Интеллектуальные поверхности: новые горизонты связи и сенсорики

Автор: Денис Аветисян

Обзор посвящен перспективному направлению, объединяющему возможности реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (STAR-RIS) для одновременной передачи данных и сбора информации об окружающей среде.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

В сетях беспроводной связи 6G, управляемые отражатели STAR-RIS открывают новые возможности применения и варианты использования, расширяя функциональность JCAS и оптимизируя характеристики сети.

Исследование охватывает фундаментальные принципы, последние достижения и ключевые вызовы в области совместной связи и сенсорики с использованием STAR-RIS для сетей 6G.

Современные беспроводные сети сталкиваются с растущими требованиями к спектральной эффективности и функциональности, что создает потребность в инновационных подходах к совмещению коммуникации и сенсоринга. Данная работа, озаглавленная ‘A Survey on STAR-RIS Enabled Joint Communications and Sensing: Fundamentals, Recent Advances and Research Challenges’, представляет собой всесторонний обзор перспективной технологии реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей, одновременно передающих и отражающих сигналы (STAR-RIS), для реализации парадигмы совмещенной коммуникации и сенсоринга (JCAS). Обзор систематизирует современные исследования в области архитектур систем, разработки волновых форм и алгоритмов оптимизации, демонстрируя потенциал STAR-RIS для повышения эффективности и гибкости сетей 6G. Какие ключевые вызовы необходимо преодолеть для практической реализации интеллектуальных, адаптивных и всесторонне осведомленных беспроводных сетей будущего?

Открытие Эры Интегрированных Сенсоров и Коммуникаций

Традиционные системы беспроводной связи исторически фокусировались преимущественно на передаче данных, рассматривая возможность получения информации об окружающей среде как второстепенную задачу. В результате, ценные данные, которые могли бы быть получены с помощью тех же радиоволн — информация о местоположении объектов, их скорости, даже о структуре материалов — оставались неиспользованными. Эта однобокая направленность приводила к неэффективному использованию спектра и ограничению функциональности беспроводных сетей. Вместо того чтобы использовать радиосигналы одновременно для передачи информации и сбора данных об окружении, системы фокусировались исключительно на коммуникации, упуская возможности для создания более интеллектуальных и адаптивных приложений, требующих постоянного мониторинга и анализа окружающей среды.

Растущая потребность в повсеместном сенсорном восприятии, охватывающем такие области, как беспилотные транспортные средства и интеллектуальные среды, требует фундаментального изменения подхода к беспроводным технологиям. В то время как традиционные системы фокусируются преимущественно на передаче данных, современные приложения нуждаются в постоянном мониторинге окружающей среды для обеспечения безопасности, эффективности и автономности. Например, для беспилотных автомобилей необходимо не только обмениваться информацией, но и точно определять положение других объектов, пешеходов и дорожных условий в режиме реального времени. Аналогично, в умных городах требуется постоянный сбор данных о трафике, качестве воздуха, энергопотреблении и других параметрах для оптимизации работы инфраструктуры и улучшения качества жизни населения. Этот переход от простого обмена информацией к активному восприятию окружающей среды формирует новые требования к беспроводным сетям и стимулирует разработку инновационных технологий, способных одновременно поддерживать связь и сенсорное восприятие.

Совмещенная коммуникация и сенсорика (JCAS) представляет собой передовую технологию, позволяющую одновременно обеспечивать как передачу данных, так и сбор информации об окружающей среде. В отличие от традиционных систем, где эти функции разделены, JCAS использует общие ресурсы — частоты и инфраструктуру — для достижения обеих целей. Это приводит к значительному повышению спектральной эффективности, поскольку один и тот же радиосигнал может использоваться и для передачи информации, и для зондирования пространства. Например, сигнал, предназначенный для связи между устройствами, может одновременно использоваться для создания радиолокационного изображения окружающей среды, определяя положение объектов и их характеристики. Подобный подход не только оптимизирует использование спектра, но и снижает энергопотребление и сложность системы, открывая новые возможности для широкого спектра приложений, от автономного транспорта до интеллектуальных городов и промышленной автоматизации.

Интеграция функций связи и сенсорики играет определяющую роль в реализации полного потенциала сетей 6G. В отличие от предыдущих поколений, где эти аспекты рассматривались раздельно, сети 6G стремятся к одновременной поддержке как надежной передачи данных, так и высокоточного восприятия окружающей среды. Это достигается за счет использования единой инфраструктуры и совместной оптимизации ресурсов, что позволяет значительно повысить спектральную эффективность и снизить задержки. Такой подход особенно важен для развития критически важных приложений, таких как автономное вождение, расширенная реальность и промышленный интернет вещей, где требуется не только быстрая связь, но и детальное понимание обстановки в режиме реального времени. Внедрение совмещенных систем связи и сенсорики является, таким образом, ключевым фактором для перехода к интеллектуальным сетям будущего.

STAR-RIS: Путь к Реализации JCAS

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (STAR-RIS) представляют собой перспективное решение для управления распространением электромагнитных волн благодаря динамическому контролю над их отражением и преломлением. В отличие от традиционных методов, таких как увеличение мощности передатчика или развертывание большего количества базовых станций, STAR-RIS позволяют формировать электромагнитное поле непосредственно в пространстве, изменяя характеристики поверхности. Это достигается за счет использования большого числа пассивных отражающих элементов, каждый из которых может независимо управлять фазой и амплитудой отраженного сигнала. В результате STAR-RIS способны оптимизировать распространение сигнала, преодолевать препятствия и обеспечивать более надежную связь в сложных радиосредах без активного излучения энергии, что снижает энергопотребление и повышает эффективность беспроводных сетей.

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (STAR-RIS) обеспечивают усиление сигнала и расширение зоны покрытия за счет управления отражением и передачей электромагнитных волн. В отличие от традиционных методов, STAR-RIS позволяет формировать направленные пучки отраженных сигналов, компенсируя потери распространения и создавая более сильные и стабильные каналы связи. Кроме того, возможность точного управления фазой и амплитудой отраженных волн позволяет использовать STAR-RIS для высокоточного зондирования и определения местоположения объектов, что открывает перспективы для применения в системах позиционирования и мониторинга окружающей среды. Эффективность STAR-RIS в задачах точного зондирования достигается за счет формирования уникальных отражающих профилей, позволяющих различать объекты по их отражающим характеристикам.

В основе функционирования поверхностей реконфигурируемого интеллекта (STAR-RIS) лежит возможность применения методов формирования диаграммы направленности (Beamforming) и проектирования сигналов (Waveform Design). Beamforming позволяет динамически управлять направлением и формой электромагнитных волн, фокусируя энергию сигнала в заданном направлении и минимизируя интерференцию. Проектирование сигналов, в свою очередь, оптимизирует параметры передаваемых сигналов — такие как частота, фаза и амплитуда — для улучшения качества связи и повышения эффективности использования ресурсов. Комбинированное применение этих методов позволяет STAR-RIS адаптироваться к изменяющимся условиям распространения сигнала и обеспечивать оптимальное покрытие и пропускную способность в беспроводных сетях.

Эффективное распределение ресурсов является ключевым фактором для максимизации преимуществ STAR-RIS в развертываниях JCAS (Joint Communication and Sensing). Оптимизация распределения ресурсов включает в себя динамическое назначение элементов поверхности STAR-RIS для формирования лучей и оптимизации формы волны, что позволяет повысить мощность сигнала и точность зондирования. Важным аспектом является минимизация интерференции и обеспечение справедливого доступа к ресурсам для нескольких пользователей и сенсоров. Алгоритмы распределения ресурсов должны учитывать ограничения по энергопотреблению, задержке и пропускной способности, а также адаптироваться к изменениям в окружающей среде и требованиям к обслуживанию. Реализация эффективных стратегий распределения ресурсов требует совместного проектирования алгоритмов управления поверхностью STAR-RIS и протоколов сетевого взаимодействия.

STAR-RIS может быть реализован как в пассивной (а), так и в активной (б) архитектуре, определяющей возможности управления сигналом.

Оптимизация Протоколов STAR-RIS для Повышения Производительности JCAS

Для оптимизации производительности систем JCAS (Joint Communication and Sensing) исследуются различные протоколы STAR-RIS (Reconfigurable Intelligent Surface), включая разделение энергии (Energy Splitting), переключение во времени (Time Switching) и переключение режимов (Mode Switching). Протокол разделения энергии позволяет одновременно выделять ресурсы STAR-RIS для коммуникации и зондирования, регулируя мощность отраженного и прошедшего сигнала. Переключение во времени предполагает чередование временных интервалов, выделенных для задач связи и сенсорики, обеспечивая гибкое распределение ресурсов. Переключение режимов предусматривает настройку STAR-RIS для работы в различных режимах, оптимизированных либо для коммуникации, либо для сенсорики, в зависимости от текущих требований системы и условий распространения сигнала. Эффективность каждого протокола оценивается по таким показателям, как CRB (Cramér-Rao bound), SCNR (Signal-to-Noise-plus-Interference Ratio) и SPEB (Sensing Performance Evaluation Benchmark).

Протоколы STAR-RIS динамически изменяют характеристики отражения и передачи сигнала для достижения баланса между задачами связи и зондирования. Это достигается путем регулирования амплитуды и фазы отраженных волн, а также путем переключения между режимами полной передачи, полной отражательной способности или их комбинацией. Изменение этих параметров позволяет оптимизировать как пропускную способность канала связи, так и точность обнаружения объектов в сценариях зондирования, обеспечивая адаптацию к изменяющимся условиям распространения сигнала и приоритетам задач JCAS. Конкретные алгоритмы управления отражением и передачей зависят от выбранного протокола, но общая цель — максимизировать производительность системы, учитывая взаимосвязь между коммуникационными и сенсорными требованиями.

Для повышения эффективности систем JCAS используются алгоритмы машинного обучения, адаптирующие работу системы к изменяющимся условиям среды и оптимизирующие ее параметры. Применение машинного обучения позволяет улучшить ключевые показатели производительности, такие как граница Крэмера-Рао (CRB), отношение сигнал/шум (SCNR) и вероятность правильного обнаружения (SPEB). Оптимизация параметров, осуществляемая алгоритмами машинного обучения, включает в себя адаптацию стратегий отражения и передачи сигнала на основе анализа текущей обстановки и характеристик канала связи, что позволяет добиться более высокой точности и надежности функционирования системы JCAS.

Эффективная оценка каналов связи является критически важной для обеспечения точной обработки сигналов и надежной работы систем JCAS. Неточности в оценке характеристик каналов, таких как затухание, фазовый сдвиг и многолучевость, приводят к ухудшению качества принимаемых сигналов и снижению производительности алгоритмов обработки. Для минимизации этих негативных эффектов применяются различные методы оценки каналов, включая пилотные сигналы, оценку на основе обратной связи и алгоритмы слепого восстановления каналов. Точность оценки каналов напрямую влияет на такие ключевые показатели, как $CRB$ (предел Кремера-Рао), $SCNR$ (отношение сигнал/шум при когерентном детектировании) и $SPEB$ (вероятность ошибки обнаружения), определяющие эффективность коммуникации и сенсорных возможностей системы JCAS.

STAR-RIS функционирует по трем основным протоколам: энергосберегающему (ES), многоцелевому (MS) и целевому (TS), каждый из которых предназначен для оптимизации различных сценариев.

Решение Проблем и Расширение Горизонтов

Внедрение систем совместной связи и сенсорики (JCAS) с использованием рефлектирующих поверхностей STAR-RIS в сложных средах, особенно с применением XL-массивов, требует разработки надежной системной архитектуры. Эффективное функционирование в таких условиях подразумевает комплексный подход к проектированию, учитывающий взаимодействие всех компонентов системы — от антенных решеток и алгоритмов обработки сигналов до протоколов связи и управления ресурсами. Особое внимание уделяется оптимизации конфигурации STAR-RIS для обеспечения максимального покрытия и качества сигнала, а также разработке алгоритмов, способных адаптироваться к динамически меняющимся условиям окружающей среды. Продуманная системная архитектура является ключевым фактором для обеспечения надежности, масштабируемости и эффективности JCAS в реальных сценариях применения, таких как умные города, промышленная автоматизация и автономный транспорт.

Обеспечение надёжной связи и высокой точности сенсорных измерений является ключевым фактором для успешного внедрения систем совместной связи и сенсорики (JCAS) в реальных условиях. Нестабильность сигнала или неточность данных могут существенно снизить эффективность приложений, начиная от автономного вождения и заканчивая промышленным мониторингом. Исследования показывают, что для поддержания требуемого уровня надёжности необходимо учитывать множество факторов, включая помехи, затухание сигнала и динамически меняющуюся среду. Разработка алгоритмов, устойчивых к этим воздействиям, и использование передовых методов обработки сигналов, таких как адаптивная фильтрация и коррекция ошибок, имеют решающее значение. В конечном счете, надёжность и точность являются не просто техническими характеристиками, а определяющими факторами, влияющими на доверие пользователей и широкое распространение технологий JCAS.

Обеспечение конфиденциальности и смягчение проблем безопасности, включая потенциальное спуфинг-атаку или глушение сигнала, представляется критически важным фактором для широкого внедрения технологий совместной связи и сенсорики (JCAS). Разработка надежных механизмов защиты от несанкционированного доступа к данным, полученным в процессе сенсоринга, и предотвращения манипулирования передаваемой информацией является первостепенной задачей. Исследования в этой области направлены на создание систем, устойчивых к различным видам атак, включая подмену идентификаторов, искажение данных и нарушение целостности коммуникационных каналов. Эффективные меры защиты должны обеспечивать не только конфиденциальность пользовательских данных, но и гарантировать достоверность информации, необходимой для функционирования различных сервисов и приложений, использующих JCAS.

Повышенная сложность систем совместной коммуникации и сенсорики (JCAS) требует внедрения алгоритмов оптимизации, работающих в режиме реального времени и обладающих низкой вычислительной сложностью, для эффективного управления ресурсами и обеспечения одновременной передачи данных и сбора информации. Развитие технологий ближней связи (Near-Field Communication) и методов прогнозирования мобильности пользователей открывает новые перспективы для расширения спектра сервисов, предоставляемых на основе JCAS. Особенно актуально это для приложений, требующих высокой точности позиционирования и адаптации к динамически меняющимся условиям окружающей среды, что позволит создавать более интеллектуальные и отзывчивые системы, способные эффективно функционировать в сложных сценариях использования.

Исследование, посвященное технологиям STAR-RIS и совместному использованию коммуникаций и сенсорики (JCAS), подчеркивает необходимость осторожного подхода к интерпретации получаемых данных. Разработчики стремятся создать системы, способные не только передавать информацию, но и воспринимать окружающую среду. Однако, как показывает практика, любое упрощение реальности в моделях неизбежно вносит погрешности. В связи с этим, актуален взгляд Людвига Витгенштейна: «Предел моего языка есть предел моего мира». Эта фраза напоминает, что точность описания ограничена инструментами и методами, доступными исследователям. Подобно тому, как STAR-RIS стремится оптимизировать передачу сигнала, необходимо постоянно подвергать сомнению и пересматривать собственные предположения, чтобы приблизиться к более полному пониманию сложной картины беспроводных сетей 6G.

Куда двигаться дальше?

Представленный обзор, хотя и систематизирует текущее состояние исследований в области STAR-RIS-enabled Joint Communications and Sensing (JCAS), лишь подчеркивает масштаб нерешенных вопросов. Увлечение многообещающими моделями, как правило, опережает понимание их применимости в реальных условиях распространения радиоволн. Оптимизация, столь привлекательная в симуляциях, сталкивается с жесткими ограничениями вычислительной мощности и доступности данных в практических системах. Необходимо помнить, что красивая корреляция — не причина, а лишь сигнал к более глубокому контекстуальному анализу.

Ключевым направлением представляется разработка робастных алгоритмов оценки каналов, способных компенсировать неидеальность STAR-RIS и динамические изменения окружающей среды. Вопрос совместной оптимизации формы сигнала и формирования луча требует перехода от эвристических подходов к более строгим математическим моделям, учитывающим компромисс между пропускной способностью и энергоэффективностью. Важно признать, что достижение потенциала JCAS в сетях 6G требует не только инновационных алгоритмов, но и переосмысления архитектуры сети.

В конечном счете, успех данного направления исследований будет определяться не количеством опубликованных статей, а способностью преодолеть разрыв между теоретическими моделями и практическими ограничениями. Данные не лгут, но их интерпретация всегда подвержена человеческим предубеждениям. Истина, как правило, рождается не из единого прозрения, а из последовательности проверок, ошибок и, главное, сомнений.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.09589.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-11 23:51