Использование реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей для повышения возможностей антенных лучей

Введение: следующий скачок в беспроводных коммуникациях

Неустанный спрос на более высокие скорости передачи данных, более низкую задержку и повсеместное подключение раздвигает границы обычных беспроводных систем. В то время как многовходные многовходные антенные массивы MIMO стали краеугольными камнями современных сетей 5G, их производительность в основном ограничена физической средой. Здания, местность и движущиеся препятствия рассеивают, отражают и поглощают радиоволны способами, которые часто находятся вне контроля системы. Перенастраиваемые интеллектуальные поверхности (RIS) предлагают преобразующую парадигму: вместо того, чтобы рассматривать среду распространения как статическое препятствие, RIS превращает ее в программируемый актив. Покрывая стены, фасады и даже внутренние поверхности недорогими, почти пассивными элементами, которые могут динамически манипулировать электромагнитными волнами, RIS может значительно расширить возможности существующих антенных массивов. Эта статья обеспечивает углубленное исследование того, как работает RIS, их специфическая синергия с антенными массивами, а также технические, экономические и исследовательские проблемы, которые остаются до широкого распространения.

Что такое перенастраиваемые интеллектуальные поверхности?

По своей сути, реконфигурируемые интеллектуальные поверхности представляют собой двумерные массивы субволновых блок-ячеек — часто называемых метаатомами — которые можно индивидуально контролировать для изменения амплитуды, фазы или поляризации падающих электромагнитных волн. В отличие от традиционных реле, которые требуют активных радиочастотных (RF) цепей, усилителей мощности и сложной обработки базовой полосы, RIS в значительной степени пассивны. Они отражают или преломляют сигналы с минимальным потреблением энергии, требуя только небольшого количества энергии для настройки схемы управления каждым элементом. Этот маломощный, недорогой профиль делает RIS особенно привлекательным для плотного развертывания в городских и внутренних средах.

Реконфигурируемость достигается за счет настройки элементов, таких как PIN-диоды, варакторы или микроэлектромеханические системы (MEMS), встроенные в каждую ячейку блока. Изменяя напряжение смещения или ток, приложенный к этим компонентам, поверхность может переключаться между различными состояниями импеданса, тем самым изменяя фазовый сдвиг, передаваемый отраженной волне. Расширенные конструкции RIS также могут регулировать амплитуду отражения (например, от полного отражения до частичного поглощения) и даже перенастраивать поляризацию исходящей волны. Это мелкозернистое управление позволяет поверхности действовать как лучообразитель, пассивная фазированная матрица или даже программируемая маска рассеяния.

Важно отличать RIS от других технологий, таких как интеллектуальные всеповерхности и реконфигурируемые рефлектарные решётки. В то время как рефлектарный решётка обычно имеет фиксированный фазовый профиль для конкретного направления, RIS может изменять свой профиль в режиме реального времени, адаптируясь к изменениям канала. Другая связанная концепция — большая интеллектуальная поверхность (LIS), которая часто подразумевает активную обработку сигналов; RIS, напротив, преимущественно пассивны и отражают сигналы без декодирования или усиления их. Эта пассивность дает RIS явное преимущество в энергоэффективности и стоимости по сравнению с реле и небольшими ячейками, особенно в ситуациях, когда поддерживающая инфраструктура может быть переоборудована на существующие поверхности.

Как RIS улучшает возможности антенных массивов

Антенны — будь то на базовой станции или на пользовательском терминале — предназначены для формирования пучков, управления этими пучками и достижения пространственного мультиплексирования. Однако их производительность сильно зависит от условий прямой видимости (LoS) и богатства среды рассеяния. RIS увеличивает эти возможности несколькими фундаментальными способами.

Преодоление ограничений прямой видимости

Когда препятствие блокирует прямой путь между антенной решеткой базовой станции и пользовательским устройством, обычные массивы страдают от серьезной потери пути и ухудшения пространственных степеней свободы. Стратегически размещенный RIS может установить виртуальную связь LoS, отражая сигнал вокруг препятствия. Программируя поверхность для создания сильного, согласованного отражения в направлении предполагаемого приемника, эффективный канал становится таким же хорошим, а иногда и лучше, чем заблокированный прямой путь. Это особенно ценно в городских каньонах, где здания создают мертвые зоны, или в закрытых помещениях, таких как склады и стадионы, где большие объекты вызывают частое затенение.

Формирование луча и управление лучом без активных цепей RF

Традиционные антенные решетки полагаются на фазовые сдвигатели и усилители переменного усиления для управления лучами. Число управляемых лучей ограничено количеством RF-цепей. RIS, напротив, можно рассматривать как большой пассивный фазированный массив, который работает в области отражения. При регулировке фазы сотен или тысяч метаатомов RIS можно запрограммировать на отражение входящей волны от базовой станции в узкий луч, направленный на пользователя, эффективно создавая узконаправленную линию. Поскольку RIS расположен ближе к пользователям, он может преодолеть потерю пути, которая в противном случае ограничивала бы усиление массива. Более того, несколько RIS могут работать совместно для формирования распределенных сетей формирования луча, что позволяет покрывать области, где будет бороться одна антенная решетка.

Увеличение эффективного числа пространственных потоков

В обычной системе MIMO количество независимых пространственных потоков ограничено минимумом количества передающих и принимающих антенн, а также рангом канальной матрицы. RIS может искусственно повышать ранг канала за счёт введения новых путей распространения. Каждый элемент RIS может выступать в качестве управляемого рассеивателя, эффективно умножая количество разрешимых многолучевых компонентов. При тщательной фазовой оптимизации массивная базовая станция MIMO, оснащенная RIS, может поддерживать большее количество одновременных пользователей или доставлять более высокие показатели на пользователя, чем эквивалентная система без RIS. Это особенно выгодно в средах, которые по своей природе скудны в плане рассеивателей, таких как сельские или открытые развертывания.

Энергоэффективность и снижение мощности

Одним из наиболее убедительных преимуществ интеграции RIS с антенными решетками является потенциал для значительной экономии энергии. Традиционное формирование луча требует, чтобы базовая станция увеличивала мощность передачи для преодоления потери пути, когда прямое соединение слабо. Размещая RIS рядом с пользователями, базовая станция может снизить свою мощность, полагаясь на RIS для концентрации сигнала. Поскольку элементы RIS потребляют микроватты каждый (по сравнению с ваттами для активной RF-цепи), общее потребление энергии сети может резко снизиться. Моделирование и ранние опыты прототипа показывают, что сети с поддержкой RIS могут достичь того же покрытия с 30-50 % меньшей мощностью базовой станции - критический фактор для устойчивых сетей 5G-Advanced и 6G.

Смягчение помех и пространственное нульирование

В плотных развертываниях интерференция по каналам является основным узким местом. Антенные массивы могут использовать нулевые или другие методы предварительного кодирования для нулевых помех конкретным пользователям, но количество нулей снова ограничено степенями свободы. RIS может помочь, создавая среду распространения. Конфигурируя поверхность для отражения сигналов от непреднамеренных приемников или поглощая энергию в определенных направлениях, RIS может создавать пространственные нули, которые дополняют собственные возможности нуллинга массива. Эта совместная оптимизация предкодирования антенной решетки и матрицы фазового сдвига RIS дает более высокие отношения сигнал-интерференция-плюс-шум (SINR), чем любая из технологий в одиночку.

Основные преимущества RIS-усиленных антенных лучей

Помимо технических механизмов, комбинация предлагает очевидные преимущества на системном уровне:

Основные применения RIS-усиленных антенных лучей

Синергия между RIS и антенными массивами открывает новые возможности в нескольких областях.

5G-продвинутые и 6G-сети

Стандартные органы, такие как 3GPP и альянс Next Generation Mobile Networks (NGMN), уже изучают RIS как технологию-кандидат для выхода за пределы 5G. В выпуске 18 и за его пределами RIS можно использовать для улучшения покрытия в крытых горячих точках, расширения покрытия mmWave вокруг препятствий и повышения энергоэффективности сети. Для 6G RIS, как ожидается, станет основным фактором обеспечения связи с суб-THz, где потери пути чрезвычайно высоки, а направленные лучи необходимы. Благодаря развертыванию больших панелей RIS в средах умного города антенные массивы базовых станций могут достичь высокого усиления, необходимого для закрытия бюджета связи на частотах выше 100 ГГц.

Беспроводное зондирование и локализация

RIS также может служить программируемыми якорями для пассивного зондирования. Антенная решетка на базовой станции передает известный сигнал; RIS отражает его с разных направлений на основе его конфигурации. Обрабатывая эхо, принимаемое на одном и том же массиве, система может делать выводы о наличии, положении и даже движении объектов за стенами или в нелинейных областях зрения. Это имеет приложения в умных зданиях, безопасности и мониторинге здоровья, не требуя от пользователей переноса любого устройства.

Автомобильные коммуникации (V2X)

Высокоскоростные автомобильные среды страдают от быстрых изменений каналов и частых отключений, особенно на частотах mmWave. RIS, установленный на дорожных знаках, мостах или зданиях, может динамически отслеживать движущиеся транспортные средства и перенаправлять лучи от антенных решеток на обочине дороги к автомобилю. Это может поддерживать стабильную связь для приложений V2X, таких как взвод, предотвращение столкновений и обновления карт высокой четкости. Низкая задержка и высокая надежность, достигнутые благодаря помощи RIS, могут быть ключевыми для автономного вождения.

Спутниковая и воздушная связь

В неземных сетях (НТН) спутники и дроны с низкой околоземной орбитой (LEO) используют антенные решетки для передачи сигналов наземным пользователям. Однако атмосферные условия и рельеф местности могут ухудшить связь. Наземный РИС может изменять принимаемое направление сигнала или даже выступать в качестве крупномасштабного нисходящего преобразователя. Например, РИС-решение на крыше здания может отражать луч спутника пользователю в плотной городской местности, где прямой обзор недоступен. Это расширяет спутниковое покрытие для внутренних и мобильных пользователей без необходимости использования тяжелых терминалов.

Умное производство и промышленность 4.0

Внутри заводов массивные антенные решетки на потолках могут бороться за поддержание надежных соединений из-за движущихся машин и металлических поверхностей. RIS, размещенный на стенах или корпусах машин, может быть запрограммирован на управление сигналами вокруг препятствий, обеспечивая надежную связь для автономных роботов, сенсорных сетей и интерфейсов дополненной реальности. Энергоэффективность RIS также согласуется с целями зеленого производства Индустрии 4.0.

Проблемы и исследовательские границы

Несмотря на многообещающие перспективы, перед широким распространением РИС необходимо преодолеть ряд технических и практических проблем.

Оценка канала и оптимизация фазы

Для реализации преимуществ RIS как базовая станция, так и RIS должны знать каналы для всех пользователей. Однако, поскольку RIS является пассивным, он не может передавать пилотов. Исследователи предложили различные рамки оценки каналов — такие как переключение элементов в / выключено, сжатое зондирование и методы глубокого обучения — но они часто требуют больших накладных расходов и чувствительны к аппаратным нарушениям. В мобильной среде, где пользователи перемещаются, оценка должна часто обновляться, добавляя вычислительную нагрузку. Совместно оптимизация прекодера антенной решетки и фазового профиля RIS является невыпуклой проблемой с большим количеством переменных, часто решаемых с помощью чередующейся оптимизации или полуопределенного расслабления. Более быстрые, более надежные алгоритмы необходимы для работы в режиме реального времени.

Ограничения оборудования и производство

Каждый элемент RIS должен быть надежно контролируемым, но огромное количество элементов (потенциально сотни на квадратный метр) вносит сложность межсоединения. Подключения к контроллеру (например, FPGA) или центральному процессору должны быть тщательно разработаны, чтобы избежать физических помех электромагнитным характеристикам. Текущие прототипы RIS используют дорогие, высокоточные методы изготовления, которые еще не поддаются массовому производству по низкой цене. Достижения в печатной электронике, гибкие подложки и материалы с низкими потерями необходимы, чтобы снизить стоимость единицы ниже нескольких долларов за квадратный метр для внутренних применений.

Интеграция с существующей инфраструктурой

Сетевые операторы, естественно, осторожны в развертывании нового оборудования, которое может не быть подключаемым и воспроизводимым. RIS необходимо взаимодействовать с существующими базовыми станциями и основными сетями без необходимости проприетарных протоколов. Архитектура Open Radio Access Network (O-RAN) может обеспечить путь, где контроллеры RIS выступают в качестве конечных точек в интеллектуальном контроллере RAN (RIC). В настоящее время предпринимаются усилия по стандартизации такими группами, как IEEE и RIS Alliance, но временная шкала неопределенна. Кроме того, размещение RIS должно быть оптимизировано для каждой среды - что можно сделать с помощью моделирования трассировки лучей и машинного обучения - но динамическая природа городов может потребовать периодической перекалибровки.

Угрозы безопасности и физического уровня

Поскольку RIS могут программировать внешние контроллеры, они вводят поверхность атаки. Противник может манипулировать поверхностью, чтобы заклинивать сигналы, прослушивать более эффективно или создавать ложные отражения для локализации. Поэтому целостность канала управления между сетью и RIS имеет решающее значение. Легкая аутентификация и схемы шифрования для командования и управления RIS являются активной областью исследований. Кроме того, пассивный характер RIS затрудняет их обнаружение, если они не активно передают, что усложняет обеспечение соблюдения спектра.

Регуляторные и спектральные соображения

RIS отражают сигналы, которые уже присутствуют в лицензированном спектре; они не генерируют новые выбросы. Однако регуляторам (таким как FCC, CEPT и ITU) может потребоваться уточнить, что операция RIS не нарушает правила спектрального повторного использования или требует дополнительного лицензирования. Например, если RIS отражает сигнал от базовой станции оператора мобильной сети, отраженная волна все еще принадлежит к диапазону этого оператора, но могут быть опасения по поводу помех соседним ячейкам. В будущих сценариях совместного использования спектра RIS может использоваться для активного ограничения сигналов лицензированными областями, потенциально выступающими в качестве инструмента для расширенного управления спектром.

Будущие перспективы и перспективы

Сочетание перенастраиваемых интеллектуальных поверхностей и антенных решеток — это не просто постепенное улучшение; это смена парадигмы в том, как мы проектируем беспроводные сети. Вместо того, чтобы усложнять приемопередатчики, мы можем теперь проектировать саму среду. К 2030 году мы можем увидеть стандартизированные контроллеры RIS, встроенные в городскую инфраструктуру, связывающиеся с массивными базовыми станциями MIMO через интерфейс O-RAN. Пилотные проекты в 5G-Advanced Testbeds (например, проекты европейского флагмана 6G Hexa-X и финансируемых NSF платформ) уже демонстрируют осуществимость формирования луча RIS на 28 ГГц и 73 ГГц. Ожидается, что затраты будут снижаться по мере созревания технологий производства и интеграции. Кроме того, интеграция машинного обучения для сквозной оценки каналов и фазовой настройки автоматизирует процесс настройки, превращая RIS в «умные стены», которые адаптируются в течение миллисекунд к мобильности пользователей.

Еще одним захватывающим направлением является сочетание RIS с неортогональными многократными доступами (NOMA) и полнодуплексными антенными массивами. Возможность отражать сигналы при одновременном приеме от пользователей открывает новые стратегии отмены помех. Параллельно исследователи изучают ультрамассивные архитектуры MIMO, которые включают тысячи антенных элементов, но энергопотребление активных радиочастотных цепей становится непомерным. RIS может взять на себя задачи формирования луча и пространственного разделения, позволяя активной матрице быть намного меньше и более энергоэффективной.

В конечном счете, широкое внедрение RIS зависит от доказательства четкой отдачи от инвестиций по сравнению с альтернативами, такими как уплотнение небольших ячеек или модернизация до MIMO более высокого порядка. Для операторов ценностное предложение является самым сильным в условиях с ограниченным покрытием (например, глубокое покрытие в помещении, туннели, стадионы) и в энергочувствительных развертываниях (например, дистанционное радио головки с батарейным питанием). По мере развития технологии мы можем ожидать, что RIS станет стандартным инструментом в комплекте инженера беспроводной связи, так же, как ретрансляторы и реле сегодня, но гораздо более интеллектуальным и универсальным.

Заключение

Перенастраиваемые интеллектуальные поверхности представляют собой фундаментальный прогресс в беспроводной технологии, позволяя антенным массивам преодолевать свои традиционные физические ограничения. Преобразуя среду распространения из пассивного ограничения в активный ресурс, RIS может повысить силу сигнала, расширить покрытие, снизить потребление энергии и повысить пространственное мультиплексирование. В то время как значительные проблемы остаются в оценке каналов, стоимости оборудования, стандартизации и безопасности, текущие исследовательские усилия во всем мире быстро сокращают разрыв. По мере приближения к эпохе 6G интеграция RIS с передовыми антенными массивами, вероятно, станет ключевым фактором для высоких скоростей передачи данных, сверхнадежных связей и энергоэффективности, требуемой будущими приложениями. Планировщики сетей и дизайнеры должны начать знакомиться с этой технологией сейчас, поскольку она имеет потенциал для изменения экономики и производительности беспроводной связи на десятилетия вперед.

Для дальнейшего чтения по основам и последним исследованиям см. Учебник IEEE Communications Magazine по RIS (2021) [link] , всеобъемлющий обзор интеллектуальных отражающих поверхностей Wu и Zhang и недавняя Белая книга 6G из проекта Hexa-X . Эти ресурсы обеспечивают более глубокое погружение в математическое моделирование и экспериментальную валидацию, которые лежат в основе утверждений, сделанных в этой статье.