تعریف

سطوح هوشمند با قابلیت پیکربندی مجدد یا (Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS که به نام سطوح انعکاسی هوشمند یا (Intelligent Reflecting Surfaces (IRS نیز شناخته می‌شوند، سطوحی الکترومغناطیس هستند که در روی دیوارها یا نمای ساختمان‌ها، سقف اتاق‌ها و سالن‌ها ویا سایرمکان‌ها درمحیط نصب می شوند. این سطوح، در حقیقت منعکس کننده‌های هوشمند سیگنال‌های الکتریکی هستند که با جریان‌های ضعیف الکترونیکی کنترل می‌شوند. با کمک یک پردازشگر در پشت آن‌ها و با ارسال سیگنال‌های مناسب به این سطوح می‌توان آن‌ها را برنامه‌ریزی کرد. با این هدف که سیگنال‌های ارسالی به آن‌ها، در جهت‌های خاص انتشار یابند یا در جهت‌های دیگر منتشر نشوند. به بیان دیگر، هوشمندی این سطوح مربوط به همان پردازشگر مرکزی است. این پردازشگر با الگوریتم‌های مناسب، این سطوح را برنامه‌ریزی می‌کند تا مطابق هدف طراح سیستم عمل کنند.

RIS   و کانال‌های کنترل‌پذیر

یک فرض رایج در تحلیل‌ها و مطالعات مربوط به شبکه‌های ارتباط بی‌سیم، رفتار غیر قابل کنترل محیط انتشار رادیویی برای بشر است. یعنی سیگنال رادیویی که از فرستنده منتشر می‌شود، در مسیر خود به موانع مختلف مانندساختمان‌ها و درختان برخورد می‌کند و دچار پدیده‌های مختلفی مانند انعکاس، انکسار و پراکندگی می‌شود و نهایتا بعد از مدتی و بعد از اینکه این پدیده‌های انتشاری تاثیر خود را روی سیگنال گذاشتند، به گیرنده می‌رسد. این اثرات به شکل نوسانات شدید و یا افت در سیگنال ظاهر می‌شوند که به نام فیدینگ کانال شناخته می‌شوند. در سال‌‌های گذشته، مهندسین مخابرات دنبال روش‌هایی برای شناسایی و مدلسازی این پدیده‌های انتشاری در کانال‌های بی‌سیم و طراحی الگوریتم‌ها، پردازش‌ها و سیستم‌های مناسب برای ایجاد ارتباط مطمئن در روی این کانال‌ها هستند. یعنی افراد با فرض اینکه محیط در اختیار ما نیست، تلاش می‌کردند تا خود را با آن وفق دهند. این فرض امروزه نیز وجود دارد.

اما در سال‌های اخیر، مطالعات محققان حوزه‌ی مخابرات نشان می‌دهد که با قرار دادن برخی سطوح هوشمند و قابل برنامه‌ریزی در مکان‌های مناسب در محیط انتشار، می توان کانال بی‌سیم را به صورت الکترونیکی کنترل کرد. بعنوان مثال اگر نمای یک ساختمان با توجه به مشخصات و جنس مواد خود، سیگنال را در یک جهت خاص منعکس کند، می‌توان با نصب تجهیزاتی روی این نما، خواص انعکاسی آن ‌را تغییر داد. این تغییر می‌تواند بصورت پویا و متغیر با زمان انجام شود. به عبارت دیگر، از این پس، دیگر منعکس کننده‌ها در محیط استاتیک نیستند و می‌توانند توسط بشر کنترل شوند. این کنترل در راستای این است که کانال مخابراتی یک رفتار مطلوب داشته باشد و در نهایت عملکرد بهتری از سیستم‎های مخابرات بی سیم کنونی بدست آید.

فراسطح یا metasurface

این سطوح، سطوح انعکاسی (آنتن‌های انعکاسی) هستند که از یک آرایه از المان‌های انعکاسی (به نام متااتم) ساخته شده‌اند. به کل آرایه نیز فراسطح یا metasurface می‌گویند. خواص بازتابی این سطوح توسط ابزارهای الکترونیکی مانند پین دیودها یا ورکتورها قابل کنترل است. به بیان دقیق‌تر، با نصب این سطوح در محیط و تغییر مشخصات انعکاسی المان‌های آن می‌توان کاری کرد که برآیند اثر آن‌ها و اثرات انتشاری محیط، منجر به یک رفتار مطلوب و مد نظر در کانال بی‌سیم شوند.

مزیت‌ها

برخی از مزیت‌هایی که با استفاده از سطوح هوشمند در محیط می‌توان انتظار داشت عبارت‌اند از:

    • بهبود پوشش شبکه در نقاطی که پوشش مناسب ندارند (نقاط کور پوششی)
    • بهبود نرخ انتقال اطلاعات (افزایش دیتا ریت)
    • کاهش مصرف توان در شبکه
    • کاهش تداخل
    • افزایش امنیت شبکه

عناوین 

این سطوح، با عناوین مختلفی در مقالات شناخته می‌شوند. با جستجوی این عبارات می‌توان با تاریخچه معرفی آن‌ها در شبکه‌های مخابراتی و کارهای در حال انجام این حوزه آشنا شد:

    • سطوح هوشمند قابل پیکربندی مجدد (Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS
    • سطوح انعکاسی هوشمند (Intelligent Reflecting Surfaces (IRS
    • سطوح باهوش Smart Surfaces
    • فراسطوح هوشمند بزرگ (Large Intelligent Metasurfaces (LIMs
    • سطوح هوشمند بزرگ( Large Intelligent Surface (LIS
    • فراسطوح قابل برنامه ریزی Programmable metamaterials
    • آرایه‌های انعکاسی هوشمند Smart reflect-arrays
    • آیینه‌های هوشمند پسیو Passive intelligent mirrors
    • محیط رادیویی مصنوعی Artificial radio space
    • ابرصفحه‌های قابل کنترل نرم‌افزاری Software-controlled hypersurface

مسائل و حوزه های تحقیقاتی

همانطور که گفته شد، اخیراً، شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر RIS  مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته‌اند.  جنبه‌های مختلف این شبکه‌ها در مقالات  مورد مطالعه قرار گرفته است. به بیان دیگر ، این موضوع یکی از موضوعات داغ تحقیقاتی در حوزه شبکه‌های مخابرات بی‌سیم در آمده است. تقریباً در همه مقالات فرض بر این است که RIS  یک سطح بازتابنده غیرفعال است که از تعدادی عنصر بازتابنده  تشکیل شده و با بهینه‌سازی تغییر فاز در این عناصر، می‌توان سیگنال دریافت شده در مقصد را بهبود بخشید. تحقیقات در این زمینه هنوز زیاد نیست و استاندارد خاصی هم برای آن تعریف نشده است. بسیاری از مسائل دراین حوزه هنوز حل نشده است و نیاز به مطالعه بیشتر دارد. با این وجود پیش بینی می‌شود این فناوری، در آینده نزدیک و به ویژه در شبکه‌های مخابراتی نسل ششم (6G) مورد استفاده قرار گیرند.

علیرغم توجه بسیار زیاد به این فناوری در سال‌های اخیر، هنوز مسایل باز زیادی در این حوزه وجود دارد. برخی از مسایل و حوزه‌های تحقیقاتی که پیرامون این سطوح در دنیا و بعضی دانشگاه‌های کشور مطرح هستند عبارت‌اند از:

    • طراحی همزمان پردازش‌های فرستنده و گیرنده های مخابراتی به همراه بهینه‌سازی فازهای المان‌های سطح هوشمند
    • تخمین کانال در سطوح هوشمند
    • استفاده از سطوح هوشمند انعکاسی در کنار فناوری‌های دیگر مانند MIMO، Massive MIMO، NOMA، SWIPT، Cognitive Radio Networks، Millimeter Wave
    • مقایسه فناوری سطوح هوشمند با فناوری مشابه نظیر رله و مخابرات مشارکتی
    • هماهنگی بین سطوح هوشمند در شبکه
    • توزیع و نصب مناسب سطوح هوشمند در شبکه‌های بی‌سیم عملی
    • تحلیل‌های دقیق عملکرد شبکه‌های مبتنی بر سطوح هوشمند با کمک ابزارهای ریاضی نظیر تئوری اطلاعات
    • محدودیت‌های سخت‌افزای در پیاده‌سازی شبکه‌های مبتنی بر سطوح هوشمند
    • استفاده از هوش مصنوعی و الگوریتم‌های یادگیری در طراحی و پیاده سازی شبکه های مبتنی بر سطوح هوشمند
    • کاربرد سطوح هوشمند قابل برنامه‌ریزی در شبکه‌های IoT

در پایان لازم به ذکر است، علاوه بر تحقیقات تئوری، نمونه‌های آزمایشگاهی این فناوری در سال‌های اخیر پیاده‌سازی شده است. این شبیه‌سازی‌ها تاییدکننده نتایج تئوری می‌باشند.

 

 

نویسنده:     سید محمد رضوی زاده       smrazavi@iust.ac.ir

5 1 vote
Article Rating
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments