【深智書摘】一頭鑽入6G世界:智慧超表面!

2022/06/07閱讀時間約 5 分鐘
  最近,RIS因其能夠透過智慧地重構無線傳播環境來增強無線網路的容量和覆蓋範圍的潛力而受到極大關注,被認為是6G通訊網路中一項有前途的技術。在此背景下,廣大研究者和企業對RIS進行了大量的研究,包括實現其可重構性的硬體材料、設定的波束成形技術和資源設定技術等。
RIS 輔助通訊系統
智慧超表面基本原理
  RIS 採用可程式化的新型次波長二維超材料,透過數位編碼主動對電磁波進行智慧調控,形成可以對幅度、相位、極化和頻率進行控制的電磁場。智慧超表面技術透過對無線傳播環境的主動控制,在三維空間中實現訊號傳播方向調控、訊號增強或干擾抑制,建構出智慧可程式化的無線環境新範式,可以用於通訊系統中的覆蓋增強,可顯著提升網路傳輸速率、訊號覆蓋及能量效率。透過對無線傳播環境的主動訂製,可根據所需無線功能,如減小電磁污染和輔助定位感知等,對無線訊號進行靈活調控。智慧超表面技術無須傳統結構發射機中的濾波器、混頻器及功率放大器組成的射頻鏈路,可降低硬體複雜度、成本和功耗。
發展歷史和研究現狀
  第六代無線網路,其目標是滿足比5G 更嚴格的要求,如超高的資料速率和能效、全球覆蓋和連接,以及極高的可靠性和低延遲。然而,現有的適應5G 服務的技術趨勢可能無法完全滿足這些要求,這些趨勢主要包括部署越來越多的活躍節點,如基地台(BSs)、存取點(APs)、中繼站和分散式天線/遠端無線電頭端(RRHs),以縮短通訊距離,從而實現增強的網路覆蓋和容量。但這會導致更高的功耗和部署維護成本在基地台/存取點/中繼站封裝更多天線,以利用巨大的多輸入多輸出增益,這需要增加硬體和能源成本及訊號處理複雜性; 遷移到更高的頻段,如毫米波(mmWave)甚至太赫茲(THz)頻率,以利用其大而可用的頻寬,這不可避免地導致部署更多的活動節點,並為其安裝更多的天線,以補償其更高的遠距離傳播損耗。
  鑑於上述問題和限制,迫切需要開發顛覆性的新技術和創新技術,以低成本、低複雜性和低功耗實現未來無線網路的可持續容量增長。除此以外,實現超可靠無線通訊的根本挑戰來自使用者行動性導致的時變無線通道。
  應對這一挑戰的傳統方法,不是透過利用各種調解、編碼和分集技術來補償通道衰落,就是透過自我調整功率/速率控制和波束形成技術來適應通道衰落。然而,這不僅需要額外的負擔,而且在很大程度上對隨機的無線通道的控制也很有限,因此無法克服實現高容量和超可靠無線通訊的最終障礙。
  基於上述原因,為未來6G 及以上的無線網路尋找創新、節能且經濟高效的解決方案仍然迫在眉睫。RIS 成為B5G/6G 無線通訊系統實現智慧和可重構無線通道/無線電傳播環境的有前途的新範例。
  智慧超表面技術最早由電磁學、材料學的科學家進行研究,之後被引入實際應用中,如電磁隱身材料、全息成像、雷達波束掃描等。智慧超表面在20 世紀就已經被提出,其技術前身是軍用雷達和反雷達裝置,主要應用於毫米波、太赫茲等高頻波段,因此在早期並沒有引起行動通訊系統的關注。RIS 是由電磁材料組成的人工表面,透過利用電子器件來實現高度可控。本質上,RIS 可以有意控制入射波的反射/散射特性,以提高接收器處的訊號品質,從而將傳播環境轉為智慧環境。由於其有前途的收益,RIS技術自出現以來受到了各界的廣泛關注,被認為是6G 系統中潛在的關鍵技術之一。
智慧超表面的分類
  目前,各種RIS 正在研究和設計中,其中包括用於發射、反射和透射的表面,以及不同調控方式的表面(主動RIS 與被動RIS)。
  RIS 的重要性質就是可重構性,即可以根據需求操縱電磁波,具體地說,超表面應該能實現電磁操縱功能。
(1)反射:這個功能可以將入射的無線電波反射到一個指定的方向,但這個方向不一定與入射方向一致。
(2)透射:這個功能可以將入射的無線電波折射到一個特定的方向,但這個方向不一定與入射方向一致。
(3)吸收:該功能使指定入射無線電波的反射和折射無線電波為零。
(4)聚焦/波束形成:該功能為聚焦(即集中能量)衝擊的無線電波到指定位置。
(5)極化:這個功能為改變入射無線電波的偏振(舉例來說,入射的無線電波是垂直電偏振,反射的無線電波是水平磁偏振)。
(6)準直:這個功能為聚焦的補充。
(7)分裂:這個功能為一個指定的入射無線電波建立多個反射或折射無線電波。
6G中有前景的應用
  從5G至6G,行動通訊系統在不斷發展,許多關鍵技術都在其中發揮著重要的作用。MIMO 技術演進至今,規模不斷擴大,在提高性能的同時也帶來了一些問題,如複雜度高、硬體成本高、功耗較大。因此,在6G中需要開發更靈活的硬體系統結構,尋找能源效率高、頻譜高、成本低的解決方案。RIS是6G中一種非常有前景的技術,可以輔助通訊、節省成本,並且還具備一些非通訊的用途。
  看完了以上的教學,想必讀者對智慧超表面會有更多的認識。
《高格局超前佈署- 6G潛在網路原理精解》 / 鄭鳳 編著
本文摘錄自深智數位出版之《高格局超前佈署- 6G潛在網路原理精解》
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