Інтелектуальні поверхні, що реконфігуруються: що, чому, де і як?
Перейдіть на сайт
Світ технологій 5G
< li id="menu-item-19401" class="menu-item">Дні інженерного навчання
Реконфігуровані інтелектуальні поверхні: що, чому, де і як?
Масиви метаматеріалів дозволяють «коригувати» бездротове середовище та шлях, щоб компенсувати його численні недоліки та зміни.
У нескінченному прагненні поліпшити наскрізну продуктивність бездротового зв'язку майже всі зусилля були зосереджені на стороні передавача (кодування, пряме виправлення помилок, підсилювач потужності, антена), а також додаткового приймача. (Антенна, малошумливий підсилювач, приймач, декодування, корекція помилок). Однак сам канал — радіочастотне середовище — зазвичай розглядається як елемент «як є» або «даний» і не підлягає покращенню користувачем.
Деякі бездротові шляхи, частоти та налаштування краще, ніж у інших, але користувач не може нічого з ними зробити після ухвалення рішення про використання. Хоча у просунутих конструкціях передавальна та приймальна сторони можуть динамічно змінювати свої робочі параметри, щоб пристосуватися як до повільних, так і до швидких змін у каналі (загасання, шум, спотворення), канал «такий, який він є».
< >Але це сценарій може змінитися. Відносно нова технологія, яка називається реконфігурованою інтелектуальною поверхнею (RIS), змінює сам канал для покращення продуктивності, збільшення відношення сигнал/шум (SNR) і зниження частоти бітових помилок (BER).
Це якісне, У розділі часто задаваних питань без рівнянь розповідається про те, що таке RIS, чому вона необхідна, чому вона стає дедалі більш здійсненною, а також про деякі її недоліки. Зверніть увагу, що технологія RIS також відома як програмно-керована метаповерхня або інтелектуальна поверхня, що відбиває.
Питання: Що таке RIS?
Про: RIS — це двовимірна поверхня, що відбиває для радіочастотної енергії, що складається з окремих елементів масиву. Їх можна динамічно переконфігурувати, щоб змінити параметри радіочастотного тракту. Ці зміни призводять до зсуву у часі та фазі, а також до зміни кута відбиття. (Зсув часу і фазовий зсув — це дві точки зору на той самий основний феномен.)
Кожен елемент масиву являє собою дискретний елемент з керованою кривою амплітудної та фазової характеристики. Контролер визначає конкретні параметри для кожного елемента або групи елементів. Таким чином, властивості розсіювання, поглинання, відображення та дифракції всього RIS можна змінювати згодом та контролювати за допомогою програмного забезпечення.
Питання: Де знаходиться RIS? Чому ви хочете розмістити це на каналі?
Про:Масив RIS розміщується в середовищі передачі (каналі) між антенами передавача та приймача і не поєднаний з жодною з них, а знаходиться в самому канальному просторі. Ви можете уявити його як гнучке дзеркало між двома кінцями посилання. RIS приймає сигнал на невеликому обхідному шляху і додає шляхів новий керований аспект, який можна використовувати для доповнення і компенсації неконтрольованого поширення шляху. Це проміжне дзеркало можна динамічно налаштовувати для покращення характеристик каналу та підвищення продуктивності системи (Мал. 1).
Мал. 1. Керований RIS розміщується в середовищі між джерелом та приймачем (Зображення: WirelessPi). br />Відповідь:Ні. MIMO забезпечує формування діаграми спрямованості у потрібних напрямах, одночасно придушуючи перешкоди через просторові нулі. Як тільки антенна решітка MIMO «запускає» радіочастотний сигнал, радіочастотна енергія виявляється у владі каналу та його капризів. Хоча масив MIM) можна налаштувати для адаптації до проблем каналу, таких як найближче джерело перешкод, він не може вплинути на характеристики каналу./> А:Розглянемо вишку стільникового зв'язку з підтримкою 5G та MIMO при підключенні до смартфону. Проміжок MIMO можна спрямовувати для підтримки прямого контакту з телефоном у межах видимості. Однак він не може враховувати зміни характеристик каналу під час руху телефону. Теоретично система RIS може працювати разом із каналом MIMO, щоб компенсувати шкідливі зміни каналів. Він також може «обнулити» доплерівське зрушення, яке за своєю суттю супроводжує рух між джерелом і приймачем (Малюнок 2).
Мал. 2. Рух користувача створює доплерівські зрушення та канал, керований RIS можна налаштувати для досягнення нульового поширення ефекту Доплера шляхом синтезу руху RIS по траєкторії (Зображення: ArXiv).
Питання: Чому оцінюється RIS?< br /> A :Щоразу, коли ви можете щось зробити для покращення продуктивності посилань, про це варто подумати. Поліпшення SNR на кілька дБ або навіть помірне зниження BER заслуговує на вивчення. У той же час наявність такої великої кількості інших радіочастотних джерел і сигналів у даному діапазоні означає, що навантаження на продуктивність системи, у тому числі викликані статичними та динамічними умовами каналу, означають, що кожен аспект лінії зв'язку має бути перевірений і, якщо можливо, покращено .
В: Чому RIS тепер можлива?
Відповідь:Існує кілька причин, через які тепер можлива реалізація RIS. По-перше, у міру того, як робочі частоти переміщуються в діапазон декількох гігагерц з довжиною хвилі в сантиметрах і міліметрах, розмір, необхідний для елементів, що відбивають в масиві, стає достатньо малим, щоб створити масив, який має керований розмір і достатню кількість цих елементів , щоб бути корисним (наприклад, 128 × 128).
По-друге, нові технології, такі як керовані структури MEMS, дозволяють створювати щільно розташовані, повністю настроювані елементи масиву.
Нарешті, доступні нові матеріальні технології, такі як метаматеріали з основними електромагнітними властивостями, які можна змінити електричним способом. Метаповерхні – двовимірні поверхні метаматеріалів – вже використовуються при розробці безлічі нових пристроїв і додатків у мікрохвильовій, терагерцовій та особливо видимій областях.
Питання: Що таке метаповерхні? деякі деталі створення метаматеріалів для RIS?
A:Ці метаповерхні є штучні структури, спроектовані з використанням дуже маленьких (субхвильових) метаатомів, зазвичай розташованих періодично або а-періодично в площині. Заломлення та відображення електромагнітних хвиль на межі двох середовищ регулюється законом Снелліуса (названим на честь Віллоброрда Снелла, який відкрив закон для оптики в 1621). Закон Снелла пояснює, чому олівець у чашці з водою здається зігнутим на поверхні води та повітря і чому підводні риби насправді не там, де ви бачите їх над поверхнею). Закон також пояснює, чому кут відображення дорівнює куту падіння оптичного або радіочастотного сигналу, що відбивається від поверхні, що відбиває.
< p id="caption-attachment-19462" class="wp-caption-text">Малюнок 3. Плоска поверхня відобразить плоску хвилю, що падає, в іншому напрямку, що визначається законом Снелліуса, і паралельні падаючі промені після відображення залишаться паралельними. Навпаки, RIS тих самих фізичних розмірів може бути налаштований на синтез форми іншого об'єкта (в даному випадку параболічного відбивача), тим самим контролюючи напрямок і форму відбитого сигналу (Зображення: ArXiv).
< p>Закон Снелла був модернізований (але як і залишається у силі), переформулювавши його з погляду сучасної фізики. Відображення чи заломлення виникає за наявності градієнта фази на метаповерхні двох однорідних та ізотропних середовищ.
Питання: Які два основні підходи до створення метаповерхні?
Відповідь: Не дивно, що існують цифрові та аналогові підходи з відповідними перевагами та недоліками (Малюнок 4). Цифрові РІС реалізовані з використанням MEMS та PIN-діодів. Їх перевагами є проста схема управління та швидкий відгук; однак помилка фазового квантування, що вноситься цифровими пристроями фазового контролю, може бути надмірною.
Рис. 4. А) цифровий та б) аналогова структура осередку елемента масиву метаповерхні RIS показує їх явні відмінності (Зображення: MDPI).
У аналогових RIS використовуються варактори (діоди, що залежать від напруги, внутрішня ємність яких змінюється в залежності від прикладеної зворотної напруги, також звані варикапами) для зменшення втрат квантування через зсув фази, оскільки вони забезпечують безперервний контроль зсуву фази. Недоліком цього підходу є втрати характеристик самого варактора і складність пов'язаної з ним схеми управління.
Зверніть увагу, що існують і інші способи створення та управління метаповерхнями та їх окремими елементами, багато з яких засновані на метаматеріалах та метаповерхнях, які зараз зазвичай використовуються в оптичних додатках.
Питання: Чи піддається RIS та її характеристики моделювання та моделювання?
Відповідь: Абсолютно, він дуже сумісний з просунутою і дуже складною, математично інтенсивною системою та радіочастотним моделюванням, включаючи аналіз зі складними рівняннями розташування метаповерхонь , припущення про канали, динамічні аспекти та багато іншого (див. Зовнішні посилання).). Він доповнює фіксований або змінний шлях канал-медіа (який вже ретельно змодельований) каналом, який також має вставний та керований елемент. RIS?
Відповідь:Їх декілька. По-перше, РІС має бути виготовлений та сумісний з довжинами хвиль та іншими особливостями застосування. По-друге, атрибути RUS повинні контролюватись в режимі реального часу, тому існує необхідність безперервної оцінки продуктивності каналу, яка потім передається у систему управління RIS. Це складне завдання вимірювання, контролю та оптимізації.
Питання: Які проблеми виникають при додаванні RIS до каналу?
Відповідь: Хоча ідея RIS є привабливою, її використання в реальній системі як і раніше, залишається складним завданням. Серед питань, що викликають занепокоєння:
- Чи виправдовує отримана вигода вартість та складність апаратного забезпечення? А як щодо додаткової складності алгоритмів управління та необхідної обчислювальної потужності? Також враховується вартість базової робочої потужності для додаткових компонентів.
- Розробка необхідних оцінок якості каналу від передаючої антени до приймальної антени складна, але має виконуватися в режимі реального часу.
- Як переваги переважують підхід на основі MIMO до покращення продуктивності каналу?
- Як переваги переважують підхід на основі MIMO до покращення продуктивності каналу?
- Як переваги переважують підхід на основі MIMO до поліпшення продуктивності каналу? Компоненти та системи для сигналів гігагерцового діапазону набагато складніше реалізувати на практиці, ніж у теорії. Крихітні недоліки фізичної структури можуть мати величезні негативні наслідки, у той час як недоступні аспекти, такі як побічні ефекти можуть знизити продуктивність, але їх дуже важко змоделювати і врахувати в моделях і алгоритмах.
фактичні покращення можуть бути скромними, тоді як загальна вартість системи може бути високою. Це постійне питання проектування та розробки, відповідь на яке залежить від пріоритетів та обмежень програми: чи варто вигода (вигода) витрачених зусиль (витрат)? >Реконфігуровані інтелектуальні поверхні: відеоінтерв'ю з головою групи зі стандартизації
ETSI запускає розробку інтелектуальних поверхонь
Створення масивного MIMO 5G: частина 1
Створення масивного MIMO, частина 2
Масове тестування продуктивності MIMO: емуляція каналу
Лазери, оптика, електроніка та багато іншого дають терагерцеві джерела , частина 1 – Контекст
Часті питання про фрактальні антени, частина 1
Часті питання про фрактальні антени, частина 2
Ефект Доплера: від вкрай осміяного до абсолютно необхідного, частина 1< strong>
Ефект Доплера: Від вкрай осміяного до абсолютно необхідного, Частина 2
Зовнішні посилання
MDPI, «Огляди, засновані на Технічні проблеми інтелектуальних поверхонь, що реконфігуруються»
ArXiv, «Реконфігуровані інтелектуальні поверхні: перспектива обробки сигналів за допомогою бездротових додатків»
Wireless Pi, «Реконфігуровані інтелектуальні поверхні» (RIS) – Навчальний посібник»
