IEEE-Websites platzieren Cookies auf Ihrem Gerät, um Ihnen die beste Benutzererfahrung zu bieten.Durch die Nutzung unserer Websites stimmen Sie der Platzierung dieser Cookies zu.Um mehr zu erfahren, lesen Sie unsere Datenschutzrichtlinie.„Das wird alles verändern“, sagte Steve Perlman im Februar in einem Hotelzimmer in New York City, zwei Tage bevor er enthüllte, dass sein neues Start-up Artemis Networks plant, seine drahtlose pCell-Technologie zu kommerzialisieren.„Wir können 2014 alle Ziele von 5G auf 4G-Telefonen erreichen“, sagte er, darunter mehr Netzwerkkapazität und schnellere, zuverlässigere Verbindungen.Viele Wireless-Experten sind nicht überzeugt.„Dies ist eine vielversprechende Technologie, aber einige der Behauptungen scheinen zu gut, um wahr zu sein“, sagt Lingjia Liu von der University of Kansas in Lawrence.Artemis mit Sitz in San Francisco präsentiert pCell als radikale Änderung der Art und Weise, wie drahtlose Netzwerke funktionieren.Das Unternehmen beabsichtigt, die heutigen überlasteten Mobilfunksysteme durch eine völlig neue Architektur zu ersetzen, die Signale von vielen verteilten Sendern kombiniert, um eine winzige Empfangstasche oder „persönliche Zelle“ um jedes drahtlose Gerät herum zu schaffen.Mit genügend Sendern könnte jede zentimeterbreite pCell die volle Bandbreite des Spektrums nutzen, die dem Netzwerk zur Verfügung steht, was ihre Kapazität „effektiv unbegrenzt“ macht, sagt Serienunternehmer Perlman, CEO von Artemis.„Wenn sie das getan haben, was sie sagen, ist das eine absolut bemerkenswerte Leistung“, sagt Giuseppe Caire, Experte für Mehrantennensysteme an der University of Southern California in Los Angeles.Das ist ein großes „wenn“.Artemis hat nur wenige Details hinter der Technologie veröffentlicht, und viele Experten bezweifeln, dass pCell den Ansprüchen des Unternehmens gerecht werden kann.„Alle denken: ‚Ist das nur Rauch und Spiegel?Ist es eine Neupositionierung bestehender Technologie?Oder ist es etwas radikal Neues?'“, sagt Peter Jarich, Vizepräsident des Marktforschungsunternehmens Current Analysis in Washington, DCDas neunköpfige Team von Perlman begann vor einem Jahrzehnt mit der Patentanmeldung für die Technologie hinter pCell und nannte sie DIDO für Distributed Input, Distributed Output.Die meisten Wireless-Forscher bezeichnen diese Art von Ansatz als verteiltes (oder koordiniertes) Multiuser-Multiple-Input-Multiple-Output (MU-MIMO).Ungeachtet seines Namens glaubt Perlman, dass seine Technologie der Schlüssel zur Lösung des größten Problems der Mobilfunkbranche ist: dem exponentiellen Wachstum des Datenverkehrs.„Für Bediener sind es die besten und die schlechtesten Zeiten“, sagt er.“Die Menschen wollen mehr Daten, aber die Betreiber „haben nicht die physische Kapazität, um sie zu liefern“.An fehlenden Ideen liegt es nicht.Ingenieure verfolgen viele davon, darunter kleine Zellen, Millimeterwellenspektrum, Strahlformung und fortschrittliche Zellkoordination.Der LTE-Advanced-Standard beispielsweise unterstützt bereits die gleichzeitige Verbindung zu mehreren Basisstationen.Aber Perlman denkt, dass viele dieser Fixes nur clevere Kniffe für ein veraltetes System sind.Der eigentliche Engpass, so argumentiert er, ist das grundlegende Design des Mobilfunknetzes.„Es gibt keine Lösung, wenn man bei Zellen bleibt“, sagt er.Was ist los mit den Zellen?Mit einem Wort, Einmischung.Basisstationen und drahtlose Geräte müssen ihre Sendeleistung und Frequenznutzung sorgfältig koordinieren, damit sie sich nicht gegenseitig stören.Diese Fähigkeit, Frequenzressourcen unter vielen Benutzern aufzuteilen, ist das Herzstück zellularer Systeme, seit sie in den 1980er Jahren auftauchten.Dies ist auch der Grund, warum die Datenraten tendenziell sinken, wenn viele Benutzer versuchen, dieselben Zellen zu verwenden oder zwischen ihnen zu wechseln.Obwohl ein 20 Megahertz breiter 4G-LTE-Kanal theoretisch etwa 75 Megabit pro Sekunde unterstützen kann, beträgt der durchschnittliche Durchsatz für einen einzelnen Benutzer normalerweise nur einen Bruchteil davon.Die pCell-Technologie von Artemis stellt die traditionelle Mobilfunkarchitektur auf den Kopf, indem sie Störungen ausnutzt, anstatt zu versuchen, sie zu vermeiden.Um ein solches System einzusetzen, benötigt ein Betreiber zunächst ein Rechenzentrum, das über Glasfaser- oder drahtlose Sichtverbindungen mit Funksendern verbunden ist, die in der Nähe seiner Kunden verteilt sind.Diese Zugangspunkte haben ungefähr die Größe von Hutschachteln und wären anders als gewöhnliche Mobilfunk-Basisstationen.„Das sind dumme Geräte“, sagt Perlman und fügt hinzu, dass sie lediglich als Wegpunkte für die Weiterleitung und Koordinierung von Übertragungen dienen würden.Um Daten an ein drahtloses Gerät wie ein Smartphone zu liefern, würde das Rechenzentrum sie zuerst vom Inhaltsanbieter abrufen.Aber anstatt den Stream über einen einzigen Sender zu übertragen, wie in einem herkömmlichen Mobilfunksystem, würden die Datenserver Signale gleichzeitig durch alle Zugangspunkte in Reichweite Ihres Telefons senden – bis zu Dutzende gleichzeitig, sagt Perlman.Wenn natürlich jeder Sender das gleiche Signal sendet, würde es andere Telefone übertönen, die versuchen, sich mit dem Netzwerk zu verbinden.Stattdessen würde das Rechenzentrum die Positionen der Zugangspunkte und die Kanaleigenschaften des Systems wie Reflexion und Fading verwenden, um eine einzigartige Wellenform für jeden Zugangspunkt zu berechnen.Obwohl sie beim Verlassen der Sender nicht entzifferbar waren, summierten sich diese Wellenformen bei jedem Telefon anders, um ein Signal zu bilden, das die gewünschten Daten liefert.Während sich jedes Telefon bewegte und andere Geräte mit dem Netzwerk verbunden oder aus dem Netzwerk ausgestiegen waren, berechnete das Rechenzentrum kontinuierlich neue Wellenformen, sodass jeder Benutzer eine gute Verbindung aufrechterhielt.Beim Hochladen von Daten würde der Prozess umgekehrt ablaufen: Jedes Telefon würde gleichzeitig an ein Cluster von Zugangspunkten senden, und das Rechenzentrum würde die einzelnen Signale mathematisch auflösen, indem es die Unterschiede in den Kanaleigenschaften verwendet.„Es gibt keine Übergaben und niemand muss sich abwechseln“, sagt Perlman.„Man könnte buchstäblich eine ganze Stadt mit demselben Spektrum beleuchten.“Theoretisch fügt jede pCell-Antenne dem Netzwerk einen weiteren vollen Bandbreitenkanal hinzu.Wenn Ihr Netzwerk beispielsweise einen 20 MHz breiten Kanal verwendet, der 70 Mb/s liefern kann, würde der Einsatz von 10 Antennen die Gesamtkapazität auf 700 Mb/s erhöhen.Wenn es mehr Benutzer als Antennen gibt, teilen sie sich die 10 verfügbaren Kanäle zeitlich oder frequenzmäßig.Perlman hat behauptet, dass die pCell-Technologie die Kapazität der heutigen Mobilfunknetze schließlich um das Tausendfache steigern könnte.Experten sagen jedoch, dass Leistungssteigerungen durch die Verarbeitungskapazität im Rechenzentrum und die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Verbindungen zu den Zugangspunkten begrenzt werden.„Sie sollten in der Lage sein, Kanalinformationen zu sammeln, die Signale zu berechnen und sie in weniger als 10 Millisekunden an die Sender zurückzusenden“, sagt Caire von USC.„Nach unseren Simulationen sehen wir für realistische Szenarien etwa einen Faktor 10 Gewinn.Mehr noch, ich bin skeptisch.“An der Columbia University in New York City demonstrierte Perlman die pCell-Technologie, die mit 4G-LTE-Telefonen und anderen Geräten kommuniziert.Die Kompatibilität mit LTE würde es den Benutzern ermöglichen, nahtlos zwischen den beiden Netzwerken zu wechseln, ohne neue Handys kaufen zu müssen.Die Ingenieure von Artemis erreichten dieses Kunststück, indem sie LTE-Basisstationen in Software simulierten und diese virtuellen Funkgeräte nutzten, um die Wellenformberechnungen zu unterstützen.MU-MIMO-Experten argumentieren jedoch, dass eine solche Kompatibilität in realen Umgebungen viel schwieriger aufrechtzuerhalten sein wird.Artemis stellt pCell Access Points mit dem Small-Cell-Anbieter PureWave Networks her und plant groß angelegte Tests in San Francisco.Das Unternehmen rechnet mit kommerziellen Rollouts bis Ende 2014.Wireless-Experten sagen, dass Artemis noch beweisen muss, dass es mehrere schwierige Hindernisse überwinden kann, darunter die groß angelegte Koordination von Übertragungen von vielen Zugangspunkten und die Integration von pCell-Clustern in bestehende Mobilfunknetze.„Das sind rigorose technische Herausforderungen“, sagt Zhouyue „Jerry“ Pi, Senior Director von Samsung Research America in Dallas.„Es ist nicht einfach, diese Art von verteiltem MIMO zum Laufen zu bringen und Vorteile zu schaffen.“Dennoch räumen einige Experten ein, dass Technologien wie pCell an überlasteten Hotspots wie Flughäfen, Sportstadien und Stadtzentren sinnvoll wären – Orte, an denen Betreiber bereits in dichte Cluster kleiner Zellen investieren und wo sich die Benutzer nicht viel bewegen.„Aber wird es wirklich die Datenkapazität der ganzen Welt revolutionieren?“fragt Pi."Ich bezweifle das."Dieser Artikel erschien ursprünglich in gedruckter Form als „5G Service On Your 4G Phone?“Es steht viel Bandbreite zur Verfügung, wenn wir rekonfigurierbare intelligente Oberflächen verwendenDer Boden in einer typischen Straßenschlucht, abgeschirmt von hohen Gebäuden, wird für einige 6G-Frequenzen unzugänglich sein.Durch die geschickte Platzierung von rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen [gelb] können die Signale diese Bereiche durchdringen.Bei all der turbulenten Revolution in der drahtlosen Technologie in den letzten Jahrzehnten gab es ein paar Konstanten.Einer ist die Überfüllung von Funkbändern, und der andere ist der Versuch, dieser Überlastung zu entkommen, indem immer höhere Frequenzen genutzt werden.Und heute, während Ingenieure 5G einführen und 6G-Wireless planen, befinden sie sich an einem Scheideweg: Nachdem sie jahrelang supereffiziente Sender und Empfänger entwickelt und die Signalverluste an den Endpunkten eines Funkkanals kompensiert haben, fangen sie an zu erkennen, dass sie sich den praktischen Grenzen der Sender- und Empfängereffizienz nähern.Von nun an müssen wir den drahtlosen Kanal selbst konstruieren, um eine hohe Leistung zu erzielen, wenn wir zu höheren Frequenzen gehen.Aber wie können wir möglicherweise eine drahtlose Umgebung konstruieren und kontrollieren, die von einer Vielzahl von Faktoren bestimmt wird, von denen viele zufällig und daher unvorhersehbar sind?Die derzeit vielleicht vielversprechendste Lösung ist die Verwendung rekonfigurierbarer intelligenter Oberflächen.Dies sind planare Strukturen, deren Größe in Abhängigkeit von der Frequenz und anderen Faktoren typischerweise im Bereich von etwa 100 Quadratzentimetern bis etwa 5 Quadratmetern oder mehr liegt.Diese Oberflächen verwenden fortschrittliche Substanzen, sogenannte Metamaterialien, um elektromagnetische Wellen zu reflektieren und zu brechen.Dünne zweidimensionale Metamaterialien, bekannt als Metaoberflächen, können entworfen werden, um die lokale elektromagnetische Umgebung zu erfassen und die Schlüsseleigenschaften der Welle wie Amplitude, Phase und Polarisation abzustimmen, wenn die Welle von der Oberfläche reflektiert oder gebrochen wird.Wenn also die Wellen auf eine solche Oberfläche fallen, kann sie die Richtung der einfallenden Wellen ändern, um den Kanal zu verstärken.Tatsächlich können diese Metaoberflächen so programmiert werden, dass sie diese Änderungen dynamisch vornehmen und das Signal als Reaktion auf Änderungen im drahtlosen Kanal in Echtzeit neu konfigurieren.Stellen Sie sich rekonfigurierbare intelligente Oberflächen als nächste Evolution des Repeater-Konzepts vor.Rekonfigurierbare intelligente Oberflächen könnten bei der kommenden Integration von drahtlosen und Satellitennetzwerken eine große Rolle spielen.Das ist wichtig, denn wenn wir uns zu höheren Frequenzen bewegen, werden die Ausbreitungseigenschaften für das Signal „feindlicher“.Der Funkkanal variiert ständig in Abhängigkeit von umgebenden Objekten.Bei 5G- und 6G-Frequenzen ist die Wellenlänge im Vergleich zur Größe von Gebäuden, Fahrzeugen, Hügeln, Bäumen und Regen verschwindend klein.Niederfrequente Wellen werden um oder durch solche Hindernisse gebeugt, aber höherfrequente Signale werden absorbiert, reflektiert oder gestreut.Grundsätzlich ist bei diesen Frequenzen das Sichtliniensignal alles, worauf Sie sich verlassen können.Solche Probleme erklären, warum das Thema der rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen (RIS) eines der heißesten in der drahtlosen Forschung ist.Der Hype ist gerechtfertigt.In den letzten Jahren hat ein Erdrutsch an F&E-Aktivitäten und -Ergebnissen an Dynamik gewonnen, der durch die Entwicklung der ersten digital gesteuerten Metamaterialien vor fast 10 Jahren in Gang gesetzt wurde.Dieser Artikel wurde gemeinsam von IEEE Spectrum und Proceedings of the IEEE erstellt, wobei ähnliche Versionen in beiden Veröffentlichungen veröffentlicht wurden.RIS-Prototypen sind in zahlreichen Labors auf der ganzen Welt vielversprechend.Und doch begann eines der ersten großen Projekte, das von Europa finanzierte Visorsurf, erst vor fünf Jahren und lief bis 2020. Die ersten öffentlichen Vorführungen der Technologie fanden Ende 2018 durch NTT Docomo in Japan und Metawave in Carlsbad, Kalifornien, statt.Heute arbeiten Hunderte von Forschern in Europa, Asien und den Vereinigten Staaten an der Anwendung von RIS zur Herstellung programmierbarer und intelligenter drahtloser Umgebungen.Anbieter wie Huawei, Ericsson, NEC, Nokia, Samsung und ZTE arbeiten allein oder in Zusammenarbeit mit Universitäten.Und große Netzbetreiber wie NTT Docomo, Orange, China Mobile, China Telecom und BT führen alle umfangreiche RIS-Tests durch oder planen dies.Diese Arbeit hat wiederholt die Fähigkeit von RIS gezeigt, Signale in den problematischsten Bändern von 5G und 6G stark zu verstärken.Um zu verstehen, wie RIS ein Signal verbessert, betrachten Sie die elektromagnetische Umgebung.Herkömmliche Mobilfunknetze bestehen aus verstreuten Basisstationen, die auf Masten oder Türmen sowie auf Gebäuden und Strommasten in städtischen Gebieten aufgestellt werden.Objekte im Weg eines Signals können es blockieren, ein Problem, das bei den höheren Frequenzen von 5G, wie den Millimeterwellenbändern zwischen 24,25 und 52,6 Gigahertz, besonders schlimm wird.Und es wird noch schlimmer, wenn Kommunikationsunternehmen Pläne zur Nutzung von Subterahertz-Bändern zwischen 90 und 300 GHz in 6G-Netzen vorantreiben.Hier ist der Grund.Bei 4G und ähnlichen niedrigeren Frequenzbändern können Reflexionen von Oberflächen das empfangene Signal tatsächlich verstärken, da reflektierte Signale kombiniert werden.Wenn wir uns jedoch in höheren Frequenzen bewegen, werden solche Mehrwegeeffekte viel schwächer oder verschwinden vollständig.Der Grund dafür ist, dass Oberflächen, die für ein Signal mit längerer Wellenlänge glatt erscheinen, für ein Signal mit kürzerer Wellenlänge relativ rau sind.Anstatt also von einer solchen Oberfläche reflektiert zu werden, wird das Signal einfach gestreut.Eine Lösung besteht darin, leistungsfähigere Basisstationen zu verwenden oder mehr davon in einem Gebiet zu installieren.Aber diese Strategie kann die Kosten verdoppeln oder Schlimmeres.Repeater oder Relais können die Abdeckung ebenfalls verbessern, aber auch hier können die Kosten unerschwinglich sein.RIS hingegen verspricht eine stark verbesserte Abdeckung zu nur geringfügig höheren KostenDas Schlüsselmerkmal von RIS, das es im Vergleich zu diesen Alternativen attraktiv macht, ist seine nahezu passive Natur.Das Fehlen von Verstärkern zur Verstärkung des Signals bedeutet, dass ein RIS-Knoten mit nur einer Batterie und einem kleinen Solarpanel betrieben werden kann.RIS funktioniert wie ein sehr ausgeklügelter Spiegel, dessen Ausrichtung und Krümmung angepasst werden kann, um ein Signal zu fokussieren und in eine bestimmte Richtung umzulenken.Aber anstatt den Spiegel physisch zu bewegen oder umzuformen, verändern Sie seine Oberfläche elektronisch, sodass sie Schlüsseleigenschaften der einfallenden elektromagnetischen Welle, wie z. B. die Phase, ändert.Das machen die Metamaterialien.Diese aufstrebende Klasse von Materialien weist Eigenschaften auf, die über (vom griechischen meta) denen natürlicher Materialien hinausgehen, wie z. B. anomale Reflexion oder Brechung.Die Materialien werden unter Verwendung gewöhnlicher Metalle und elektrischer Isolatoren oder Dielektrika hergestellt.Wenn eine elektromagnetische Welle auf ein Metamaterial auftrifft, verändert ein vorgegebener Gradient im Material die Phase und andere Eigenschaften der Welle, wodurch es möglich wird, die Wellenfront zu biegen und den Strahl wie gewünscht umzulenken.Ein RIS-Knoten besteht aus Hunderten oder Tausenden von Metamaterialelementen, die Elementarzellen genannt werden.Jede Zelle besteht aus metallischen und dielektrischen Schichten zusammen mit einem oder mehreren Schaltern oder anderen abstimmbaren Komponenten.Eine typische Struktur umfasst einen oberen metallischen Patch mit Schaltern, eine Vorspannungsschicht und eine metallische Erdungsschicht, die durch dielektrische Substrate getrennt sind.Durch Steuern der Vorspannung – der Spannung zwischen dem metallischen Patch und der Erdungsschicht – können Sie jede Einheitszelle ein- oder ausschalten und so steuern, wie jede Zelle die Phase und andere Eigenschaften einer einfallenden Welle ändert.Um die Richtung der größeren Welle zu steuern, die vom gesamten RIS reflektiert wird, synchronisieren Sie alle Einheitszellen, um Muster konstruktiver und destruktiver Interferenz in den größeren reflektierten Wellen zu erzeugen [siehe Abbildung unten].Dieses Interferenzmuster reformiert den einfallenden Strahl und sendet ihn in eine bestimmte Richtung, die durch das Muster bestimmt wird.Dieses grundlegende Funktionsprinzip entspricht übrigens dem eines Phased-Array-Radars.Eine rekonfigurierbare intelligente Oberfläche umfasst ein Array von Einheitszellen.In jeder Einheitszelle verändert ein Metamaterial die Phase einer ankommenden Radiowelle, sodass die resultierenden Wellen miteinander interferieren [oben, oben].Durch die präzise Steuerung der Muster dieser konstruktiven und destruktiven Interferenz kann die reflektierte Welle umgeleitet werden [unten], wodurch die Signalabdeckung verbessert wird.Ein RIS hat andere nützliche Funktionen.Auch ohne Verstärker schafft ein RIS eine beachtliche Verstärkung – etwa 30 bis 40 Dezibel relativ zu isotrop (dBi) – abhängig von der Größe der Oberfläche und der Frequenz.Das liegt daran, dass der Gewinn einer Antenne proportional zur Aperturfläche der Antenne ist.Ein RIS hat das Äquivalent vieler Antennenelemente, die einen großen Aperturbereich abdecken, also hat es einen höheren Gewinn als eine herkömmliche Antenne.All die vielen Einheitszellen in einem RIS werden von einem Logikchip gesteuert, beispielsweise einem feldprogrammierbaren Gate-Array mit einem Mikrocontroller, der auch die vielen Codierungssequenzen speichert, die zum dynamischen Abstimmen des RIS erforderlich sind.Die Steuerung gibt den einzelnen Einheitszellen die entsprechenden Anweisungen, indem sie ihren Zustand einstellt.Das gebräuchlichste Codierungsschema ist eine einfache Binärcodierung, bei der die Steuerung die Schalter jeder Einheitszelle ein- und ausschaltet.Die Einheitszellenschalter sind normalerweise Halbleiterbauelemente wie PIN-Dioden oder Feldeffekttransistoren.Die wichtigen Faktoren hier sind Stromverbrauch, Geschwindigkeit und Flexibilität, wobei die Steuerschaltung normalerweise einer der stromhungrigsten Teile eines RIS ist.Angemessen effiziente RIS-Implementierungen haben heute einen Gesamtleistungsverbrauch von etwa einigen Watt bis zu einem Dutzend Watt während des Schaltzustands der Rekonfiguration und viel weniger im Ruhezustand.Um RIS-Knoten in einem realen Netzwerk einzusetzen, müssen Forscher zunächst drei Fragen beantworten: Wie viele RIS-Knoten werden benötigt?Wo sollen sie platziert werden?Und wie groß sollen die Flächen sein?Wie zu erwarten, gibt es komplizierte Berechnungen und Kompromisse.Ingenieure können die besten RIS-Positionen identifizieren, indem sie sie beim Entwurf der Basisstation einplanen.Oder es kann nachträglich durchgeführt werden, indem in der Abdeckungskarte die Bereiche mit schwacher Signalstärke identifiziert werden.Die Größe der Oberflächen hängt von den Frequenzen (niedrigere Frequenzen erfordern größere Oberflächen) sowie von der Anzahl der eingesetzten Oberflächen ab.Um die Leistung des Netzes zu optimieren, greifen die Forscher auf Simulationen und Messungen zurück.Bei Huawei Schweden, wo ich arbeite, haben wir viele Diskussionen über die beste Platzierung von RIS-Einheiten in städtischen Umgebungen geführt.Wir verwenden eine proprietäre Plattform namens Coffee Grinder Simulator, um eine RIS-Installation vor ihrer Konstruktion und Bereitstellung zu simulieren.Wir arbeiten unter anderem mit CNRS Research und CentraleSupélec, beide in Frankreich, zusammen.In einem kürzlich durchgeführten Projekt haben wir Simulationen verwendet, um die Leistungsverbesserung zu quantifizieren, die erzielt wird, wenn mehrere RIS in einem typischen städtischen 5G-Netzwerk bereitgestellt werden.Soweit wir wissen, war dies der erste groß angelegte Versuch auf Systemebene, die RIS-Leistung in dieser Umgebung zu messen.Wir haben die RIS-erweiterte drahtlose Abdeckung durch die Verwendung effizienter Bereitstellungsalgorithmen, die wir entwickelt haben, optimiert.Angesichts der Standorte der Basisstationen und der Benutzer wurden die Algorithmen entwickelt, um uns bei der Auswahl der optimalen dreidimensionalen Standorte und Größen der RIS-Knoten aus Tausenden möglicher Positionen an Wänden, Dächern, Ecken usw. zu unterstützen.Die Ausgabe der Software ist eine RIS-Einsatzkarte, die die Anzahl der Benutzer maximiert, die ein Zielsignal empfangen können.Eine experimentelle rekonfigurierbare intelligente Oberfläche mit 2.304 Einheitszellen wurde letztes Jahr an der Tsinghua-Universität in Peking getestet.Die Benutzer von besonderem Interesse sind natürlich diejenigen an den Rändern des Zellabdeckungsbereichs, die den schlechtesten Signalempfang haben.Unsere Ergebnisse zeigten große Verbesserungen bei der Abdeckung und den Datenraten an den Zellrändern – und auch für Benutzer mit anständigem Signalempfang, insbesondere im Millimeterband.Wir haben auch untersucht, wie sich potenzielle Kompromisse bei der RIS-Hardware auf die Leistung auswirken.Einfach ausgedrückt erfordert jedes RIS-Design Kompromisse – wie die Digitalisierung der Antworten jeder Einheitszelle in binäre Phasen und Amplituden – um ein weniger komplexes und billigeres RIS zu konstruieren.Es ist jedoch wichtig zu wissen, ob ein Designkompromiss zusätzliche Strahlen in unerwünschte Richtungen erzeugt oder andere Benutzer stört.Aus diesem Grund haben wir die Auswirkungen von Netzwerkstörungen durch mehrere Basisstationen, vom RIS zurückgestrahlte Wellen und andere Faktoren untersucht.Es überrascht nicht, dass unsere Simulationen bestätigten, dass sowohl größere RIS-Oberflächen als auch eine größere Anzahl von ihnen die Gesamtleistung verbesserten.Aber was ist vorzuziehen?Als wir die Kosten der RIS-Knoten und der Basisstationen berücksichtigten, stellten wir fest, dass im Allgemeinen eine kleinere Anzahl größerer RIS-Knoten, die weiter von einer Basisstation und ihren Benutzern entfernt eingesetzt werden, um eine Abdeckung für ein größeres Gebiet bereitzustellen, besonders kostenintensiv war. effektive Lösung.Die Größe und Abmessungen des RIS hängen von der Betriebsfrequenz ab [siehe Abbildung unten] .Wir haben festgestellt, dass eine kleine Anzahl rechteckiger RIS-Knoten, jeder etwa 4 Meter breit für C-Band-Frequenzen (3,5 GHz) und etwa einen halben Meter breit für das Millimeterwellenband (28 GHz), ein guter Kompromiss ist und die Leistung steigern könnte deutlich in beiden Bändern.Das war eine angenehme Überraschung: RIS verbesserte die Signale nicht nur im Millimeterwellenband (5G High), wo Versorgungsprobleme besonders akut sein können, sondern auch im C-Band (5G Mid).Um die drahtlose Abdeckung in Innenräumen zu erweitern, untersuchen Forscher in Asien eine wirklich faszinierende Möglichkeit: die Abdeckung von Zimmerfenstern mit transparenten RIS-Knoten.Experimente bei NTT Docomo und an den Universitäten Southeast und Nanjing, beide in China, verwendeten Smart Films oder Smart Glass.Die Filme werden aus transparenten leitfähigen Oxiden (wie Indium-Zinn-Oxid), Graphen oder Silber-Nanodrähten hergestellt und reduzieren die Lichtdurchlässigkeit nicht merklich.Wenn die Folien an Fenstern angebracht werden, können von außen kommende Signale gebrochen und verstärkt werden, wenn sie in ein Gebäude gelangen, wodurch die Abdeckung im Inneren verbessert wird.Die Planung und Installation der RIS-Knoten ist nur ein Teil der Herausforderung.Damit ein RIS-Knoten optimal funktioniert, muss er jederzeit eine Konfiguration haben, die für den Zustand des Kommunikationskanals in dem Moment geeignet ist, in dem der Knoten verwendet wird.Die beste Konfiguration erfordert eine genaue und sofortige Schätzung des Kanals.Techniker können eine solche Schätzung erstellen, indem sie die „Kanalimpulsantwort“ zwischen der Basisstation, dem RIS und den Benutzern messen.Diese Antwort wird unter Verwendung von Piloten gemessen, die Referenzsignale sind, die sowohl dem Sender als auch dem Empfänger im Voraus bekannt sind.Es ist eine Standardtechnik in der drahtlosen Kommunikation.Basierend auf dieser Schätzung des Kanals ist es möglich, die Phasenverschiebungen für jede Einheitszelle im RIS zu berechnen.Die aktuellen Ansätze führen diese Berechnungen an der Basisstation durch.Dies erfordert jedoch eine große Anzahl von Piloten, da jede Einheitszelle ihre eigene Phasenkonfiguration benötigt.Es gibt verschiedene Ideen, diesen Overhead zu reduzieren, aber bisher ist keine davon wirklich erfolgsversprechend.Die berechnete Gesamtkonfiguration für alle Einheitszellen wird jedem RIS-Knoten über eine drahtlose Steuerverbindung zugeführt.Daher benötigt jeder RIS-Knoten einen drahtlosen Empfänger, um die Anweisungen regelmäßig zu sammeln.Dies verbraucht natürlich Strom und bedeutet auch, dass die RIS-Knoten vollständig von der Basisstation abhängig sind, mit unvermeidbarem – und unerschwinglichem – Overhead und der Notwendigkeit einer kontinuierlichen Steuerung.Folglich erfordert das gesamte System eine fehlerfreie und komplexe Orchestrierung von Basisstationen und mehreren RIS-Knoten über die drahtlosen Steuerkanäle.Wir brauchen einen besseren Weg.Denken Sie daran, dass das „I“ in RIS für intelligent steht.Das Wort deutet auf eine dynamische Kontrolle der Oberfläche in Echtzeit aus dem Knoten selbst hin – die Fähigkeit zu lernen, zu verstehen und auf Änderungen zu reagieren.Das haben wir jetzt nicht.Heutige RIS-Knoten können nicht wahrnehmen, argumentieren oder reagieren;Sie führen nur Fernaufträge von der Basisstation aus.Aus diesem Grund haben meine Kollegen und ich bei Huawei begonnen, an einem Projekt zu arbeiten, das wir Autonomous RIS (AutoRIS) nennen.Ziel ist es, die RIS-Knoten in die Lage zu versetzen, die Phasenverschiebungen ihrer Einheitszellen autonom zu steuern und zu konfigurieren.Dadurch werden die auf der Basisstation basierende Steuerung und die massive Signalisierung weitgehend beseitigt, die entweder die Datenratengewinne durch die Verwendung von RIS begrenzen oder eine Synchronisierung und einen zusätzlichen Stromverbrauch an den Knoten erfordern.Der Erfolg von AutoRIS könnte sehr wohl dazu beitragen festzustellen, ob RIS jemals in großem Umfang kommerziell eingesetzt werden.Natürlich ist es eine ziemlich beängstigende Herausforderung, die notwendigen Empfangs- und Verarbeitungsfähigkeiten in einen RIS-Knoten zu integrieren und gleichzeitig den Knoten leicht und stromsparend zu halten.In der Tat wird es einen enormen Forschungsaufwand erfordern.Damit RIS kommerziell wettbewerbsfähig ist, muss es seinen stromsparenden Charakter bewahren.Vor diesem Hintergrund untersuchen wir jetzt die Integration eines Ultra-Low-Power-KI-Chips in ein RIS sowie die Verwendung äußerst effizienter Modelle für maschinelles Lernen, um die Intelligenz bereitzustellen.Diese intelligenten Modelle werden in der Lage sein, die Ausgangs-RIS-Konfiguration basierend auf den empfangenen Daten über den Kanal zu erstellen, während sie gleichzeitig die Benutzer nach ihren vertraglich vereinbarten Diensten und ihrem Netzbetreiber klassifizieren.Die Integration von KI in das RIS wird auch andere Funktionen ermöglichen, wie z. B. die dynamische Vorhersage bevorstehender RIS-Konfigurationen und die Gruppierung von Benutzern nach Standort oder anderen Verhaltensmerkmalen, die den RIS-Betrieb beeinflussen.Intelligentes, autonomes RIS wird nicht für alle Situationen notwendig sein.Für einige Bereiche ist ein statisches RIS mit gelegentlicher Neukonfiguration – vielleicht ein paar Mal pro Tag oder weniger – völlig ausreichend.Tatsächlich wird es zweifellos eine Reihe von Bereitstellungen geben, von statisch bis hin zu vollständig intelligent und autonom.Der Erfolg hängt nicht nur von Effizienz und hoher Leistung ab, sondern auch von der einfachen Integration in ein bestehendes Netzwerk.6G verspricht, erstaunliche Mengen an Bandbreite freizusetzen – aber nur, wenn wir ein potenziell ruinöses Reichweitenproblem überwinden können.Der eigentliche Testfall für RIS wird 6G sein.Es wird erwartet, dass die kommende Wireless-Generation autonome Netzwerke und intelligente Umgebungen mit flexibler, softwaredefinierter und adaptiver Steuerung in Echtzeit umfassen wird.Im Vergleich zu 5G wird 6G voraussichtlich viel höhere Datenraten, eine größere Abdeckung, geringere Latenzzeiten, mehr Intelligenz und Erkennungsdienste mit viel höherer Genauigkeit bieten.Gleichzeitig ist Nachhaltigkeit ein wichtiger Treiber für 6G – wir brauchen energieeffizientere Lösungen, um die „Netto-Null“-Emissionsziele zu erreichen, die viele Netzbetreiber anstreben.RIS erfüllt all diese Anforderungen.Beginnen Sie mit Massive MIMO, was für Multiple Input Multiple Output steht.Diese grundlegende 5G-Technik verwendet mehrere Antennen, die sowohl am Sende- als auch am Empfangsende von drahtlosen Kanälen in einem Array gepackt sind, um viele Signale gleichzeitig zu senden und zu empfangen und so die Netzwerkkapazität erheblich zu steigern.Der Wunsch nach höheren Datenraten in 6G erfordert jedoch noch massiveres MIMO, das viel mehr Funkfrequenzketten zum Funktionieren erfordert und stromhungrig und kostspielig im Betrieb sein wird.Eine energieeffiziente und weniger kostspielige Alternative besteht darin, mehrere Low-Power-RIS-Knoten zwischen Massive-MIMO-Basisstationen und Benutzern zu platzieren, wie wir in diesem Artikel beschrieben haben.Die Millimeterwellen- und Subterahertz-6G-Bänder versprechen, erstaunliche Mengen an Bandbreite freizusetzen, aber nur, wenn wir ein potenziell ruinöses Reichweitenproblem überwinden können, ohne auf kostspielige Lösungen wie ultradichte Bereitstellungen von Basisstationen oder aktiven Repeatern zurückzugreifen.Meine Meinung ist, dass nur RIS in der Lage sein wird, diese Frequenzbänder zu vernünftigen Kosten kommerziell nutzbar zu machen.Die Kommunikationsbranche wirbt bereits für Sensorik – hochpräzise Lokalisierungsdienste sowie Objekterkennung und Körperhaltungserkennung – als wichtiges mögliches Feature für 6G.Die Erfassung würde auch die Leistung verbessern.Beispielsweise hilft die hochgenaue Lokalisierung von Benutzern dabei, drahtlose Strahlen effizient zu steuern.Sensorik könnte auch als neuer Netzwerkdienst für vertikale Branchen wie intelligente Fabriken und autonomes Fahren angeboten werden, wo die Erkennung von Personen oder Autos zur Kartierung einer Umgebung verwendet werden könnte;die gleiche Fähigkeit könnte zur Überwachung in einem Heimsicherheitssystem verwendet werden.Die große Apertur von RIS-Knoten und die daraus resultierende hohe Auflösung machen solche Anwendungen nicht nur möglich, sondern wahrscheinlich sogar kostengünstig.Und der Himmel ist nicht die Grenze.RIS könnten die Integration von Satelliten in 6G-Netze ermöglichen.Typischerweise verbraucht ein Satellit viel Strom und hat große Antennen, um die Ausbreitungsverluste über große Entfernungen und die bescheidenen Fähigkeiten mobiler Geräte auf der Erde auszugleichen.RIS könnten eine große Rolle bei der Minimierung dieser Einschränkungen spielen und vielleicht sogar eine direkte Kommunikation von Satelliten zu 6G-Benutzern ermöglichen.Ein solches Schema könnte zu effizienteren satellitenintegrierten 6G-Netzen führen.Mit dem Übergang zu neuen Diensten und riesigen neuen Frequenzregimen wird die drahtlose Kommunikation bald in eine Zeit großer Verheißungen und ernüchternder Herausforderungen eintreten.Viele Technologien werden benötigt, um diese nächste aufregende Phase einzuleiten.Keine wird wichtiger sein als rekonfigurierbare intelligente Oberflächen.Der Autor möchte die Hilfe von Ulrik Imberg beim Schreiben dieses Artikels anerkennen.