MIMO-Systeme mit rekonfigurierbaren Flächen verbessern

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Mobilkommunikation enorm gewachsen, vor allem wegen Sachen wie Video-Streaming und Online-Gaming. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden verschiedene Technologien entwickelt. Eine der herausragenden Technologien ist die Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), die eine höhere Datenkapazität ermöglicht, ohne dass zusätzliche Frequenzressourcen benötigt werden. Allerdings hat MIMO einige Herausforderungen, je mehr sie genutzt wird. In Situationen, wo es einen starken Sichtkontakt gibt und nur wenige Reflexionen, können MIMO-Kanäle korreliert werden, was ihre Fähigkeit, mehrere Datenströme effektiv zu verarbeiten, schwächt. Das führt zu einem Leistungsabfall. Daher gibt's einen dringenden Bedarf an neuen Wegen, um die Effektivität von MIMO-Kanälen zu verbessern.

#Was gibt's Neues: Reconfigurable Intelligent Surfaces

Eine vielversprechende Lösung für diese Herausforderungen sind reconfigurable intelligent surfaces (RIS). Diese Technologie kann das Verhalten von elektromagnetischen Wellen verändern und bietet neue Möglichkeiten, drahtlose Kanäle zu verbessern. RIS kann zu MIMO-Systemen hinzugefügt werden, um deren Leistung, besonders hinsichtlich der erreichbaren Kommunikationsrate, zu steigern.

Einige Studien haben untersucht, wie RIS MIMO-Kanäle verbessern kann, aber viele existierende Methoden sind kompliziert und nicht leicht in der Praxis anwendbar. Oft fehlt es an experimentellen Beweisen, um ihre Effektivität zu unterstützen. Daher ist es wichtig, eine einfache, aber effektive Methode zur Optimierung von RIS in MIMO-Systemen zu finden.

#Die vorgeschlagene Methode

Diese Studie stellt einen einfachen Ansatz vor, um RIS für MIMO-Systeme zu optimieren. Ziel ist es, den effektiven Rang des MIMO-Kanals zu verbessern, was die erreichbare Kommunikationsrate direkt beeinflussen kann. Der Effektive Rang dient als Mass dafür, wie gut die Unterkanäle im MIMO-System zusammenarbeiten.

Wir haben eine Methode namens Maximum Cross-Swapping Algorithmus (MCA) entwickelt, die darauf abzielt, die Phaseneinstellungen des RIS zu optimieren. Durch numerische Simulationen haben wir die Effektivität der vorgeschlagenen Methode getestet und sie durch reale Messungen mit einem Prototyp für RIS-unterstützte MIMO-Kommunikation validiert.

#Systemaufbau

Der Kommunikationsaufbau besteht aus einem Sender und einem Empfänger, die jeweils mit mehreren Antennen ausgestattet sind. Das RIS ist ins System integriert, um die MIMO-Kanal zu verbessern. Der MIMO-Kanal umfasst sowohl die direkten Pfade, die das RIS nicht einbeziehen, als auch die, die es tun.

Das System funktioniert, indem Signale vom Sender zum RIS gesendet werden, das die Signale dann zum Empfänger reflektiert. Das RIS kann seine Einstellungen ändern, um die Art und Weise, wie es die Signale reflektiert, anzupassen, was wiederum die Gesamtleistung des MIMO-Kanals beeinflusst.

#Numerische Simulationen

Wir haben eine Reihe von Simulationen durchgeführt, um zu bewerten, wie effektiv das RIS den MIMO-Kanal verbessert. Einige wichtige Ergebnisse zeigten die Bedeutung des RIS. Zum Beispiel war der effektive Rang des MIMO-Kanals mit RIS ziemlich niedrig, da es in der Umgebung nur wenige Reflexionen gab. Doch als wir das RIS einführten, stieg der effektive Rang des MIMO-Kanals erheblich.

Die Simulationen zeigten, dass mit zunehmender Stärke des RIS-unterstützten Teils des Kanals der effektive Rang seinem maximal möglichen Wert näher rückte. Das deutete darauf hin, dass das RIS effektiv die Streuungsumgebung verbesserte, was für die Leistung des MIMO-Systems entscheidend ist.

Ausserdem haben wir die erreichbare Kommunikationsrate bei Verwendung der Zero-Forcing (ZF) Gleichsetzungsmethode betrachtet. Zunächst verbesserte sich die erreichbare Rate, als die Anzahl der Einheitenzellen im RIS zunahm. Aber nach einem bestimmten Punkt führte eine weitere Erhöhung zu einem Rückgang, hauptsächlich weil die begrenzte Anzahl von Einheitenzellen nicht in der Lage war, die Verluste in nicht-RIS-unterstützten Pfaden vollständig auszugleichen.

Insgesamt zeigten diese Simulationen, dass die Nutzung von RIS zu besserer Leistung in MIMO-Systemen führen kann.

#Experimentelle Messungen

Um unsere Ergebnisse aus den Simulationen zu validieren, haben wir einen Prototyp des RIS-unterstützten MIMO-Kommunikationssystems aufgebaut. Sowohl der Sender als auch der Empfänger waren mit Antennen ausgestattet, und das RIS wurde in einem angemessenen Abstand dazwischen platziert.

Während der Experimente haben wir die Ausrichtung des RIS angepasst, um zu beobachten, wie effektiv es den Kommunikationsprozess unterstützen kann. Dadurch konnten wir verschiedene Datenpunkte sammeln, wie sich das RIS auf den gesamten effektiven Rang und die erreichbare Rate auswirkte.

Die Ergebnisse der experimentellen Messungen stimmten eng mit den Ergebnissen unserer Simulationen überein. Zum Beispiel konnten wir bei Verwendung eines einzelnen RIS eine Steigerung der erreichbaren Rate von 17,7 auf 19,4 bps/Hz beobachten, bevor sie sich stabilisierte. Bei Verwendung von zwei RIS-Setups stieg die erreichbare Rate insgesamt um 13,6%, was die Fähigkeit des RIS zur Verbesserung der Leistung des MIMO-Kanals zeigt.

#Bedeutung der Ergebnisse

Diese Studie hebt hervor, wie RIS-Technologie die MIMO-Systeme fundamental verbessern kann. Die Ergebnisse zeigen klar, dass mit einer effektiven Optimierungsmethode wie der vorgeschlagenen bedeutende Fortschritte sowohl im effektiven Rang als auch in der Kommunikationsrate erzielt werden können. Durch die Schaffung einer besseren Streuungsumgebung kann RIS die Funktionsweise von MIMO-Kanälen verbessern und neue Möglichkeiten für zukünftige drahtlose Kommunikationsnetze bieten.

Die Ergebnisse sind besonders relevant, da sich die Branche auf Netzwerke der sechsten Generation (6G) zubewegt, wo die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitskommunikation weiter wachsen wird. Die Fähigkeit, Kanäle anzupassen und die Leistung mit relativ einfachen Lösungen zu verbessern, eröffnet neue Wege für Innovationen.

#Fazit

Zusammenfassend hat unsere Forschung gezeigt, dass reconfigurable intelligent surfaces MIMO-Kanäle in drahtlosen Kommunikationssystemen erheblich verbessern können. Durch eine einfache Optimierungsmethode haben wir das Potenzial von RIS zur Verbesserung des effektiven Rangs und der erreichbaren Rate der MIMO-Kommunikation demonstriert. Da die Welt weiterhin datenintensive Anwendungen umarmt, wird die Rolle von Technologien wie RIS zunehmend wichtiger, um diesen Herausforderungen zu begegnen.

Durch die Integration von RIS in Kommunikationssysteme können wir den Weg für bessere Konnektivität und höhere Datenraten ebnen, die für die nächste Generation von Mobilkommunikationsnetzwerken unerlässlich sind. Unsere Arbeit trägt zum wachsenden Wissen über RIS und dessen Anwendung in der drahtlosen Technologie bei und bietet eine solide Grundlage für zukünftige Forschung und Entwicklung in diesem Bereich.