1.    Введение

В последние несколько лет появляется множество статей на тему реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей RIS (Reconfigurable Intelligent Surfaces): от серьёзных научных статей с использованием математического аппарата, до публикаций «научпопа».

Основная цель RIS – повысить качество радиоканала в сетях мобильной связи, основанных на технологиях NR – New Radio, в которых задействуются высокочастотные диапазоны от 3 до 30 ГГц и выше (для поколений связи 5G и далее). Высокие несущие частоты канала необходимы для повышения качества связи и пропускной способности. Однако, связь в высокочастотных диапазонах подвержена ухудшению качества из-за того, что радиоволны плохо преодолевают различные препятствия и плохо проникают сквозь стены, а также из-за того, что дальность приема с достаточной мощностью сигнала на приёмнике в высокочастотных диапазонах NR существенно ограничена (десятки метров).

 До настоящего момента, практически не существовало средств и способов изменения среды распространения радиоволн, поэтому управлять качеством связи можно было только в точках расположения передатчика и приемника, а параметры самой среды распространения радиоволн управлению практически не поддавались и, по сути, были «заданы природой».

В будущем, улучшать параметры среды передачи предполагается тремя основными средствами:

1. Интеграция доступа и подключения к опорной сети: IAB (Integrated Access and Backhaul)[1];
2. Использование повторителей, управляемых от сети: NCR (Network Controlled Repeater)[2];
3. Реконфигурируемые интеллектуальных поверхностей RIS (Reconfigurable Intelligent Surface)[3].

Первые два способа, строго говоря, нельзя отнести к средствам изменения параметров радиосреды, поскольку они предполагают наличие промежуточных активных устройств внутри радиоканала, и, по сути, разбивают один радиоканал на цепочку промежуточных радиоканалов с активными элементами между ними. 

Третий способ, RIS, предполагает наличие пассивных средств отражения и преломления радиоволн, падающих на метаповерхность, на пути распространения волны от радиопередатчика. На таких метаповерхностях в периодическом порядке располагаются т.н. «метаэлементы», представлявшие собой небольшие колебательные контуры с размерами, сравнимыми с длиной несущей волны радиоканала (см. здесь). Управлением параметрами этих метаэлементов возможно воздействовать на волновые параметры радиоканала несколькими основным способами:

1. Формирование луча (Beamforming);
2. Изменение направления отраженной волны;
3. Изменение направления преломлённой волны;
4. Подавление радиосигнала в выбранном направлении.

Такие устройства, как RIS, конечно, тоже требуют управления от сети, как и в случае с NCR, однако, они не являются активными радио-излучателями, и, сами по себе, довольно просты и недороги при массовом производстве. Управление ими подразумевает, в основном, изменение фазы отраженного сигнала. Их повсеместное применение может помочь достижению заветной цели – изменения параметров среды распространения радиоволн.

Однако, как говорится, «не всё так однозначно».

2.    Проблемы RIS

Несмотря на активное обсуждение в научно-техническом сообществе, пока нет примеров практической реализации RIS (в литературе описаны только лабораторные образцы).

Более того, если NCR и IAB стандартизованы консорциумом 3GPP в Релизах 16 – 18, то разработку стандартов RIS 3GPP не планирует включать даже в Release 19 (как задумывалось ранее) и было решено отложить это «до лучших времен» (не ранее разработки стандартов поколения 6G). Более того, 3GPP даже исключила RIS из списка «изучаемых предметов» (study items).

Попробуем разобраться в причинах такого решения международной стандартизирующей организации.

Можно выделить несколько основных проблем RIS.

Оценка качества канала

Для достижения требуемой производительности в сетях с RIS, требуется большое количество отражающих элементов (метаэлементов) в ней, а это значительно увеличивает накладные расходы на оценку качества канала. Нельзя сказать, что в настоящее время был достаточно широко изучен вопрос, какое необходимое количество метаэлементов требуется для оптимальной работы RIS и были достаточно хорошо описаны методы оценки качества канала с тем, чтобы ошибка оценки канала каскада «базовая станция – RIS – терминал абонента» в условиях мобильности терминала находилась в допустимых пределах.

Покрытие

Пассивная RIS обычно не может расширить покрытие канала за пределы соты базовой станции, поскольку RIS не усиливает сигнал, а только отражает и перенаправляет его. RIS может быть полезна, когда на пути к терминалу от базовой станции находится препятствие (например, высокое здание), в этом случае мощность приёма на терминале абонента может быть повышена потум создания обходного пути при помощи RIS. Однако, при таком сценарии расположения RIS, потери в канале почти удваиваются по сравнению с каналом прямой видимости. Поэтому, хотя RIS и может помочь в случае наличия препятствий в прямой видимости, однако, более предпочтительным в этом случае является использование управляемого сетью репитера NCR.

RIS может (теоретически) улучшать мощность сигнала на приёмнике, если в радиоканале будут задействованы несколько RIS. В этом случае результирующий сигнал будет равен сумме нескольких отражённых от разных RIS сигналов. Но очевидно, что здесь будет необходимо координированно управлять фазами отдельных лучей от разных RIS, чтобы результирующий сигнал усиливался, а не наоборот.

Однако, возникает проблема стоимости оценки качества сигнала, рассмотренная в предыдущем разделе. Если оценку качества одиночного канала «базовая станция – RIS – терминал абонента» уже проблематично производить, то что говорить о случае, когда поверхностей RIS не одна, а три (или больше), и кроме того, требуется согласовывать их фазы. «Накладные расходы» на управление RIS могут выйти из всех допустимых пределов.

Помехи

Будучи отражающей пассивной поверхностью, RIS отражает любую падающую волну, что приводит к появлению побочных отраженных волн с непредсказуемой амплитудой и фазой. Поэтому RIS могут не только концентрировать волну в новом направлении (Beamforming), а наоборот, распространять дополнительные помехи. Естественно, ожидается, что луч, направленный на RIS, будет самым сильным, но другие боковые лучи (т.н. side lobes – «боковые лепестки» диаграммы направленности) от передающей антенны также будут динамически вызывать отражения от RIS, которые не ожидаются и не учитываются в сети, тем самым снижая общую производительность сети и качество принимаемого сигнала.

Это означает, что непреднамеренные динамические отражения несущей частоты канала (pilot contamination), возникающие в результате работы RIS, могут создавать помехи в гораздо более широком частотном спектре, чем диапазон, используемый для сотовой связи. То есть, RIS возможно будет не только отражать нужную волную в нужном спектре, но также динамически и случайным образом влиять на широкий спектр радиоволн вокруг него. Этому отрицательному качеству RIS до сих пор не уделялось должного внимания несмотря на многочисленность публикаций на тему RIS, хотя некоторые предложения по устранению этого явления в литературе имеются.

Кроме того, в случае реализации метаэлементов RIS на основе RC-цепочек, в случае высокой мощности падающей радиоволна основной несущей частоты канала могут возникать нелинейные эффекты, из-за насыщения в схеме из резистора и конденсатора в метаэлементе RIS. В результате соседние несущие частоты также будут подвергаться нелинейным искажениям, что в сетях радиодоступа сотовой связи не допускается.

Высокие нагрузки данных сигнализации в канале

При использовании RIS возникает два вида дополнительных накладных расходов (overhead) на передачу сигналов. Во-первых, это дополнительная сложность эталонной сигнализации для поддержки канала с RIS, во-вторых, дополнительный объём данных сигнализации для настройки и управления самой RIS.

Традиционные сотовые сети можно аппроксимировать как имеющие три степени свободы для задания лучей канала на передатчике и приёмнике (базовой станции и терминале абонента соответственно) – вертикально и горизонтально на BS и линейно на устройстве. Однако, сеть с RIS может значительно увеличить число степеней свободы. В соте базовой станции может быть несколько RIS, каждая из которых добавляет еще одну степень свободы. Кроме того, каждая RIS, в свою очередь, может создавать другие узкие лучи, что кратно увеличивает количество опорных сигналов на одну степень свободы для базовой станции. В целом это приводит к существенно более высоким накладным расходам на конфигурацию канала, то есть, к многократному росту объёма данных сигнализации.

Чтобы получить достаточную мощность сигнала отражения в желаемом направлении, RIS должна иметь значительное количество метаэлементов, до тысяч и более. Даже если число степеней свободы управления таким количеством элементов ограничить, например, исключив все комбинации, приводящие к когерентным отраженным волнам, и исключив избыточные направления волн, объёмы данных сигнализации для такого узла в сети все равно могут быть весьма существенными.

То есть, чем больше площадь соты, тем большие размеры RIS требуются, чтобы получить более узкий направленный луч и соответственно, тем больше накладные расходы на сигнализацию в соте мобильной сети.

Нельзя сказать, что эту проблему невозможно решить в 6G, но, если говорить о 5G NR, она существенно ограничивает возможности RIS для данного стандарта. А поскольку RIS – это не «вещь в себе» и эта технология должна работать как в существующих, так и в будущих сетях, и обеспечивать их интеграцию, то пока это является одним из самых существенных препятствий на пути практической реализации RIS.

Эта проблема, возможно, может быть решена при помощи использования машинного обучения и ИИ в системах управления радиоресурсами RMS (Radio-resource Management System). Но на данных момент таких разработок нет, не говоря об опытных зонах.

Стоимость владения ТСО

Одним из существенных преимуществ RIS, по прогнозам, является их дешевизна, например, по сравнению с NCR. Однако, это дешевизна производства RIS, как части капитальных затрат (САРЕХ). Вопрос полной стоимости владения (развёртывание оборудования в сети, операционные расходы и пр.) пока остаётся открытым. Пока непонятно, например, кто будет развёртывать RIS, например, на стенах домов, как показано на рис. 2. Будет ли оператор связи нести эти расходы? Тогда в полный рост встает вопрос аренды сайта, получение разрешительных документов. Или это будет делать девелоперская компания? В этом случае необходимо на регуляторном уровне решить вопрос о том, что, например, при производстве стеновых панелей в них будут изначально встраиваться поверхности RIS, с последующей их арендой оператором связи. А это, в свою очередь требует стандартизации RIS с последующей разработкой нормативной документации. Получается замкнутый круг.

Если все эти вопросы полностью «повесить» на оператора связи, его ТСО значительно возрастёт, в то время как у него, как правило, и без того много проблем с инвестициями на развитие сети и внедрение новых типов услуг.

Это довольно сложная проблема, требующая взаимной интеграции усилий различных игроков различных рынков, то есть здесь имеются довольно большие сложности организационно-регуляторного плана.

3.    Заключение

Это далеко не полный перечень проблем, возникающих на пути практической реализации парадигмы управления средой радиопередачи и радиоприёма при помощи RIS. Но даже изучив его (причем в каждой проблеме можно найти еще и дополнительные сложности и следствия), становится понятным, почему 3GPP пока решило отложить стандартизацию RIS «до лучших времён).

Но неужели всё так плохо? Можно предположить, что RIS имеет некоторые перспективы при использовании в фиксированных беспроводных сетях FWA (Fixed Wireless Network), как показано на рисунке ниже.

Фиксированные беспроводные сети FWA помогут реализовать доступ к Интернет без использования проводной сети радиодоступа на базе WiFi. В помещении отсутствует WiFi-роутер, а интернет предоставляется от базовой станции 5G оператора связи. Такие сети уже есть и даже имеют повышенный спрос пользователей.

Проблема здесь, однако, в том, что сигнал от внешней базовой станции FWA плохо проникает через каменные стены домов (см. рис.3), однако, через окна сигнал проходит хорошо. Расположив у окна отражающую поверхность RIS и управляя ей от сети 5G, можно обеспечить хорошее качество покрытия внутри дома без «слепых зон» (см. видео здесь). Такое управление для нескольких пользователей дома или нескольких десятков пользователей небольшого предприятия от сети оператора связи поможет решить проблемы покрытия WiFi внутри помещений. В этом случае проблемы большого количества данных сигнализации или загрязнения побочными частотами (pilot contamination) довольно легко решаются за счёт небольшого количества пользователей и ограниченной площади.

Эту модель можно рассматривать как самый первый шаг к повсеместному использованию RIS, который, однако, ещё предстоит сделать.

---

[1] IAB (Integrated Access/Backhaul); https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_IAB.html

[2] Network-Controlled Repeater — An Introduction; https://arxiv.org/abs/2403.09601

[3] Smart Radio Environments Empowered by Reconfigurable Intelligent Surfaces: How it Works, State of Research, and Road Ahead; https://arxiv.org/pdf/2004.09352