Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation mit rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen

In den letzten Jahren hat sich die Kommunikationstechnologie enorm weiterentwickelt, besonders mit der Einführung der fünften Generation (5G) Netzwerke. Diese neuen Netzwerke sind so ausgelegt, dass sie eine riesige Zunahme des mobilen Datenverkehrs bewältigen können, und es wird prognostiziert, dass dies bis zum Jahr 2030 über 5000 Exabyte pro Monat erreichen könnte. Dieses Wachstum hat die Suche nach noch fortschrittlicheren Technologien für Netzwerke der sechsten Generation (6G) angestossen, die verschiedene aufkommende Dienstleistungen wie virtuelle Realität und verbesserte Konnektivität unterstützen sollen.

Eine vielversprechende Technologie für zukünftige Kommunikationssysteme ist die Verwendung von Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS). RIS kann steuern, wie Signale in der Umgebung propagiert werden, was es einfacher macht, Verbindungen in schwierigen Situationen zu verbessern. In diesem Papier wird die Entwicklung und Erprobung neuer Methoden zur Messung und Modellierung der Leistung von RIS in drahtlosen Kommunikationssystemen behandelt, insbesondere im Sub-6 GHz Frequenzband.

#Überblick über die RIS-Technologie

Reconfigurable Intelligent Surfaces sind im Grunde flache Oberflächen, die aus vielen kleinen, einstellbaren Elementen bestehen, die Funksignale manipulieren können. Diese Elemente können die Art und Weise verändern, wie Signale reflektiert und gestreut werden, was hilft, die Verbindungsqualität in verschiedenen Umgebungen zu verbessern. Zum Beispiel kann ein RIS durch Anpassung der Elemente ein Signal in Richtung eines Empfängers lenken, wodurch Störungen reduziert und die Gesamtleistung verbessert wird.

Die Kernkomponenten eines RIS sind winzige Einheiten, die elektronisch gesteuert werden können. Durch das Abstimmen dieser Einheiten kann das Signal während der Übertragung geformt werden. Dies ist besonders wichtig in Bereichen, in denen das Signal Hindernisse wie Gebäude oder Wände überwinden muss.

#Wichtigkeit der Kanalmesung und -modellierung

Um RIS-Technologie effektiv umzusetzen, ist es wichtig, zu messen und zu modellieren, wie Signale sich in verschiedenen Umgebungen verhalten. Dies umfasst das Sammeln von Daten darüber, wie Signale reisen, wie sie durch Hindernisse beeinflusst werden und wie RIS deren Leistung verbessern kann.

Das Verständnis des Verhaltens von Signalen in verschiedenen Umgebungen ermöglicht es Ingenieuren, bessere Systeme zu entwickeln, die sich an reale Herausforderungen anpassen können. Eine effektive Kanalmodellierung hilft, die Leistung von RIS unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen und kann zu verbesserten Designs in Kommunikationssystemen führen.

#Messkampagnen

In dieser Studie wurden mehrere Messkampagnen in drei verschiedenen Szenarien durchgeführt: im Freien, in Innenräumen und in Übergängen vom Freien zu Innenräumen. Das Ziel war es, Daten darüber zu sammeln, wie RIS-unterstützte Kommunikationssysteme in diesen verschiedenen Szenarien arbeiten, wobei der Fokus auf ihrer Leistung im Sub-6 GHz Frequenzbereich lag.

#Aussenmessungen

Die Aussenmessungen wurden an einem Standort durchgeführt, an dem Signale um Hindernisse wie Gebäude reisen mussten. Während dieser Phase wurden die Signalwege zwischen dem Sender (Tx) und dem Empfänger (Rx) eingerichtet, um zu bewerten, wie effektiv das RIS Signale reflektieren und lenken konnte.

Messungen wurden an verschiedenen Punkten durchgeführt, um zu bewerten, wie der Abstand zum RIS und die Annäherungswinkel die Signalqualität beeinflussten. Verschiedene Konfigurationen des RIS wurden getestet, einschliesslich solcher, die Signale reflektierten, ohne deren Eigenschaften anzupassen.

#Innenmessungen

Die Innenmessungen fanden in einem Flur statt, wo Signale noch mehr Hindernissen wie Wänden und Möbeln gegenüberstanden. In dieser Umgebung war es entscheidend, die Elemente des RIS anzupassen, um sicherzustellen, dass Signale effektiver navigieren konnten.

Ähnlich wie bei den Aussenmessungen wurden verschiedene RIS-Konfigurationen getestet, und Daten darüber gesammelt, wie diese Einstellungen die Signalqualität beeinflussten. Dieser Ansatz zielte darauf ab, zu verstehen, welche Konfigurationen die beste Leistung in einem geschlossenen Raum boten.

#Aussen-zu-Innen-Messungen

Das Aussen-zu-Innen-Szenario umfasste Messungen, bei denen Signale von aussen Wände durchdringen mussten, um die Empfänger im Inneren zu erreichen. Diese Einstellung war besonders herausfordernd, da Wände die Signalstärke erheblich schwächen können.

In dieser Situation wurde das RIS strategisch platziert, um die Chancen auf eine erfolgreiche Übertragung von Signalen von aussen zum Innenempfänger zu erhöhen. Verschiedene Konfigurationen wurden erneut bewertet, um die optimalen Einstellungen für diese Umgebung zu finden.

#Datenanalyse

Nach der Datensammlung aus den drei Szenarien wurden mehrere wichtige Merkmale analysiert. Diese Analyse umfasste die Untersuchung, wie das RIS den Signalverlust, die Streuung der Signale über die Zeit und die Stabilität der Frequenzen während der Übertragung beeinflusste.

#Signalverlust

Signalverlust bezieht sich auf die Reduzierung der Signalstärke, während es durch die Umgebung reist. In allen drei Messszenarien wurde beobachtet, dass der intelligente Reflexionsmodus erhebliche Reduzierungen des Signalverlusts im Vergleich zur spekulativen Reflexion (wo das Signal wie von einer flachen Oberfläche reflektiert wird) und in Fällen ohne RIS bot.

Das zeigt, dass das RIS effektiv die Signalstärke verbessern kann, was drahtlose Kommunikation zuverlässiger macht. Die Messungen zeigten, dass sich mit zunehmendem Abstand vom RIS die Unterschiede im Signalverlust zwischen den Konfigurationen ebenfalls veränderten, was die Bedeutung der Distanz für die Signalqualität verdeutlicht.

#Zeitstreuung

Die Zeitstreuung misst, wie verbreitet die Mehrwege-Signalbestandteile sind, wenn sie beim Empfänger ankommen. Je kürzer die Zeitstreuung, desto klarer und fokussierter ist das Signal. Die Ergebnisse zeigten, dass intelligente Reflexion weniger Zeitstreuung erzeugte als sowohl spekulative Reflexion als auch die Abwesenheit von RIS. Das deutet darauf hin, dass die Nutzung von RIS zu klareren Signalen führt, was die Kommunikationsqualität verbessert.

#Frequenzstabilität

Frequenzstabilität bezieht sich darauf, wie konsistent das Signal über einen Frequenzbereich ist. Die Messungen zeigten, dass Signale, die mit intelligenter Reflexion unter Verwendung von RIS gesendet wurden, viel stabiler waren im Vergleich zu anderen Methoden. Diese Eigenschaft ist entscheidend, da stabile Signale weniger anfällig für Störungen sind, was zu einer besseren Kommunikationsqualität führt.

#Räumliche Konsistenz

Räumliche Konsistenz ist ein weiterer wichtiger Faktor, da er bestimmt, wie gut die Eigenschaften des Signals erhalten bleiben, wenn sich der Sender oder Empfänger bewegt. Die Analyse zeigte, dass intelligente Reflexionsmodi eine gleichbleibende Signalqualität beibehielten, während Reflektionen ohne RIS zu erheblichen Schwankungen in der Signalqualität führten. Diese Konsistenz ist wichtig für Anwendungen, bei denen sich Nutzer während der Nutzung drahtloser Geräte bewegen.

#Zusammenfassung der Ergebnisse

Die Studien, die in verschiedenen Szenarien durchgeführt wurden, heben die potenziellen Vorteile der Verwendung von RIS in drahtlosen Kommunikationssystemen hervor. Die wichtigsten Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden:

1. Verbesserter Signalverlust: Die Verwendung von intelligenter Reflexion mit RIS führt zu erheblichen Verbesserungen im Signalverlust im Vergleich zu traditionellen Reflexionsmethoden und in Fällen ohne RIS.

2. Reduzierte Zeitstreuung: Intelligente Reflexion führt zu klareren Signalen mit weniger Zeitstreuung, was darauf hindeutet, dass RIS hilft, die Signalenergie effektiv zu fokussieren.

3. Erhöhte Frequenzstabilität: Signale, die mit RIS gesendet werden, sind über verschiedene Frequenzen stabiler, was die Fähigkeit der Technologie zur Verbesserung der Signalqualität zeigt.

4. Beibehaltung der räumlichen Konsistenz: Die Leistung der intelligenten Reflexion bleibt konstant, selbst wenn sich die Übertragungs- und Empfangsgeräte bewegen, was entscheidend ist, um die Qualität während der Kommunikation aufrechtzuerhalten.

#Zukünftige Arbeiten

Die vielversprechenden Ergebnisse aus den aktuellen Messungen deuten auf ein starkes Potenzial der RIS-Technologie in zukünftigen drahtlosen Kommunikationssystemen hin. Weitere Forschungen sind notwendig, um vielfältigere Szenarien zu untersuchen, z.B. städtische Umgebungen und komplexe Gebäude, um vollständig zu verstehen, wie RIS effektiv genutzt werden kann.

Zusätzlich sollten zukünftige Studien auch die Integration von RIS mit aufkommenden Technologien wie Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Systemen untersuchen, die die Kommunikationsfähigkeiten weiter verbessern könnten.

#Fazit

Reconfigurable Intelligent Surfaces stellen einen bedeutenden Fortschritt in der drahtlosen Kommunikationstechnologie dar. Die durchgeführten Messkampagnen in verschiedenen Umgebungen zeigen die Wirksamkeit von RIS bei der Verbesserung der Signalqualität durch Reduzierung des Signalverlusts, der Zeitstreuung und Verbesserung der Frequenzstabilität.

Während die Forscher weiterhin diese Technologie erkunden, birgt sie ein grosses Potenzial, die Zukunft der drahtlosen Kommunikation zu gestalten, besonders angesichts der wachsenden Anforderungen an schnellere und zuverlässigere Verbindungen in den kommenden Jahren. Das fundamentale Verständnis, das aus diesen Messungen gewonnen wurde, wird von unschätzbarem Wert sein, um die Entwicklung von Netzwerken und Anwendungen der nächsten Generation zu leiten.