעשור הבא דרישות.

לקריאה נוספת, מתייחס לסקירה מקיפה של ההרחבה:0 [Ranzo et al. (2023) וגיליון מיוחד של IEEE Communications Magazine ב RIS (2021).משאבים אלה מספקים לצלולות עמוקות אל היסודות המתמטיים ואימותים ניסיוניים של מערכות IRS-Aided MIMO.