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智能表面与带宽:政策引领,智能化发展

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发表于 2024-5-17 15:52:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
当安装在建筑立面或室内环境时,使用 可重构智能表面(RIS)可以将无线信号的能量引导到某一点,从而在非视线环境中提供更好的覆盖并减少能耗。从无线通信的早期开始,传播信道就被认为是发射器和接收器之间 随机的、根据场景而动态变化的实体。由于周围环境和物体以及接收器的移动性,它会以一种不可控的方式降低接收信号的质量。通信理论中的一个基本假设是:传播信道是通信系统既定条件,不受影响。可重构智能表面(RIS)的使用可以改变传播通道,从而在无线通信网络中引入一种新的可编程实体,并有望将边界扩展到香农极限之外。


可重构智能表面是一种平面结构,其设计具有能够动态控制电磁波的特性。RIS 由大量低成本的无源(因此低能量)元件组成,每个元件都以一定的相移反射入射信号协同实现波束赋形,并抑制一个或多个指定接收器的干扰。这种 RIS 的构建模块是所谓的超材料,与基于原子成分特性的材料相反,超材料是一种工程构,以所需的方式与电磁辐射相互作用,并具有特殊性能。它们通常由一组小于目标波长的结构组成。RIS 场景是主要在室内环境(商场、机场、体育场或工业/工厂环境)中部署超密集网络。


2021年10月,欧洲电信标准协会(ETSI)在可重构智能表面(ISG RIS)上启动了一个新的行业规范组(ISG),用于评审和建立 RIS 技术的全球标准化。正如目前在 3GPP R18 中讨论的那样,智能中继器可能是通向反射智能表面的基石。


未来的 6G 应用场景仍需定义,与 5G 相比很显然,在数据速率、延迟、频谱效率、安全性、可靠性和能耗等方面的性能要求将更加苛刻。这也将影响处理架构:信息技术和通信技术将进一步融合,即大量的数据处理将在分布式网络系统中进行,而不一定在最终的用户设备中进行。这将导致具有挑战性的数据速率和延迟要求。计算能力可以脱离到与设备分离的云或边缘网络(从而降低终端成本)。


在传统的 “冯·诺伊曼” 计算体系结构中,计算单元(CPU)和存储器是分开的。能耗和延迟成为在CPU和内存之间传输大量数据的瓶颈。从人类大脑中获得灵感的神经形态计算(Neuromorphic Computing)等架构实现低延迟的高能效处理,计算任务是在存储器内部执行的。以人类大脑为例,它的计算能力相对于功耗是非常理想的(总共为 20w ~ 30w)。


与人工智能相关的任务严重依赖于计算处理能力,图形处理单元(GPU)性能的进一步提升最终将受到可用能量的限制。对于这样的任务,内存计算的模拟AI内核特别合适。 各种新的概念,如模拟3D交叉点电阻器阵列,用作非易失性存储器来存储权重(例如用于卷积神经网络),可用于矩阵向量并行计算(神经网络的流行计算类型)。


人工智能(AI)和机器学习(ML)已经被用于许多网络应用程序的自我管理和控制操作。其中包括初始网络规划阶段、网络控制和优化(如流量管理)、动态频谱管理以及预测和自适应资源分配。预计在未来,AI将成为无线通信系统各个领域不可或缺的一部分。这可能包括适应特定传播信道和环境条件的物理层设计,并具有端到端优化的可能性——而不是优化无线传输链的每个组件。为了应对未来 6G 网络在 设备类型、频谱范围扩展 和 灵活网络拓扑(如协作网状网络)方面的复杂性增加, AI和机器学**在 6G 的部署和运营中发挥重要作用。最大限度提升用户体验和成本效率,最少能耗地提升系统性能。


最近,欧洲电信标准协会(ETSI)也开始在在监管角度关注 AI的测试 和 AI系统测试。相关工作组是 ETSI 技术委员会(TC)核心网络和互操作性测试(INT)工作组 和 ETSI技术委员会(TC)测试和规范方法(MTS)工作组。5G 率先使用每个组件载波高达 400MHz 的大带宽毫米波频率,以实现无线工厂自动化等要求苛刻的实时应用所需的传输速率,而新兴的 6G 技术旨在实现更高的传输速率和更低的延迟。


然而,带宽为几GHz的超高数据速率的大连续频率范围只能在亚太赫兹和太赫兹范围内使用,即 100GHz 以上。香农-哈特利定理给出了最大可实现信道容量(在噪声影响下)的边界为C = B·log2 (1 + S/N),其中C为容量(bit/s),B为带宽(Hz),S/N为信噪比,该定理指出最大可实现数据速率与带宽B成正比。因为低于 6GHz 的频率已经大量使用,所以 5G 将频率范围扩展到毫米波范围。为了进一步提高未来的无线标准(如6G)的数据速率,将挖掘太赫兹频率范围几个GHz的大连续带宽。


为了实现6G的TB级数据速率甚至更高的带宽,我们只能使用超过 100GHz 的频率范围。已经确定的新频段:D频段(110GHz ~ 170GHz)、 G频段(140GHz ~ 220GHz)和 H/J频段(220GHz ~ 330GHz)。ITU 无线电规则文件总结了 1995年 世界无线电通信大会(WRC-95)通过并由随后的世界无线电通信大会(WRC-97、 WRC-2000、 WRC-03、 WRC-07、 WRC-12、 WRC-15、WRC-19)审议的无线电规则。正如引用附件[22]中第 185页所述,275GHz ~ 3THz 的区域目前尚未正式分配。275GHz ~ 450GHz 频率范围固定和地面无线服务的操作:确定 275GHz ~ 296GHz、306GHz ~ 313GHz、318GHz ~ 333GHz、356GHz ~ 450GHz 归管理部门使用,用于实施各种地面无线和固定服务应用,其中地球探测卫星应用无需采用特定条件进行保护。


IEEE 的标准化活动目前正在进行中,其中一个小组正在讨论这些频率范围下 100Gbps 的标准。该标准专门针对 252GHz ~ 325GHz 的频率范围,信号带宽高达 69.12GHz。在 95GHz 左右的 W频段(75GHz ~ 110GHz)中,已经开始开发用于无线回程/接入太赫兹频率范围。下一个极高的候选频段,即 110GHz ~ 170GHz 的 D频段,正被基站基础设施供应商所关注。6G的研究工作目前集中在 300GHz 左右的D频段和H/J频段。

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