Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности RIS (Reconfigurable Intelligent Surfaces) — новая передовая технология, предназначенная для оптимизации распространения электромагнитных волн в различных средах с целью улучшения характеристик беспроводной связи. Эти поверхности, иногда называемые «умными стенами» (“smart walls”), состоят из множества небольших отдельных элементов, которые обладают уникальной способностью динамически и адаптивно взаимодействовать с электромагнитными волнами.

Ключевые компоненты реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей

Метаповерхности. Фундаментальными строительными блоками RIS являются метаповерхности (Metasurfaces). Эти метаповерхности состоят из крошечных элементов с размерами меньше длины волны (субволнового масштаба), таких как патч-антенны, резонаторы или структуры из метаматериалов (материалов с повторяющейся структурой элементов). Эти элементы размещаются на поверхностях стен, потолков или других конструкций.

Программно-определяемое управление: определяющей особенностью RIS является её способность динамически реконфигурироваться в зависимости от требований в реальном масштабе времени. Это стало возможным благодаря программно-определяемому управлению (Software-Defined Control). Сложные алгоритмы и методы искусственного интеллекта используются для регулировки фазы и амплитуды отдельных элементов метаповерхности для изменения поведения электромагнитных волн.

Принципы работы RIS

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности работают по принципу манипулирования волновым фронтом, который включает в себя изменение фазы, амплитуды и поляризации электромагнитных волн при их взаимодействии с поверхностью. Это работает следующим образом:

Отражение, преломление и поглощение волн. Элементы метаповерхности RIS способны независимо друг от друга управлять отражением, преломлением или поглощением входящих электромагнитных волн (конечно, при помощи внешних воздействий). Управляя этими параметры с большой точностью, поверхность может перенаправлять или концентрировать волны в определенных направлениях или изменять их свойства в соответствии с целями связи или восприятия передаваемого контента.

Управление фазой: изменяя фазу электромагнитных волн, RIS может регулировать направление распространения волн. Это обеспечивает точное формирование луча в выбранном направлении (Beamforming) и управление лучом, позволяя поверхности фокусировать сигналы на предполагаемый приемник или подавлять сигналы (либо помехи) от нежелательных источников.

Адаптация в реальном времени. Главное преимущество технологии RIS заключается в ее адаптируемости. RIS может реагировать на изменения в беспроводной среде и требований к связи в режиме реального времени. Алгоритмы управления непрерывно анализируют входящие сигналы и соответствующим образом корректируют элементы метаповерхности, оптимизируя мощность, качество и покрытие сигнала.

Исследование реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей для 6G

Изучение реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей для шестого поколения сетей связи (6G) основано на идее о том, что RIS могут сыграть ключевую роль в формировании будущего беспроводных сетей 6G, создавая то, что часто называют «умной радиосредой» (SRE). Вот в чем состоит эти концепция:

RIS в 6G: Термин «6G» относится к ожидаемому шестому поколению технологии беспроводной связи, которая является развитием возможностей и преимуществ 5G. Предполагается, что 6G предложит еще более высокие скорости передачи данных, меньшую задержку, большую емкость и новые возможности, которые позволят использовать широкий спектр приложений, включая дополненную реальность, голографическую связь, удаленную хирургию и многое другое.

Интеллектуальная радиосреда SRE (Smart Radio Environment). Концепция «умной радиосреды» SRE предполагает преобразование пространства распространения в системах беспроводной связи в интеллектуальную и адаптивную среду. Эта среда может динамически оптимизировать характеристики беспроводного распространения для повышения производительности связи, покрытия, энергоэффективности и безопасности.

Разнообразные применения: ожидается, что беспроводная связь 6G будет удовлетворять еще более широкому спектру приложений, чем предыдущие поколения. Эти приложения могут включать не только традиционную передачу голоса и данных, но и новые виды телекоммуникаций, такие как Интернет вещей (IoT), искусственный интеллект (ИИ), погружение пользователя в виртуальную и дополненную реальность, а также доставку контента с высоким разрешением (4К/8К и выше). RIS могут стать ключевым фактором реализации этих приложений за счет точной настройки беспроводной среды в соответствии с их конкретными требованиями.

Исследования и разработки: Изучение реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей для 6G включает в себя исследования и разработки, направленные на понимание того, как технология RIS может быть интегрирована в сети 6G. Это включает в себя проектирование систем RIS, совместимых с требованиями 6G, разработку усовершенствованных алгоритмов управления в реальном времени и исследование потенциальных преимуществ с точки зрения скорости передачи данных, покрытия, энергоэффективности и других показателей производительности.

Расширенные сценарии использования. Ожидается, что в сети 6G будут возможны гораздо более широкие сценарии использования, которые требуют беспрецедентного уровня управляемости средой передачи электромагнитных волн и адаптивности такого управления. RIS могут способствовать удовлетворению этих требований за счет динамической настройки среды беспроводного распространения в соответствии с потребностями конкретных приложений, устройств или пользователей.

Применение технологии реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS)

Улучшение беспроводной связи: реконфигурируемые интеллектуальные поверхности могут значительно повысить производительность систем беспроводной связи, расширяя зону покрытия и повышая скорость передачи данных в сложных условиях и, главное, снижая отностиельную мощность электромагнитного излучения, прежде всего в таких местах таких как высотная городская застройка, здания и туннели. RIS может повысить производительность систем беспроводной связи, улучшая удельную мощность сигнала и уменьшая помехи в средах с препятствиями или блокировкой сигнала.

Возможность подключения в помещении. В помещениях реконфигурируемые интеллектуальные поверхности могут обеспечить единообразное и высококачественное беспроводное соединение, устраняя мертвые зоны и повышая производительность устройств Wi-Fi и IoT.

Безопасность и конфиденциальность: RIS можно использовать для создания контролируемых зон связи, повышая безопасность и конфиденциальность беспроводных сетей за счет ограничения сигналов определенными областями.

Энергоэффективность: оптимизируя пути прохождения сигналов и снижая потребность в высокой мощности передачи, RIS может способствовать созданию энергоэффективных беспроводных сетей.

Спутниковая связь: технология RIS может повысить эффективность систем спутниковой связи, уменьшая задержку и увеличивая скорость передачи данных для спутниковых услуг.

Подводя итог, можно сказать, что реконфигурируемые интеллектуальные поверхности способны произвести революцию в беспроводной связи за счет интеллектуального управления электромагнитными волнами и средой их распространения. Благодаря своей способности адаптировать и оптимизировать беспроводную среду, технология RIS обещает значительно улучшить производительность и надежность беспроводных сетей в широком спектре приложений.

Проблемы и направления будущего развития

Хотя технология реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) обещает революционизировать беспроводную связь, для ее широкого внедрения необходимо решить ряд проблем. Кроме того, учитывая потенциал RIS, важно изучить будущие направления и области развития в области RIS-технологий:

Стоимость. Одной из основных проблем технологии RIS является ее стоимость. Разработка и развертывание систем RIS может быть дорогостоящим, особенно если учесть большое количество отдельных элементов, необходимых для эффективного манипулирования волнами. Снижение затрат на производство и внедрение реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей будет иметь решающее значение для того, чтобы сделать эту технологию более доступной и практичной для широкого спектра применений.

Сложность: реализация технологии RIS предполагает использование сложных алгоритмов и систем управления. Сложность управления огромным количеством отдельных элементов и оптимизация их поведения в режиме реального времени может создать проблемы для интеграции в существующие беспроводные сети. Упрощение пользовательского интерфейса и механизмов контроля будет иметь важное значение для обеспечения эффективного развертывания и управления RIS.

Вопросы регулирования. Будучи относительно новой и инновационной технологией, RIS может столкнуться с проблемами регулирования. Необходимо будет решить вопросы, связанные с использованием спектра, лицензированием и стандартами безопасности, чтобы обеспечить соблюдение существующих правил и избежать помех другим беспроводным системам. Сотрудничество между заинтересованными сторонами отрасли и регулирующими органами будет необходимо для разработки четких руководящих принципов внедрения RIS.

Функциональная совместимость. Обеспечение беспрепятственной интеграции систем RIS с существующей беспроводной инфраструктурой имеет решающее значение. Совместимость с различными протоколами связи и устройствами будет иметь важное значение для максимизации преимуществ RIS в реальных приложениях. Отраслевые стандарты и протоколы для интеграции RIS должны быть разработаны для облегчения взаимодействия.

Безопасность и конфиденциальность. Динамический характер RIS, который позволяет манипулировать электромагнитными волнами, создает потенциальные проблемы безопасности и конфиденциальности. Могут существовать уязвимости, связанные с перехватом сигнала, манипулированием или несанкционированным доступом. Для защиты сетей и данных с поддержкой RIS необходимо внедрить надежные меры безопасности и протоколы шифрования.

Масштабируемость. Чтобы RIS была эффективной в крупномасштабных развертываниях, таких как умные города или обширные внутренние помещения, она должна демонстрировать масштабируемость. Решающее значение будет иметь обеспечение того, чтобы системы RIS могли эффективно охватывать большие территории без ущерба для производительности.

Будущие направления развития:

Энергоэффективность: исследования энергоэффективных конструкций и механизмов управления RIS могут еще больше повысить устойчивость беспроводных сетей. Системы RIS с низким энергопотреблением будут иметь решающее значение для устройств с батарейным питанием и приложений IoT.

Миниатюризация: достижения в области нанотехнологий и материаловедения могут привести к миниатюризации элементов метаповерхности, что позволит создавать более компактные и интегрированные решения RIS, которые легче развертывать.

Интеграция машинного обучения. Интеграция алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта в системы управления RIS может повысить их способность адаптироваться и оптимизировать беспроводные среды. Это может привести к еще более эффективной и автономной работе РИС.

Междисциплинарное и межотраслевое сотрудничество. Сотрудничество между исследователями, инженерами и регулирующими органами имеет важное значение для стимулирования инноваций и решения многогранных проблем, связанных с технологией RIS.

Заключение

Технология реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) находится на стадии начала революции в беспроводной связи в существующем до сих пор виде. Разумно управляя электромагнитными волнами, системы RIS могут улучшить возможности подключения, повысить безопасность и повысить энергоэффективность в широком спектре приложений. По мере развития исследований и разработок в этой области можно ожидать, что RIS сыграет ключевую роль в формировании будущего сетей беспроводной связи, делая их более быстрыми, надежными и более адаптируемыми к нашим постоянно растущим цифровым потребностям.

Хотя реконфигурируемые интеллектуальные поверхности сталкиваются с проблемами, связанными со стоимостью, сложностью, регулированием и т. д., их потенциал для преобразования беспроводной связи неоспорим. Ожидается, что благодаря совместным усилиям в области исследований, разработок и сотрудничества технология RIS сыграет решающую роль в развитии систем беспроводной связи, предлагая решения некоторых из наиболее насущных проблем, с которыми сталкиваются современные телекоммуникационные сети. Его дальнейшее развитие обещает более эффективное, безопасное и доступное беспроводное соединение для различных приложений.