무선 통신 시스템은 높은 데이터 속도, 낮은 대기 시간 및 더 안정적인 연결을 제공 할 수 있습니다. 다중 입력 다중 출력 (MIMO) 기술, 송신기 및 수신기에서 여러 안테나를 사용하는이 진행 중의 모서리스톤이되었습니다. 그러나 MIMO 시스템은 물리적 장애, 다중 경로 퇴색 및 간섭으로 분류 될 수 있습니다. 지능형 반사 표면 (IRS)는 라디오 환경 자체를 다시 형성하기 위해 소설 접근으로 출현했으며, 비용 효율적인 동기화 및 MIMO 네트워크의 핵심 요소가없는 핵심 요소가 무엇인지 파악하고, MIMO는 MIMO의 핵심적인 이점을 제공하는 방법을 탐구합니다.

지능형 반사 표면 이해 (IRS)

이 제품은 수많은 소형, 저비용 수동적 요소로 구성된 인공 플래터 구조입니다. 각 요소는 독립적으로 단계, 진폭, 또는 사건 라디오 주파수 (RF) 신호의 둘 다를 조정할 수 있습니다. 소프트웨어 컨트롤러를 통해 이러한 요소를 제어함으로써 표면은 원하는 방향으로 신호를 반사하거나 특정 수신기에서 건설적 방해를 만들 수 있습니다. 전통적인 릴레이 또는 반복기 또는 반복기와 같은 것은 매우 효율적인 전력을 필요로합니다. 이 요소는 IRS (RF)의 전력을 제어하는 데 적합합니다. 이 요소는 매우 효율적인 전력을 공급할 수 있습니다.

이 기능은 무선 채널을 "sculpt"할 수 있는 지적인 중간으로 표면을 자체 대우하기 위한 것입니다. 조정 환경으로 신호 전파를 대우하는 대신, IRS는 환경 프로그램을 가능하게 합니다. 이 기능은 신호 감쇠가 심한 선의 위치 (LOS) 경로가 자주 차단되는 고주파 밴드 (e.g., 밀리미터 파 및 sub-THz)에 특히 귀중한 입니다.

IRS는 MIMO 신호 질을 강화합니다

MIMO 시스템은 용량과 신뢰성을 증가시키기 위해 공간 다중화 및 빔 형성을 적용합니다. MIMO의 성공은 여러 독립적 인 신호 경로의 가용성을 준수하는 번영 환경의 부유함을 의미합니다. 채널이 충분한 스케일을 유지할 때 (예 : 복도, 실내 사무실 또는 경기장), MIMO 성능이 저하됩니다. IRS는 인공 분산 및 반사 신호를 만드는이 제한을 직접 해결합니다.

MIMO-IRS 시나리오에서 표면은 벽, 천장, 심지어 모바일 플랫폼에 배치됩니다. MIMO 기지국은 사용자가 놓을 신호를 보냅니다. IRS는 그 신호를 캡처하고 최적화 된 단계 이동으로 반영합니다. 수신기의 결합 효과는 훨씬 강하고 집중 신호입니다. 이 과정은 [[FLT : 0]]]passive beamforming[[FLT : 1]]- 표면 스티어링은 각 MNRS-NRS 센서를 사용하여 반사되는 전력을 전달하지 않고 에너지로 전환합니다.

주요 증진은 다음을 포함합니다:

  • Non-Line-of-Sight (NLOS) 조건에서 SNR을 개선 :] 장애의 신호를 리디렉션함으로써 IRS는 강력한 연결, 특히 도시 운하 및 실내 환경에 중요한 약한 NLOS 링크를 회전 할 수 있습니다.
  • ] Co-Channel Interference의 억제:] IRS는 사용자가 인터페링 신호를 반영하거나, null을 줄이며, 인터셀과 인트라셀 간섭을 dense MIMO 배포에서 생성할 수 있습니다.
  • Free:] IRS를 효과적으로 증가시키는 것은 통제 가능한 가상 경로의 수를 증가시키고, MIMO 체계가 더 높은 공간 다중화 이익을 달성할 수 있는, 물리적 안테나의 수가 한정될 때.

기술 메커니즘: 단계 교대 제어 및 채널 추정

IRS-aided MIMO 경첩의 성능은 정확한 채널 추정 및 단계 이동 최적화에. IRS 요소가 수동적이기 때문에, 그들은 처리 또는 신호를 증폭 할 수 없습니다; 그들은 단지 반영. 이 도전을 소개합니다: 기지국, IRS 및 사용자 사이의 채널을 추정하는 방법? 일반적으로, 기지국은 파일럿 신호를 보내, 사용자 피드백은 기지국의 빔 형성 무게와 IRS의 단계 변화에 공동으로 최적화하는 데 사용됩니다. Algorithm, 학습 방법, 깊숙한 접근 방식, 깊숙한 학습 방법.

이 모듈은 IRS에 의해 제공된 signal gain]이다. N] 엘리먼트를 가진 표면의 경우, 반사된 신호 전력은 ]N]2를 합합으로 확장할 수 있다. 실제로, 이득은 표면 크기, 요소 간격, 실제적인 constraint와 같은 반복적인 방향을 가진 제한이 있다.

또 다른 중요한 측면은 hardware Architecture입니다. 각 IRS 요소는 일반적으로 반사 계수를 조정하기 위해 varactor 다이오드 또는 PIN 다이오드를 포함합니다. 몇몇 디자인은 아날로그 통제를 위한 액체 결정을 이용합니다. 성분의 수는 유효성 릴레이 배열의 밑에 크기의 총 전력 소비 남아 있는 순서와 더불어 수천의 수백에서 10s까지 배열할 수 있습니다.

MIMO Networks의 IRS 응용

5G 이상 5G (B5G) 배포

5G New Radio (NR)에는 기본 방송국에서 64 × 64까지 MIMO 구성이 포함되어 있습니다. 그러나 밀리미터 웨이브 밴드 (24-52 GHz)는 심한 차단에서 고통받습니다. IRS는 건물 외관, 간판 및 거리 램프에 배치하여 그림자 영역으로 적용을 연장하는 가상 "스마트 반사기"를 만들 수 있습니다. 이것은 신호가 벽을 통과해야하는 실외 대문자에 특히 유용합니다.

실내 무선 지역 네트워크 (WLAN)

기업 사무실, 공항 및 쇼핑몰에서 MIMO 기반 Wi-Fi (예 : Wi-Fi 6/6E)는 금속 파티션 또는 콘크리트 열에 기인 한 죽은 영역으로 투쟁 할 수 있습니다. IRS 패널 천장에 장착 또는 벽은 실제로 도전적인 구석에서 사용자를 봉사 할 수 있으며 초기 현장 테스트에서 30 ~ 50 %의 처리량을 향상시킵니다.

수직 통신 (V2X)

IRS를 장착한 도로변 단위는 굴곡, 건물, 대형 트럭의 주위에 신호를 반영하여 MIMO-equipped 차량을 지원할 수 있습니다. 이것은 높은 이동성 환경에 있는 협력적인 인식 그리고 안전 메시지의 신뢰성을 강화합니다.

대규모 MIMO 및 Cell-Free 네트워크

미래의 셀 프리 아키텍처에서 여러 분산 액세스 포인트는 사용자에게 협력 할 수 있습니다. IRS는 훨씬 더 큰 효과적인 MIMO 배열을 에뮬레이션하기 위해 활성 안테나의 작은 수를 허용하는 저비용 공간 멀티 플렉스러 역할을 할 수 있습니다. 연구자들은 심지어 작은 IRS (100 요소) 셀 프리 시스템의 스펙트럼 효율을 두 배로 줄 수 있음을 보여주었습니다.

도전과제

IRS는 상당한 이득을 약속하지만, 몇 가지 도전은 광범위한 채택 전에 남아있다:

  • Channel Estimation Overhead: 캐스케이드 BS-IRS-user 채널을 평가하는 것은 시간과 자원이 필요하며 특히 큰 표면에 대한. 압축 감지 및 딥러닝은 파일럿 오버 헤드를 줄이기 위해 결정된다.
  • Hardware Complexity and Calibration: 각 요소는 일관성 반사를 달성하기 위해 정확하게 측정되어야 합니다. 제조 공차, 온도 편류 및 노화는 성능이 향상 될 수 있습니다.
  • Half-Duplex Constraint: IRS만 반영하고 증폭할 수 없기 때문에, 전체 링크 예산은 여전히 장거리에 충분할 수 있습니다. 그러나, 다량 MIMO와 IRS를 결합하면 이것을 극복할 수 있습니다.
  • Existing Protocols: 현재 무선 표준은 IRS와 함께 마음으로 설계되지 않았습니다. 스케줄링, 빔 관리 및 피드백 메커니즘에 대한 수정이 필요합니다.

미래 전망: Metamaterial Revolution으로 지능형 표면

IRS는 간단한 수동 반사체에서 완전히 재구성할 수 있는 ] 똑똑한 라디오 환경]에 진화할 것으로 예상됩니다. 이것은 흡수할 수 있는 표면, 편광하거나, 또는 반사된 신호에 정보를 개조합니다. terahertz 커뮤니케이션을 가진 IRS의 융합은, 비록 작은 장애가 가혹한 퇴색을 일으키는 원인이 되는, 6G를 위한 새로운 스펙트럼 밴드를 자물쇠로 열 수 있었습니다.

ETSI 및 3GPP와 같은 표준화 기관은 출시 18 이상에 대한 재 구성 가능한 지능형 표면에 대한 연구 항목을 시작했다. 산업 협력은 또한 가속 : [[FLT : 0]]EURECOM[FLT : 1] 및 [[FLT : 2]]NTT[[FLT : 3]]]는 실시간 프로토 타입을 입증했으며, [[FLT : 4]]Pivotal CoLT : 5] [FLT : 5]]] 무선 안테나에 대한 액세스는 무선 안테나에 대한 액세스를 배포합니다.

IRS는 극적으로, IRS는 기체 이동을 제안합니다: 무선 환경을 싸우기 대신, 우리는 그것을 reshape 할 수 있습니다. MIMO 체계를 위해, 이것은 더 높은 신호 질, 더 낮은 에너지 소비 및 더 획일한 적용을 의미합니다. 기술 성숙한으로, 우리는 무선 엔지니어의 비소에 있는 표준 공구가 되고, MIMO를 보완해서 다음 10년 수요가 있는 초 믿을 수 있는, 고용량 네트워크 전달하기 위하여 IRS가 될 것을 기대할 수 있습니다.

더 읽기를 위해, ]Di Renzo et al. (2023)] 및 RIS (2021)에 IEEE Communications Magazine 특수 이슈에 대한 종합적인 개요를 참조합니다. 이 자료는 IRS-aided MIMO 시스템의 수학 기반 및 실험적 검증에 대한 깊은 다이빙을 제공합니다.