Умные Поверхности для Связи: Новая Эра mmWave

Автор: Денис Аветисян

---

В статье представлен обзор текущего состояния исследований реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) для высокоскоростной беспроводной связи в диапазоне миллиметровых волн.

Обзор аппаратных решений, системных аспектов и перспектив практического применения RIS в сетях 6G.

Несмотря на значительный прогресс в моделировании каналов и обработке сигналов, практическое развертывание реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) в миллиметровом диапазоне часто сдерживается аппаратными ограничениями. В данной работе, ‘Millimeter-Wave RIS: Hardware Design and System-Level Considerations’, представлен обзор последних достижений в области аппаратной реализации RIS, включая широкополосные конструкции, высокоразрешающее фазовое управление и малозатратные печатные реализации. Особое внимание уделяется ключевым проблемам, таким как взаимная связь элементов, калибровка и управление фазой в зависимости от частоты. Смогут ли новые архитектуры RIS преодолеть эти ограничения и обеспечить масштабируемые, эффективные и практически применимые решения для сетей связи 6G?

---

Беспроводная связь на пределе: вызовы и перспективы

Современные беспроводные системы, несмотря на свою технологическую сложность, сталкиваются с растущей проблемой обеспечения необходимой пропускной способности и эффективности использования спектра. Экспоненциальный рост количества мобильных устройств и приложений, требующих передачи данных — от потокового видео высокого разрешения до облачных вычислений и интернета вещей — оказывает колоссальное давление на существующую инфраструктуру. Традиционные методы увеличения пропускной способности, такие как установка дополнительных базовых станций или расширение полосы частот, становятся все более дорогостоящими и сложными в реализации, особенно в густонаселенных городских районах. Эта ситуация требует поиска принципиально новых подходов к управлению беспроводной связью, способных эффективно использовать ограниченные ресурсы радиочастотного спектра и удовлетворять постоянно растущие потребности пользователей в высокоскоростном и надежном беспроводном доступе.

Традиционные методы увеличения пропускной способности беспроводных сетей, такие как установка дополнительных базовых станций и расширение полосы частот, сталкиваются с растущими экономическими и техническими трудностями. Увеличение количества базовых станций требует значительных инвестиций в инфраструктуру, включая землю, электроэнергию и обслуживание, а также порождает проблемы с радиочастотным излучением и визуальным загрязнением окружающей среды. В свою очередь, расширение полосы частот ограничено доступным спектром и требует сложной координации между операторами связи, а также может приводить к интерференции и снижению качества сигнала. Эти факторы делают дальнейшее развитие сети, основанное исключительно на традиционных подходах, всё более неэффективным и нерентабельным, подчеркивая необходимость поиска принципиально новых решений для удовлетворения растущих потребностей в беспроводной связи.

Ограниченность традиционных методов увеличения пропускной способности беспроводных сетей подталкивает исследователей к поиску принципиально новых подходов к управлению и использованию радиочастотного спектра. Вместо дальнейшего увеличения количества базовых станций или расширения полосы пропускания, акцент смещается на интеллектуальное манипулирование сигналами и окружающей средой. Разрабатываются технологии, использующие массивы антенн, направленное излучение и отражение сигналов, а также адаптивное формирование луча для повышения эффективности использования спектра и снижения помех. Эти инновации направлены на создание более гибких, энергоэффективных и надежных беспроводных систем, способных удовлетворить растущие потребности в передаче данных в эпоху повсеместного подключения.

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности: новый горизонт управления радиоволнами

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) представляют собой экономически эффективный и энергосберегающий подход к управлению электромагнитными волнами и повышению качества беспроводной связи. В отличие от традиционных методов, требующих активных ретрансляторов или сложных антенных решеток, RIS используют пассивные элементы для манипулирования сигналом, что значительно снижает энергопотребление и стоимость развертывания. Благодаря возможности динамической настройки фазы, амплитуды и поляризации отраженного сигнала, RIS позволяют оптимизировать распространение радиоволн, компенсируя потери и улучшая надежность связи в сложных радиосредах. Низкое энергопотребление и относительно небольшая стоимость делают RIS привлекательным решением для развертывания в сетях 5G и 6G, особенно в сценариях с ограниченными ресурсами и высокой плотностью абонентов.

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) состоят из большого числа пассивных элементов, каждый из которых способен независимо управлять фазой, амплитудой и поляризацией входящего электромагнитного сигнала. Эти элементы, как правило, реализованы в виде метаматериалов или диэлектрических резонаторов, управляемых электронными схемами. Изменяя характеристики каждого элемента, RIS позволяет формировать отраженный или преломленный сигнал, оптимизируя его для улучшения качества беспроводной связи. Управление осуществляется посредством цифровых сигналов, позволяющих динамически адаптировать поверхность к изменяющимся условиям распространения сигнала и потребностям сети. Отсутствие активных компонентов снижает энергопотребление и стоимость системы.

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (РИП) обеспечивают создание виртуальных прямых радиоканалов путем интеллектуального отражения и преломления электромагнитных волн. Это достигается за счет динамического управления фазой, амплитудой и поляризацией отраженного сигнала, позволяя обходить препятствия и улучшать качество связи в условиях прямой видимости. Кроме того, РИП способны снижать уровень интерференции, формируя направленные отражения и подавляя нежелательные сигналы. В результате, применение РИП позволяет расширить зону покрытия беспроводных сетей, повысить надежность связи и увеличить пропускную способность системы без увеличения мощности передатчика.

Тонкая настройка: методы оптимизации реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей

Точность управления отражающими поверхностями (RIS) напрямую зависит от квантования фазовых сдвигов. Существуют схемы квантования как с 1-битным, так и с многобитным представлением фазы. 1-битное квантование, реализуемое с помощью переключения элементов между двумя состояниями, обладает минимальной сложностью, но ограничивает возможности формирования луча и может приводить к снижению производительности. Многобитное квантование, напротив, обеспечивает более точное управление фазой, позволяя формировать более сложные диаграммы направленности и повышая эффективность передачи сигнала, однако требует более сложной аппаратной реализации и управления, увеличивая энергопотребление и стоимость системы. Выбор между этими схемами представляет собой компромисс между сложностью реализации и достижимой производительностью.

Для достижения оптимальной производительности рефлектирующих поверхностей (RIS) требуется тщательная калибровка, учитывающая несовершенства аппаратного обеспечения и влияние внешних факторов. Неточности в изготовлении элементов RIS, а также изменения температуры и влажности окружающей среды, приводят к отклонениям фазовых сдвигов от заданных значений. Кроме того, необходимо учитывать эффект взаимной связи (mutual coupling) между элементами антенной решетки, который возникает из-за электромагнитной индукции и влияет на их характеристики. Процесс калибровки обычно включает в себя измерение фактических фазовых сдвигов каждого элемента и корректировку управляющих сигналов для компенсации выявленных отклонений, что позволяет добиться максимальной эффективности управления лучом и повышения качества связи.

Современные конструкции отражающих поверхностей (RIS), использующие варикапные диоды или системы с жидкостными антеннами, обеспечивают динамическое и адаптивное формирование луча. В отличие от традиционных RIS с дискретными фазовыми сдвигами, данные конструкции позволяют реализовать непрерывное управление фазой, достигая диапазона настройки более 180 градусов. Это расширение функциональности позволяет более точно направлять радиосигнал, компенсировать искажения канала и оптимизировать покрытие сети, что особенно важно в сложных радиосредах. Такой подход существенно повышает гибкость и эффективность RIS, открывая возможности для адаптации к изменяющимся условиям и требованиям сети.

За пределами связи: расширение горизонтов реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) демонстрируют потенциал, выходящий далеко за рамки улучшения характеристик традиционных сотовых сетей. Помимо повышения качества связи, эти поверхности открывают новые возможности в сфере ближней связи и, особенно, в концепции интегрированного зондирования и связи (ISAC). Интегрированное зондирование и связь позволяет одновременно передавать данные и собирать информацию об окружающей среде, что делает RIS перспективными для широкого спектра приложений. Например, они могут использоваться для точного мониторинга окружающей среды, обнаружения объектов и даже для создания более эффективных систем безопасности, объединяя функции связи и сенсорики в едином устройстве.

Разрабатываемые реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) всё чаще выходят за рамки простого улучшения качества связи. Новые конструкции, сочетающие в себе функции передачи данных и сенсорики, открывают перспективные возможности для широкого спектра приложений. Такие двойные RIS способны одновременно обеспечивать надежную беспроводную связь и собирать информацию об окружающей среде, например, для мониторинга параметров окружающей среды или обнаружения объектов. Благодаря интеграции сенсоров непосредственно в структуру RIS, становится возможным создание компактных и энергоэффективных систем, способных решать задачи, требующие одновременного сбора данных и передачи информации, что особенно актуально для “умных” городов, сельского хозяйства и промышленного мониторинга.

Разработанные на чипе отражающие поверхности RIS демонстрируют впечатляющие характеристики миниатюризации и эффективности. Размер элементарной ячейки, составляющий всего 0.23\lambda_0 x 0.23\lambda_0, позволяет интегрировать эти устройства в компактные системы. Работа в диапазоне частот 24.25-29.5 ГГц, соответствующем диапазонам n257 и n258 стандарта 5G, открывает перспективы для высокоскоростной беспроводной связи нового поколения. Измеренное усиление сигнала в 14.7 дБ на частоте 28 ГГц подтверждает высокую эффективность данной реализации и ее потенциал для улучшения качества связи и расширения зоны покрытия беспроводных сетей.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует сложность проектирования реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) для миллиметрового диапазона. Особое внимание уделяется аппаратной реализации и системным аспектам, что подчеркивает необходимость целостного подхода к разработке. Как отмечал Ричард Фейнман: «Если вы не можете объяснить что-то простыми словами, значит, вы сами этого не понимаете». Данный принцип находит отражение в стремлении авторов к оптимизации RIS, где сложность алгоритмов управления должна быть оправдана приростом производительности системы. Элегантность решения, как и в любой хорошо спроектированной системе, заключается в его простоте и эффективности, позволяющей масштабировать технологию к будущим стандартам 6G.

Что Дальше?

Рассмотренные в данной работе реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) предстают не просто технологическим решением для усиления сигнала, но и принципиально новым подходом к управлению радиосредой. Однако, увлечение сложностью аппаратной реализации рискует затмить фундаментальную простоту идеи. Масштабируется не серверная мощность, а ясные идеи, и именно в упрощении архитектуры RIS, в отказе от избыточности и стремлении к минимализму кроется ключ к практическому внедрению.

Подобно экосистеме, где каждая деталь влияет на целое, развитие RIS требует холистического взгляда. Недостаточно оптимизировать фазовый контроль отдельных элементов; необходимо учитывать взаимные влияния, нелинейности и динамическое поведение всей поверхности в реальных условиях распространения. Необходимо выйти за рамки идеализированных моделей каналов и исследовать влияние неоднородностей среды, отражений и рассеяния на эффективность RIS.

В конечном счете, успех RIS в контексте 6G зависит не от гонки за терабитами в секунду, а от способности создать гибкую, адаптивную и энергетически эффективную инфраструктуру связи. Задача состоит не в том, чтобы «заполнить» радиоэфир новыми сигналами, а в том, чтобы разумно использовать существующие ресурсы, создавая гармоничную и устойчивую систему.

---

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.23345.pdf

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

Смотрите также:

• Функциональные поля и модули Дринфельда: новый взгляд на арифметику
• Квантовая самовнимательность на службе у поиска оптимальных схем
• Квантовый скачок: от лаборатории к рынку
• Реальность и Кванты: Где Встречаются Теория и Эксперимент

2026-02-27 17:21