Радиоволны распространяются в электромагнитной среде, как правило, содержащей физические объекты, которые существенно изменяют распространение электромагнитных волн между передатчиком и приёмником, из-за чего они затухают и рассеиваются. Затухание происходит из-за частичного поглощения в различных материалах и естественного распространения мощности в пространстве, то есть распределения мощности по постоянно увеличивающейся сферической поверхности. Рассеяние волн обусловлено явлениями дифракции, отражения и преломления, которые приводят к множеству путей распространения между устройствами. Геометрия, расположение и состав объектов определяют результат распространения, который, однако, его трудно вычислить, за исключением совсем простых случаев, например, распространяя радиоволн на открытой местности.
Затухание сигнала радиоволн ограничивает радиус действия базовых станций мобильной связи, а многолучевое распространение приводит к явлению замирания — хорошо изученному эффекту, который приводит к резким колебаниям мощности принимаемого сигнала, если радиоволны из нескольких источников накладываются друг на друга.
Существующие подходы к снижению помех предполагают такие технологии, как применение больших массивов излучающих и приемных антенн (massive MIMO), объёмное формирование луча (beamforming) на стороне передающего устройства [1], а также пассивных отражателей и активных отражающих матриц, в промежуточных точках пространства [2]. Однако, хотя эти подходы обеспечивают управление направленностью беспроводной передачи, тем не менее, они создают проблемы мобильности и масштабируемости оборудования. При этом управление ограничивается только направленностью луча. В результате радиосреда в целом остается прежней и никак не влияет на распространение радиоволн, а модель радиоканала продолжает рассматриваться как вероятностный процесс, а не как программно-конфигурируемая функция.
Одним из эффективных средств создания программируемой беспроводной среды являются метаэлементы, метаматериалы и метаповерхности [3].
Метаматериалы — это искусственные структуры с специально разработанными электромагнитными свойствами для определённого частотного спектра. В своей наиболее распространенной форме они включают базовую простую структуру — метаэлемент, которая периодически повторяется в объеме. Метаповерхности — это двумерные аналоги метаматериалов в том смысле, что они имеют небольшую, но не пренебрежимо малую глубину[4].
Рис. 1. Пример метаповерхности (источник: [4]).
Программное управление электромагнитным поведением радиосреды заключается в покрытии объектов, таких как стены, мебель и вообще любые объекты в помещении или на открытом воздухе т.н. «гиперповерхностями» (HyperSurfaces), управляемых при помощи программ [5]. Гиперповерхности содержат электронные элементы управления и адаптивные метаповерхности. Элементы управления задают соответствующее электромагнитное смещение на метаэлементах адаптивной метаповерхности, заставляя радиоволны вести себя тем или иным образом. Кроме того, гиперповерхности имеют возможности межсетевого взаимодействия, которые позволяют им быть общими элементами управления для адаптации параметров.
Рассмотрим сценарий беспроводной связи в пространстве, как показано на рис. 2. Нескольким пользователям требуется подключение к локальной беспроводной сети, причём каждый из них имеет разные требования. Пользователи A и D заинтересованы в оптимальном качестве соединения, пользователь B заинтересован в беспроводной передаче энергии, а пользователь C требует принятия мер по защите своего подключения. Пользователь E пытается получить несанкционированный доступ и подлежит блокировке.
В обычной пассивной локальной беспроводной сети такая дифференциация сценариев подключения не может быть эффективно реализована. Устройства пользователей могут применять формирование луча для фокусирования направления передачи волн, но радиосреда в этом процессе никак не участвует и ему не способствует. То есть, радиоволны могут бесконтрольно рассеиваться по объектам, теряя фокус и передаваемую мощность, вызывая помехи, падение производительности и проблемы с безопасностью [6].
Рис. 2. Пример сценария программируемой радиосреды локального беспроводного доступа (источник: [6]).
В случае программируемой беспроводной среды, на стены, потолки и т. д., помещения, или внешней поверхности здания, нанесено покрытие гиперповерхности, которое даёт возможность программно определяемым образом направлять и изменять мощность, фазу и другие параметры, падающих и излучаемых радиоволн. Каждый метаэлемент включает в себя простую электронную схему, которая позволяет ему получать команды от централизованной службы программной конфигурации и соответствующим образом устанавливать свое собственное поведение в радиосреде. Программируемая радиосреда обеспечивает новые возможности, обрабатывая распространение радиоволн способом, напоминающим маршрутизаторы и межсетевые экраны в классических сетях. Как показано на рис. 2, пользователи A и D получают максимальные уровни мощности сигнала к помехам, тщательно фокусируя электромагнитные волны по принципу линзы и избегая взаимных помех. Более того, распространение радиоволны дополнительно регулируется для достижения конструктивной суперпозиции мощности на пользовательских устройствах, и предотвращения негативных эффектов многолучевого замирания. Реакция окружающей среды для пользователя B нацелена на максимальную беспроводную передачу энергии с использованием комбинации специального волнового управления и фокусировки. Для пользователя C среда устанавливает «выделенный воздушный маршрут», который позволяет избежать всех других пользователей, чтобы снизить риск подслушивания. Наконец, неавторизованный пользователь E блокируется, при помощи соответствующего окружающего программирования на поглощение его сигналов.
Таким образом, построение радиосред на базе метаповерхностей, причем не только для локальных беспроводных сетей, но и обычных мобильных сетей связи, даёт возможность:
- Снизить излучаемую мощность источника радиосигнала за счёт оптимизации его направленности при помощи технологий формирования луча (beamforming);
- Повысить качество услуг для пользователей;
- Повысить безопасность и защищённость радиоканалов за счёт возможности блокировки радиосигналов нежелательных и неавторизованных пользователей (на уровне радиоканала, т.е. на первом физическом уровне сетевой модели);
- Обеспечивать удалённое питание устройство пользователей за счёт возможности передачи мощности питания непосредственно по радиоканалу (energy harvesting);
- Отслеживать перемещение пользователей в пространстве, поскольку направлением радиолуча можно управлять и концентрировать передаваемую мощность радиосигнала в нужном направлении, избегая бесполезного рассеяния в пространстве.
[1] Y. Kim, H. Ji, J. Lee, Y.-H. Nam, B. L. Ng, I. Tzanidis, Y. Li, and J. Zhang, “Full dimension mimo (FD-MIMO): the next evolution of MIMO in LTE systems,” IEEE Wireless Communications, vol. 21, no. 2, pp. 26–33, 2014.
[2] S. Han and K. G. Shin, “Enhancing Wireless Performance Using Reflectors,” in IEEE INFOCOM 2017, pp. 1–9.
[3] H. Yang, X. Cao, F. Yang, J. Gao, S. Xu, M. Li, X. Chen, Y. Zhao, Y. Zheng, and S. Li, “A programmable metasurface with dynamic polarization, scattering and focusing control,” Scientific reports, vol. 6, p. 35692, 2016.
[4] Ya-Lun Sun, et al. Infrared-controlled programmable metasurface Author links open overlay panel. Science Bulletin Volume 65, Issue 11, 15 June 2020, Pages 883-888. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927320301456
[5] The VISORSURF project, “A Hardware Platform for Software-driven Functional Metasurfaces,” Horizon 2020 Future Emerging Technologies. http://visorsurf.eu.
[6] Christos Liaskos. A New Wireless Communication Paradigm through Software-controlled Metasurfaces. arXiv:1806.01792v1 [eess.SP] 4 Jun 2018
Telecom & IT 