Метаматериалы могут решить одну из больших проблем 6G

Nov 22, 2023

Доступной пропускной способности будет достаточно, если мы будем использовать реконфигурируемые интеллектуальные поверхности.

Уровень земли в типичном городском каньоне, защищенном высокими зданиями, будет недоступен для некоторых частот 6G. Умелое размещение реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (желтых) позволит сигналам проникать в эти области.

Для всех бурных Революция в беспроводных технологиях за последние несколько десятилетий имела несколько констант. Один из них — это перегруженность радиодиапазонов, а другой — попытка избежать этой перегрузки за счет использования все более и более высоких частот. И сегодня, когда инженеры развертывают 5G и планируют беспроводную связь 6G, они оказались на распутье: после многих лет разработки сверхэффективных передатчиков и приемников и компенсации потерь сигнала в конечных точках радиоканала, они начинают осознать, что они приближаются к практическим пределам эффективности передатчика и приемника. Отныне, чтобы добиться высокой производительности при переходе на более высокие частоты, нам нужно будет спроектировать сам беспроводной канал. Но как мы можем спроектировать и контролировать беспроводную среду, которая определяется множеством факторов, многие из которых случайны и, следовательно, непредсказуемы?

Возможно, наиболее перспективным решением на данный момент является использование реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей. Это плоские структуры, размер которых обычно варьируется от примерно 100 квадратных сантиметров до примерно 5 квадратных метров и более, в зависимости от частоты и других факторов. В этих поверхностях используются современные вещества, называемые метаматериалами, для отражения и преломления электромагнитных волн. Тонкие двумерные метаматериалы, известные как метаповерхности, могут быть спроектированы так, чтобы воспринимать локальную электромагнитную среду и настраивать ключевые свойства волны, такие как ее амплитуда, фаза и поляризация, когда волна отражается или преломляется поверхностью. Таким образом, когда волны падают на такую ​​поверхность, она может изменить направление падающих волн, чтобы укрепить канал. Фактически, эти метаповерхности можно запрограммировать на динамическое внесение этих изменений, переконфигурируя сигнал в реальном времени в ответ на изменения в беспроводном канале. Думайте о реконфигурируемых интеллектуальных поверхностях как о следующем развитии концепции ретранслятора.

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности могут сыграть большую роль в грядущей интеграции беспроводных и спутниковых сетей.

Это важно, потому что по мере перехода к более высоким частотам характеристики распространения становятся более «враждебными» по отношению к сигналу. Беспроводной канал постоянно меняется в зависимости от окружающих объектов. На частотах 5G и 6G длина волны исчезающе мала по сравнению с размерами зданий, транспортных средств, холмов, деревьев и дождя. Волны более низкой частоты дифрагируют вокруг таких препятствий или сквозь них, а сигналы более высоких частот поглощаются, отражаются или рассеиваются. По сути, на этих частотах сигнал прямой видимости — это все, на что вы можете рассчитывать.

Подобные проблемы помогают объяснить, почему тема реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) является одной из самых горячих в исследованиях беспроводной связи. Ажиотаж оправдан. За последние несколько лет набрала обороты активность и результаты исследований и разработок, вызванные разработкой первых метаматериалов с цифровым управлением почти 10 лет назад.

Эта статья была подготовлена ​​совместно IEEE Spectrum и Proceedings of IEEE, аналогичные версии опубликованы в обеих публикациях. Чтобы узнать больше о реконфигурируемых интеллектуальных поверхностях, те, у кого есть доступ к IEEE Xplore, могут загрузить полный специальный выпуск по этой теме.

Прототипы RIS демонстрируют большие перспективы во множестве лабораторий по всему миру. И все же один из первых крупных проектов, Visorsurf, финансируемый Европой, начался всего пять лет назад и продлился до 2020 года. Первые публичные демонстрации технологии произошли в конце 2018 года компаниями NTT Docomo в Японии и Metawave из Карлсбада, Калифорния.

Сегодня сотни исследователей в Европе, Азии и США работают над применением RIS для создания программируемых и интеллектуальных беспроводных сред. Такие поставщики, как Huawei, Ericsson, NEC, Nokia, Samsung и ZTE, работают самостоятельно или в сотрудничестве с университетами. Крупнейшие сетевые операторы, такие как NTT Docomo, Orange, China Mobile, China Telecom и BT, проводят серьезные испытания RIS или планируют это сделать. Эта работа неоднократно демонстрировала способность RIS значительно усиливать сигналы в наиболее проблемных диапазонах 5G и 6G.