RIS 使能空中计算

eefocus_3952551

RIS 使能空中计算
无线模拟计算通过精细构建的传输信号将计算卸载到无线环境中。通过 RIS 设计周围的无线传播环境来实现这样的架构，被称为基于 RIS 的空中卷积神经网络架构（Air Neural Network，AirNN）。AirNN 利用波的反射物理特性来表示模拟域中的数字卷积，这是 CNN架构的重要组成部分。与传统通信相比，接收端需要对信道的变化做出相应的响应，通常这种响应可以表示为有限脉冲响应(Finite Impulse Response，FIR) 滤波器，AirNN 主动创建信号反射以通过 RIS 来模拟特定的 FIR 滤波器。AirNN 涉及两个步骤：首先，CNN 中神经元的权重是从一组有限的信道脉冲响应(Channel Impulse Response，CIR)中提取的，这些信道脉冲响应对应到可实现的 FIR 滤波器。其次，每个 CIR 都是通过 RIS 设计的，反射信号在接收器处组合信号可以确定卷积的输出。传统的空中计算与基于 RIS 的新型 AirNN 对比，如图所示，传统的 CNN 架构，重点强调了卷积的计算步骤，输入数据形式是原始的 IQ样本，软件中的数字卷积运算被表示为一组 FIR 滤波器（以红色框显示），不同的 RIS 配置导致了特定的通道转换等同于(a)中所示的卷积运算，(b) AirNN 架构展示了相同的卷积使用 RIS 网络进行无线环境的调节与操控。

传统的空中计算与基于 RIS 新型 AirNN 的对比

为了满足未来的通信和计算需求，需要新材料技术来补充现有的通信和计算技术，从而使电子产品及其应用进一步多样化。这里将介绍基于 RIS 的智能计算超表面，如下图所示，智能计算超表面由智能控制器和三层组成：负责可调信号反射、吸收和折射的可重构波束形成层、负责基于超材料的计算的智能计算层和负责系统调控的控制层。前两个多功能层相互影响，应共同配置。内部控制层是由智能控制器触发的控制电路板，重点调整波束形成层的可调参数，可由现场可编程门阵列实现。为了满足计算任务的多样化，智能计算层可以配置不同种类的超材料，例如用于无线频谱学习的神经形态计算超材料（或用于保密信号的模拟计算超材料处理等。探索计算超材料的最新趋势发现，智能计算超表面有可能使联合通信和计算成为现实。

项目与研究
（1）北美
2018 年，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）开展了评估无线环境编程重构可行性的研究项目。该项目侧重于研究无线环境优化是否可行，探索改变无线信道的方法，为无线通信创造更有利的环境条件。项目团队探索了使用小尺寸无线电磁单元来改变无线环境，进而影响端到端的无线信道状态；进一步的，基于控制设备的动态控制信息调整这些无线电磁单元，实时测量端到端的无线信道的变化。2019 年，NSF 开展了液态金属调谐的柔性超表面的研究项目，其主要目标是通过理论基础研究，分析液态金属机械柔性（可弯曲/可折叠）超表面的潜力和局限性，设计可部署、可移动、适配地形的超表面，可按需实时调整无线电信号。
2020 年，NSF 开展可重构反射面实现无源和有源网络之间共存的研究项目，该项目希望通过利用 RIS 概念抑制接收端的信号干扰，保证多个无源和有源无线系统之间无缝共存。该项目研究了 RIS 增强型频谱共存网络的整体和跨层设计、性能分析、部署和优化方法。该项目提出了一个整体模型用以评估 RIS 部署对频谱共享场景中无线传播环境的影响，并给出了频谱共存场景下的 RIS 性能指标；针对无源和有源设备共存的无缝通信网络提出一种系统化的网络规划方法，用于确定 RIS 的部署数量和布局方式；提出一种分布式频谱共享的在线优化框架，动态优化 RIS 的配置；设计了具有近似连续的波束控制能力的 RIS，并且在实际环境中验证了 RIS 增强的频谱共存的可行性。
（2）欧洲
欧盟自 2017 年开始通过重大项目的方式持续资助有关智能超表面在未来移动通信网络中应用的研究。2017 年，欧洲 VISORSURF 项目启动研发 Hyper Surfaces，旨在开发一套具有可编程电磁行为的智能互联的完整硬件和软件组件。Hyper Surfaces 在超表面中集成了嵌入式电子控制单元和预定义的软件编程接口；控制单元依据外部软件命令改变超表面结构，产生所需的电磁行为。
2021 年 1 月 1 日，欧盟资助的 RISE-6G 项目开始研究基于无线电波传播控制的可重构智能表面技术，旨在实现智能、可持续和动态可编程的无线环境，进一步提升 5G 系统的通信能力。
2021 年 5 月 1 日，欧盟资助的 PathFinder 项目提出无线 2.0 模式，希望无线信道适配于蜂窝网络的业务需求。该技术提出通过设计和部署 RIS 来优化无线信道。该项目旨在为 RIS使能的无线 2.0 网络建立理论和算法基础，推动无线网络的进一步变革。PathFinder 项目重点关注的研究问题包括：受物理环境启发的 RIS/无线电波交互模型，用以建立 RIS 使无线2.0 网络的理论和算法基础； RIS 网络通信与信息理论模型；大规模部署的 RIS 网络的性能分析模型；RIS 网络的运行方案和优化算法；RIS 原型机和关键算法的测量验证。
德国联邦教育和研究部资助的 6G-LICRIS 项目，旨在通过利用可重构智能表面（RIS）以最小的能量需求显著提高未来 6G 网络的容量和覆盖范围。该项目从 2022 年底开始，计划运行时间为 3 年。

阅读全文