В сетях 5G-6G число подключенных устройств в ближайшем будущем достигнет десятков и сотен миллиардов, включая устройства массивных межмашинных коммуникаций mMTC (massive Machine Type Communication), ранее называвшихся Интернетом Вещей Iot (Intenet of Things).

Это потребует увеличения пропускной способности сети в тысячи раз. За последние десятилетия были предложены и тщательно исследованы различные беспроводные технологии, в первую очередь сверхплотная сеть UDN (Ultra Dense Network), массивная система с множеством входов и множеством выходов (massive MIMO) и связь в миллиметровом диапазоне (mmWave).

Однако потребление энергии и стоимость оборудования по-прежнему остаются критическими проблемами в практических реализациях таких сетей. Например, UDN требует практически линейного масштабирования энергопотребления и охлаждения большого числа базовых станций на единицу площади покрытия, в то время как для достижения высокопроизводительной связи на частотах mmWave при использовании massive MIMO необходимы дорогостоящие радиочастотные (RF) схемы и сложная обработка сигналов.

Более того, добавление в беспроводные сети чрезмерно большого количества активных компонентов, в т.ч. удалённых радиоблоков RRH (Remote Radio Head) для базовых станций малых сот (Small Cells), также приводит к возрастающей проблеме перекрёстных помех.

Поэтому необходимы дальнейшие исследования по поиску методов эффективного использования спектра и снижения энергопотребления и снижения стоимости оборудования антенн и базовых станций.

Отражающие интеллектуальные поверхности RIS (Reconfigurable Intelligent Surfasces) – это новое многообещающее решение для решения указанных проблем. RIS представляет собой плоскую решетку, состоящую из большого количества реконфигурируемых пассивных элементов (например, недорогих печатных диполей), где каждый из них способен вызывать определенный фазовый сдвиг (управляемый подключенным интеллектуальным контроллером) при отражении падающего сигнала, тем самым совместно изменяя путь распространения отраженного сигнала для формирования луча (beamforming). Хотя пассивные отражающие поверхности нашли множество применений в радиолокационных системах, системах дистанционного зондирования и спутниковой космической связи, до настоящего времени они редко использовались в мобильной беспроводной связи.

Причиной является то, что традиционные отражающие поверхности (без интеллектуального управления обратной связи) имеют только фиксированный сдвиг фазы, который закладывается при их изготовлении. Следовательно, они не могут формировать динамические беспроводные каналы, учитывающие мобильность пользователей.

Достижения в области радиочастотных микроэлектромеханических систем MEMS (micro electromechanical systems) и метаповерхностей (т.е. поверхностей, состоящих из одинаковых периодически повторяющихся элементов) сделали возможной динамическое реконфигурирование отражающих поверхностей, в том числе путем управления сдвигом фазы при отражении сигнала каждым элементом метаповерхности в реальном времени. Путем интеллектуальной регулировки фазовых сдвигов всех пассивных элементов в метаповерхности RIS, отраженные ей сигналы могут когерентно суммироваться с сигналами других путей от передатчика до приёмника, чтобы повысить мощность принимаемого сигнала. Кроме того, RIS могут и подавлять приём сигнала на неавторизованных приёмниках, чтобы улучшить безопасность и конфиденциальность связи.

RIS существенно отличаются от подобных известных технологий, таких как ретрансляция с усилением и пересылкой AF (amplify-and-forward relay), связь с обратным рассеянием (backscatter communication) и активные интеллектуальные антенны massive MIMO.

Во-первых, по сравнению с реле AF, RIS не использует активные передатчики, а только пассивно отражает полученные сигналы, то есть, не требует потребления мощности при передаче[1].

Во-вторых, при использовании традиционной связи обратного рассеяния (backscatter communication), например, в радиометках RFID, которые связываеюся с приемником путем отражения сигнала, RIS используется главным образом для повышения производительности существующего канала связи от передатчика к приёмнику, а не доставки собственной информации радиометки RFID путем отражения. В RIS сигналы как прямого, так и отраженного пути несут одну и ту же полезную информацию и, таким образом, могут быть согласованно суммированы в приемнике, чтобы максимизировать общую принимаемую мощность.

В-третьих, RIS также отличается от активных интеллектуальных антенн massive MIMO из-за их различной архитектуры массива (пассивная и активная) и механизмов работы (отражение и передача).

С точки зрения практической реализации, RIS обладают привлекательными преимуществами, такими как небольшие габариты, легкий вес и регулируемая геометрия, что позволяют легко прикреплять их на стены, потолки, мебель и пр., что расширяет возможности их практического применения. Например, установив RIS на стенах или потолках помещения с точкой доступа АР (Access Point) или в прямой видимости LoS базовой станции, можно значительно улучшить уровень сигнала на авторизованных приёмниках, и наоборот подавить сигнал на неавторизованных приёмниках.

RIS также можно легко интегрировать в существующие сети (например, сотовые или Wi-Fi) без необходимости каких-либо изменений в аппаратном и программном обеспечении их традиционных устройств.

Некоторые варианты использования RIS

Всё это делает RIS привлекательной новой технологией для будущих беспроводных сетей, особенно в зонах с высокой плотностью пользователей (например, стадионах, торговых центрах, выставках, аэропортах и т. д.).

Исследования конструкции RIS, а также производительности и оптимизация систем с поддержкой RIS все ещё находятся в начальном состоянии, однако, данная работа представляется весьма перспективной.

---

[1] Заметим также, что проводятся разработки активных RIS, элементы метаповерхностей которых могут не только отражать, но и излучать сигнала при внешнем интеллектуальном управлении. Такие RIS однако, пока являются делом будущего, и в них пока не решены проблемы высокого энергопотребления и взаимных помех.