無線通信システムは、より高いデータレート、レイテンシの低下、およびより信頼性の高い接続を提供するために一定の圧力下にあります。 複数の入力複数の出力(MIMO)技術は、送信機と受信機の両方で複数のアンテナを使用する、この進捗状況の角線となっています。 しかし、MIMOシステムでさえ、物理的な障害、マルチパスのフェーディング、および干渉によって劣化する可能性があります。 インテリジェントリフレクションサー(IRS)は、放射線環境自体を再構築するための新しいアプローチとして現れ、MIMOシステムが、MIMOの効率的な動作や、MIMOの効率性向上のための重要なネットワークを向上させるための費用対効果の高い機能を提供します。

インテリジェントな反射面(IRS)の理解

インテリジェントな反射面、再構成可能なインテリジェント表面(RIS)とも呼ばれ、多くの小型で低コストのパッシブ要素で構成された人造の平面構造です。各要素は、独立してフェーズ、振幅、またはインシデント無線周波数(RF)信号の両を調整することができます。ソフトウェアコントローラを介してこれらの要素を制御することによって、表面は、特定の受信機で建設的な干渉を作成するために、反射を反射することも可能です。従来のリレーやリピータとは異なり、IRSは、パワーアンプやパワーアンプを制限する必要はありません。

コアの考え方は、無線チャネルを「彫刻」することができるインテリジェントな仲介物として表面自体を治療することです。 信号伝搬を固定環境として扱う代わりに、IRSは環境をプログラム可能にします。 この機能は、信号減衰が重くなり、線路(LOS)経路が頻繁にブロックされる高周波数帯域(ミリ波およびサブTHz)において特に価値があります。

IRSがMIMO信号の品質を向上させる方法

MIMOシステムは、容量と信頼性を高めるために空間の多重化とビームフォーミングを利用しています。MIMOの成功は、特定の複数の独立した信号経路の可用性に依存します。チャネルが十分な散乱(例えば、廊下、屋内オフィス、またはスタジアム)を欠いているとき、MIMOのパフォーマンスが低下します。IRSは、人工の散乱と意図した受信機に対する信号を反映することによって、この制限を直接対処します。

典型的なMIMO-IRSシナリオでは、表面は壁、天井、またはモバイルプラットフォーム上に置かれます。MIMOベースステーションは、ユーザーが見逃す信号を送信します。IRSは、これらの信号をキャプチャし、最適化されたフェーズシフトでそれらを反映します。受信機のコンバインド効果は、はるかに強く、より集中された信号です。このプロセスは、パッシブビームフォーミング]として記述することができます。表面は、パワーを完全に調整することなく、エネルギーを反映させます。

主な機能強化には、以下が含まれます。

  • []非線のSNRを非軌道(NLOS)条件で改善しました:[]]]]]障害物の周りの信号をリダイレクトすることにより、IRSは、特に都市の峡谷や屋内環境で重要な、強力な接続に弱いNLOSリンクを回すことができます。
  • []コ・チャネル・インターフェレンス:[]の対応は、ユーザーから離れた干渉信号を反映したり、nullを作成したり、MIMOのデプロイメントでセル間干渉を抑制したりするプログラムが可能です。
  • :Freedomの高度度:[]を効果的に追加すると、MIMOシステムは、物理的なアンテナの数が制限されている場合でも、より高い空間マルチプレックスゲインを達成することができます。

技術的なメカニズム: 段階のシフト制御およびチャネルの推定

IRS-aided MIMO ヒンジのパフォーマンスは、正確なチャンネル推定とフェーズシフト最適化に役立ちます。 IRS 要素がパッシブであるため、シグナルを処理したり増幅したりすることはできません。 それらは反映するだけです。 これは、課題を紹介します。 ベースステーション、IRS、ユーザー間のチャネルを推定する方法は? 通常、ベースステーションはパイロット信号を送信します。そして、ユーザーは、基地局のビームフォーミング重量と IRS フェーズシフトを共同で最適化するためにフィードバックが使用されます。 アルゴリズム、またはディープラーニング方法が異なります。 ディープラーニングは、ディープラーニング方法が異なります。

重要なメトリックは、IRSが提供する信号ゲインです。 ]の面では、Nの要素は、反射信号力は、N]2で理論的にスケールすることができます。 実際には、ゲインは表面のサイズ、要素の間隔、および実用的な組み合わせ、および相互の方向性およびS20の方向性が検出されるように制限されます。

もう一つの重要な側面は[のハードウェアアーキテクチャ[です。各IRS要素は、通常、反射係数を調整するために、VaractorダイオードまたはPINダイオードが含まれています。一部の設計では、アナログ制御用の液晶を使用します。要素の数は、アクティブなリレー配列の下の倍率の総電力消費残りの注文で、数百から10秒の範囲で、数千の範囲することができます。

MIMOネットワークにおけるIRSの適用

5G および 5G (B5G) の展開を超えて

5Gニューラジオ(NR)は、基地局で最大64×64までのMIMO構成が含まれています。 しかし、ミリメートル波帯(24〜52GHz)は、重度の閉塞に苦しむ。 IRSは、ファサード、掲示板、およびストリートランプを建設して、影の領域にカバレッジを拡張する仮想「スマートリフレクター」を作成することができます。 これは、特に屋外に屋内のシナリオのために、信号が壁を通過する必要があります。

屋内無線局部ネットワーク(WLAN)

エンタープライズオフィス、空港、ショッピングモール、MIMOベースのWi-Fi(Wi-Fi 6/6Eなど)では、金属製のパーティションやコンクリートの列によって引き起こされるデッドゾーンに苦労することができます。 IRSパネルは、天井や壁に取り付けられた、動的にシスター信号を操作して、ユーザーは、チャレンジングコーナーで30〜50%のスループットを改善することができます。

ヴェフィルコミュニケーション(V2X)

IRSを搭載した道路ユニットは、ベンド、ビル、大型トラックの信号を反射することで、MIMO搭載車両を支援することができます。これにより、高機能環境における協調的な知覚と安全メッセージの信頼性が向上します。

大規模な MIMO およびセルフリー ネットワーク

将来のセルフリーアーキテクチャでは、複数の分散アクセスポイントがユーザーに協力しています。 IRSは低コストの空間マルチプレクサとして機能し、より大きな効果の高いMIMO配列をエミュレートする活性アンテナの数が小さくなります。 研究者は、小さなIRS (100要素)でさえ、細胞フリーシステムのスペクトル効率を倍増させることができます。

課題と限界

IRSは重要な利益を約束する一方で、広範な採用の前にいくつかの課題は残っています。

  • [ チャネル推定オーバーヘッド:[]] カスケードBS-IRS-userチャネルを推定するには、特に大きな表面のために時間とリソースが必要です。 圧縮センシングとディープラーニングは、パイロットオーバーヘッドを減らすために調査されています。
  • ハードウェアの複雑性と校正:[ 各要素は、一貫性のある反射を達成するために正確に校正する必要があります。 製造公差、温度の漂流、および老化は、性能を劣化させる可能性があります。
  • ハーフデュプレックス制約:。 IRSはただ反映し、増幅できないため、全体的なリンク予算は依然非常に長距離に不十分である可能性があります。 しかし、大規模なMIMOとIRSを組み合わせることは、これを克服することができます。
  • 既存のプロトコルとの統合:[ 現在の無線規格は、IRSを念頭に置いて設計されていませんでした。 スケジュール、ビーム管理、およびフィードバックメカニズムの変更が必要です。

未来の展望:メタマテリアル革命としてのインテリジェントな表面

先を見れば、IRSは単純なパッシブ反射器から完全に再構成可能に進化する予定である]スマートラジオ環境]。これは、反射信号に情報を吸収、偏光、またはさらに調整できる表面を含みます。さらに小さな障害物が重なり、6Gの新しいスペクトルバンドをロックする可能性があり、terahertz通信でIRSの収束。

ETSIや3GPPなどの標準化機関は、18以上のリリースのための再構成可能なインテリジェントな表面に関する研究項目を始めました。業界コラボレーションも加速しています。業界コラボレーションも加速しています。EURECOM]と[]]]NTT]]は、スタートアップ企業がPivotal Commwareメタ[FLT:]などのリアルタイムプロトタイプを実証しています。は、無線信号を固定します。

最終的には、IRSはパラダイムシフトを提供しています。ワイヤレス環境と戦う代わりに、それを再構築することができます。 MIMOシステムでは、より高い信号品質、低エネルギー消費、およびより均一なカバレッジを意味します。 テクノロジーが成熟するにつれて、我々は、IISがワイヤレスエンジニアのarsenalで標準的なツールになるように期待することができます、次の10年間要求を超信頼性、高容量ネットワークを提供するためにMIMOを補完します。

更に読むには、 による包括的な概要を参照してください。Denzo et al。 (2023)] および IEEE Communications Magazine の特別号 RIS (2021) 。これらのリソースは、ILS 支援された MIMO システムの数学的基礎と実験的検証に深く潜入します。