Умные Поверхности для Сетей Будущего: Новый Шаг к 6G

Автор: Денис Аветисян

Исследователи представили масштабируемую реконфигурируемую интеллектуальную поверхность, способную значительно улучшить качество связи в сетях 5G и 6G.

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"

Плитка RIS, состоящая из шестнадцати элементарных ячеек, обеспечивает <span class="katex-eq" data-katex-display="false">3</span>-битное разрешение фазы, что позволяет точно управлять электромагнитным излучением. — Плитка RIS, состоящая из шестнадцати элементарных ячеек, обеспечивает $3$ -битное разрешение фазы, что позволяет точно управлять электромагнитным излучением.

Представлен дизайн реконфигурируемой интеллектуальной поверхности с 3-битным фазовым разрешением и высокой полосой пропускания для работы в диапазоне 3.6 ГГц.

Несмотря на постоянное развитие беспроводных сетей, управление распространением радиосигнала остается сложной задачей. В данной работе, посвященной разработке масштабируемой реконфигурируемой интеллектуальной поверхности (RIS) ‘A Scalable Reconfigurable Intelligent Surface with 3 Bit Phase Resolution and High Bandwidth for 3.6 GHz 5G/6G Applications’, предложен инновационный дизайн, работающий на частоте 3.6 ГГц с 3-битным разрешением фазового сдвига и обеспечивающий широкую полосу пропускания. Достигнута высокая масштабируемость и низкое энергопотребление, а также продемонстрирована конкурентоспособная отражающая способность в диапазоне n78. Может ли данная RIS-архитектура стать ключевым элементом для создания интеллектуальных радиосред и реализации передовых приложений в сетях 5G/6G?

Интеллектуальные поверхности: Решение проблем беспроводной связи нового поколения

Современные беспроводные системы связи сталкиваются со значительными трудностями в динамически меняющихся условиях и при наличии препятствий на пути радиосигнала. Изменения в окружающей среде, такие как перемещение объектов или появление новых зданий, приводят к ослаблению сигнала, возникновению помех и, как следствие, к снижению качества связи и скорости передачи данных. Блокировка сигнала, вызванная стенами, деревьями или другими объектами, создает “мертвые зоны”, где связь отсутствует или крайне нестабильна. Эти проблемы особенно актуальны в городских условиях и в помещениях, где много препятствий и источников помех, что ограничивает возможности существующих технологий и требует поиска новых решений для обеспечения надежной и высокоскоростной беспроводной связи.

Интеллектуальные отражающие поверхности (RIS) представляют собой инновационный подход к управлению радиоволнами, позволяющий активно формировать и направлять беспроводные сигналы. В отличие от традиционных методов, таких как увеличение мощности передатчика или использование ретрансляторов, RIS состоят из множества пассивных элементов, способных изменять фазу и амплитуду отраженных волн. Это позволяет создавать виртуальные линии прямой видимости, обходить препятствия и фокусировать сигнал в конкретных областях, значительно улучшая качество связи и расширяя зону покрытия. Благодаря возможности динамической адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды, RIS открывают новые перспективы для повышения эффективности беспроводных сетей пятого и шестого поколений, обеспечивая надежную и высокоскоростную связь даже в сложных условиях.

Интеллектуальные отражающие поверхности (IRS) представляют собой экономически эффективную альтернативу традиционным ретрансляторам для улучшения качества и зоны покрытия беспроводной связи. В отличие от активных ретрансляторов, требующих энергоснабжения и сложного оборудования, IRS состоят из пассивных элементов, способных динамически перенаправлять радиоволны. Это достигается за счет изменения фазы и амплитуды отраженного сигнала, что позволяет обойти препятствия и усилить сигнал в зонах слабого приема. Благодаря своей простоте и низкой стоимости, IRS открывают возможности для повсеместного развертывания в городских условиях, обеспечивая надежную связь даже в сложных радиосредах и значительно снижая затраты на инфраструктуру.

Измерения и моделирование показали, что плитки RIS с квантованием в 1 <span class="katex-eq" data-katex-display="false">bit</span> и 3 <span class="katex-eq" data-katex-display="false">bit</span> демонстрируют различные характеристики амплитуды и фазы в частотном диапазоне n78. — Измерения и моделирование показали, что плитки RIS с квантованием в 1 $bit$ и 3 $bit$ демонстрируют различные характеристики амплитуды и фазы в частотном диапазоне n78.

Элементарная ячейка: Основа интеллектуального управления

Элементарная ячейка является базовым компонентом реконфигурируемой интеллектуальной поверхности (RIS) и отвечает за манипулирование фазой входящего электромагнитного сигнала. Функционально, каждая ячейка действует как миниатюрный фазовращатель, изменяя фазу сигнала без изменения его амплитуды. Это позволяет RIS управлять отраженным сигналом, направляя его в заданном направлении и компенсируя потери при распространении. Эффективность управления фазой непосредственно влияет на производительность RIS, определяя возможности формирования луча и улучшения качества связи. Контроль фазы осуществляется посредством изменения электрических характеристик элементов внутри ячейки, таких как импеданс или диэлектрическая проницаемость.

Базовая ячейка отражающего интеллектуального радиополя (RIS) состоит из трех основных компонентов: излучающей антенны (patch antenna), диэлектрической подложки, обычно изготавливаемой из FR4, и элементов, обеспечивающих фазовый сдвиг сигнала. Антенна служит для излучения и приема электромагнитных волн, в то время как FR4 выполняет роль опорной структуры и влияет на характеристики излучения. Элементы фазового сдвига, интегрированные в структуру ячейки, позволяют точно управлять фазой отраженного сигнала, что является ключевым для формирования направленного луча и улучшения характеристик беспроводной связи. Конкретная реализация элементов фазового сдвига может варьироваться, но общая цель — обеспечить дискретный или непрерывный контроль фазы сигнала.

Наличие воздушного зазора между антенным излучателем и плоскостью земли является критически важным фактором для расширения полосы пропускания и минимизации потерь сигнала в элементах реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS). Этот зазор снижает ёмкостную связь между антенной и землей, уменьшая потери на диэлектрические потери в подложке и, как следствие, увеличивая эффективность излучения. Оптимизация высоты воздушного зазора позволяет добиться более широкой полосы пропускания, необходимой для поддержки различных частотных диапазонов и повышения скорости передачи данных. Конструкция с воздушным зазором также способствует улучшению согласования импеданса, что уменьшает отражения сигнала и повышает общую производительность RIS.

Решетчатая интеллектуальная поверхность (RIS) размером <span class="katex-eq" data-katex-display="false">1.56\text{\}{\mathrm{m}}^{2}</span> состоит из 576 элементарных ячеек и обеспечивает фазовое разрешение в 1 бит. — Решетчатая интеллектуальная поверхность (RIS) размером $1.56\text{\}{\mathrm{m}}^{2}$ состоит из 576 элементарных ячеек и обеспечивает фазовое разрешение в 1 бит.

Стратегии управления фазой: Разрешение 1 бит против 3 бит

В схемах управления фазой применяются два основных подхода к разрешению фазы: 1-битное и 3-битное, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. 1-битное разрешение использует простой переключатель SPDT для достижения фазового сдвига в 180°, что обеспечивает простоту реализации, но ограничивает возможности точного управления фазой. 3-битное разрешение, напротив, задействует переключатель SP8T и микрополосковые линии передачи для достижения более мелких шагов фазового сдвига в 45°, что позволяет создавать более сложные алгоритмы формирования диаграммы направленности. Выбор между этими подходами зависит от требований конкретного приложения к точности управления фазой и сложности системы.

Разрешение в 1 бит использует простой переключатель SPDT (single-pole double-throw) для обеспечения фазового сдвига на 180°. Данная схема отличается конструктивной простотой и минимальными затратами на реализацию, однако ограничивает возможности точного управления фазой сигнала. Вследствие дискретности фазового сдвига, применение данной схемы ограничено задачами, не требующими высокой точности формирования диаграммы направленности или компенсации фазовых искажений.

Разрешение 3-бит достигается за счет использования переключателя SP8T и линий микрополоскового типа, что позволяет реализовать ступенчатое изменение фазы с шагом в 45°. Такая точность фазового сдвига критически важна для формирования диаграммы направленности (beamforming) более сложной конфигурации, требующей точного управления фазой сигнала для каждого элемента антенной решетки. Применение линий микрополоскового типа обеспечивает необходимые электрические характеристики для реализации требуемых фазовых сдвигов в заданном диапазоне частот.

Проведенные испытания показали, что разработанные схемы, использующие фазовый контроль с разрешением 1 бит, 2 бита (виртуальное) и 3 бита, демонстрируют полосу пропускания, превышающую 500 МГц. Этот показатель существенно превосходит аналогичные разработки, представленные в научной литературе, что подтверждается сравнительным анализом характеристик и позволяет использовать данные схемы в высокочастотных приложениях, требующих широкой полосы пропускания и точного управления фазой.

Подтверждение производительности: Измерения и характеризация

Измерения с использованием векторного анализатора цепей (VNA) являются критически важными для определения коэффициентов отражения от реконфигурируемой интеллектуальной поверхности (RIS). Коэффициент отражения, представляющий собой отношение амплитуды отражённой волны к амплитуде падающей волны, непосредственно характеризует эффективность сопряжения RIS с передаваемым сигналом. VNA позволяет измерить эти коэффициенты в широком диапазоне частот и оценить потери сигнала, возникающие из-за отражений. Точные измерения коэффициентов отражения необходимы для оптимизации конструкции RIS и обеспечения эффективной работы системы связи, поскольку высокие коэффициенты отражения могут привести к интерференции и снижению качества сигнала.

При проведении измерений с использованием векторного анализатора цепей (VNA) для характеризации отражающих свойств RIS применяется процедура временной фильтрации (time-gating). Данная процедура необходима для исключения нежелательных отражений, возникающих от несогласованности соединительных кабелей, тестового оборудования и других элементов измерительной схемы. Временная фильтрация позволяет идентифицировать и отфильтровать эти паразитные отражения, которые могут искажать результаты измерений и приводить к неверной оценке коэффициентов отражения RIS. Это достигается путем установки временного окна, охватывающего только полезный сигнал, отраженный от RIS, и подавления всех сигналов, приходящих вне этого окна. Точная настройка параметров временной фильтрации критически важна для обеспечения достоверности и точности получаемых данных.

В ходе измерений было установлено, что минимальные потери вносимой мощности (insertion loss) для RIS с 1-битным разрешением составляют -3.5 дБ в частотном диапазоне n78. Данный показатель был получен в результате векторно-сетевых измерений и характеризует эффективность отражающего элемента в указанном диапазоне частот. Значение -3.5 дБ указывает на относительно низкие потери сигнала при прохождении через устройство, что подтверждает работоспособность и эффективность конструкции RIS в частотном диапазоне n78.

Разрешение по фазе в 1 бит обеспечивает разность фаз более 100° в полосе частот 500 МГц n78. Это означает, что каждый элемент RIS способен переключать фазу сигнала на величину, достаточную для создания заметного сдвига фазы, что критически важно для формирования направленного луча и компенсации затухания сигнала. Данный диапазон фазовых изменений позволяет эффективно управлять отраженным сигналом и оптимизировать его характеристики в рамках указанной полосы частот.

На рисунке представлена схема установки для измерения рупорной антенны.

Оптимизация конструкции и будущие направления

Внедрение пружинных контактов вместо традиционных проводниковых подключений значительно упрощает процесс изготовления антенных решеток и снижает входное реактивное сопротивление. Такой подход позволяет отказаться от трудоемких операций по пайке и сварке проводов, что снижает производственные затраты и повышает надежность конструкции. Уменьшение входного реактивного сопротивления, в свою очередь, способствует более эффективной передаче сигнала и улучшает общую производительность антенны, открывая возможности для создания компактных и экономичных решений в области беспроводной связи.

Представленные разработки открывают возможности для широкомасштабного и экономически эффективного внедрения реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) в различных приложениях сетей 5G и 6G. Упрощение конструкции и снижение энергопотребления отдельных элементов, достигаемое благодаря использованию пружинных контактов вместо проводников, существенно снижает стоимость производства и позволяет создавать масштабируемые решения для улучшения покрытия и пропускной способности беспроводных сетей. Это, в свою очередь, способствует созданию более надежной и адаптивной беспроводной инфраструктуры, способной удовлетворить растущие потребности в высокоскоростной и качественной связи.

Энергоэффективность разработанных реконфигурируемых отражающих поверхностей (RIS) демонстрирует впечатляющие результаты. Отдельный 1-битный элемент потребляет всего 0.20 мВт, что делает его крайне экономичным в использовании. При этом, конфигурация, состоящая из 36 таких элементов, требует суммарного потребления в 7.2 мВт, не включая микроконтроллеры и светодиоды. Эта низкая потребляемая мощность является ключевым фактором для широкомасштабного внедрения RIS в различных приложениях, особенно в сценариях с ограниченными ресурсами питания, и открывает возможности для создания действительно адаптивных и интеллектуальных радиосред.

Энергоэффективность является ключевым фактором для широкого внедрения реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS). Исследования показывают, что отдельный 3-битный элемент, формирующий основу RIS, потребляет всего 2.2 мВт мощности, не включая микроконтроллеры и светодиодные индикаторы. Данный показатель демонстрирует значительный прогресс в снижении энергозатрат, открывая возможности для создания масштабных и экономически эффективных RIS-систем, способных к адаптации и оптимизации беспроводной связи в различных сценариях применения, включая сети 5G и будущие технологии 6G. Такая низкая потребляемая мощность способствует созданию действительно «умных» радиосред, реагирующих на изменения в окружающей среде и обеспечивающих более стабильную и эффективную передачу данных.

Дальнейшие исследования направлены на интеграцию реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) с передовыми технологиями связи и сенсорики, в частности, с концепцией совместной коммуникации и сенсорики (Joint Communication and Sensing, JCS). Такой симбиоз позволит не только значительно повысить эффективность беспроводной передачи данных, но и создать принципиально новые возможности для мониторинга окружающей среды и сбора информации. Внедрение JCS в RIS позволит устройствам одновременно передавать данные и выполнять функции сенсора, например, обнаруживать объекты или измерять параметры окружающей среды, что открывает перспективы для создания интеллектуальных систем в областях, начиная от автономного транспорта и заканчивая умными городами. Ожидается, что подобная интеграция приведет к формированию полностью адаптивных и интеллектуальных радиосред, способных динамически реагировать на изменяющиеся условия и потребности пользователей.

Предлагаемая технология способна кардинально изменить принципы беспроводной связи, создавая действительно интеллектуальные и адаптивные радиосреды. В отличие от традиционных систем с фиксированными параметрами, разработанные реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) позволяют динамически управлять распространением радиоволн, оптимизируя покрытие, пропускную способность и энергоэффективность сети. Это достигается за счет возможности перенаправления и фокусировки сигнала в режиме реального времени, что позволяет обходить препятствия, минимизировать интерференцию и обеспечивать надежную связь даже в сложных условиях. Подобный подход открывает возможности для создания бесшовных и высокопроизводительных сетей нового поколения, способных адаптироваться к изменяющимся потребностям пользователей и динамике окружающей среды, что является ключевым фактором для развития перспективных технологий, таких как 5G и 6G, а также для интеграции с системами совместной связи и сенсорики.

Модель CST, отображающая элементарную ячейку с питающей структурой и контактной пружиной EMI, демонстрирует использование прозрачного синего материала FR4.

Представленная работа демонстрирует, как структура определяет поведение системы беспроводной связи. Разработанная масштабируемая реконфигурируемая интеллектуальная поверхность (RIS) для частотного диапазона 3.6 ГГц, с возможностью широкой фазовой настройки и низкими потерями вносимой мощности, представляет собой целостный подход к управлению радиосредой. Как отмечал Мишель Фуко: «Власть не подавляет, а производит». Аналогично, данная RIS не просто пассивно отражает сигналы, но активно формирует и направляет их, создавая более эффективную и контролируемую среду передачи данных. Подобная архитектура, позволяющая точное управление лучом, подчеркивает важность понимания взаимосвязи между элементами системы и ее общей функциональностью, что является ключевым аспектом проектирования надежных и масштабируемых сетей 6G.

Куда Далее?

Представленная работа, демонстрируя масштабируемость и расширенную полосу пропускания реконфигурируемой интеллектуальной поверхности, логично ставит вопрос о границах применимости и неизбежных компромиссах. Увеличение разрешения фазового сдвига, безусловно, повышает точность формирования луча, однако это требует пропорционального усложнения архитектуры и, следовательно, роста энергопотребления. Элегантность решения заключается в простоте, и любое усложнение должно быть тщательно оправдано реальным выигрышем в производительности, а не голым стремлением к параметрам.

Очевидным направлением дальнейших исследований представляется изучение взаимодействия множества таких поверхностей, создание “умных” радиосред, способных динамически адаптироваться к изменяющимся условиям распространения сигнала. Однако, моделирование и управление подобными системами требует глубокого понимания не только электромагнитных процессов, но и принципов самоорганизации, избежание возникновения нежелательных интерференций и обеспечение стабильности всей системы. Успех в этой области зависит не от мощности вычислительных ресурсов, а от ясности и точности используемых моделей.

В конечном итоге, истинный прогресс не в создании более сложных устройств, а в более глубоком понимании фундаментальных принципов распространения радиоволн и их взаимодействия с окружающей средой. Попытка «залатать» недостатки существующей инфраструктуры без учета её общей архитектуры — занятие тщетное. Решение, как всегда, кроется в простоте и ясности.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.17877.pdf

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

Смотрите также:

2026-02-24 06:28