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智能表面对信号进行分类—“超棱镜”的评估

发布:Iris1602阅读:1480时间:2021-3-1 06:27:13

智能表面对信号进行分类—“超棱镜”的评估

意大利博洛尼亚大学的研究人员首次提出一种使用超材料反射表面来引导无线通信信号的方法。这种“超棱镜”可以根据微波和无线电信号的频率而改变其方向,可能有助于降低无线网络通信的成本和能耗,同时兼顾兼容性。相关论文发表在《IEEE Transactions on Wireless Communications》上。

图1, 超棱镜反射的信号示例,其中每个子载波在不同方向上反射。来源:博洛尼亚大学

无线网络中通信量需求的指数级增长需要一种低成本、高能效的解决方案来扩展覆盖范围,而无需部署额外的基站。较早的无线网络依赖于低频电磁波,该电磁波很容易穿透物体并且是全向的,这意味着信号可以在一般区域内发送,并且不需要很多定向精度即可接收。但是,随着这些较低的频率随着需求的增加而变得不堪重负,网络提供商开始使用较短的波长,这产生了更高的数据传输速率,需要更高的方向精度,这些较高的频率也必须在波无法穿透的物体周围中继续传递。目前正在推出的5G网络需要这种精度,同时依赖更高频率的未来网络也将如此。最近提出的可重构智能表面(RIS)是一种可行的解决方案,但其仍存在训练时间长、与现有通信协议不兼容等问题。探索更好的方法来优化和指导无线通信是永无止境的。如今,超材料的使用被设计成具有自然存在的东西所不具有的特性,这似乎似乎同样无穷无尽。为什么不使用后者尝试前者呢?

为此,意大利科学家提出了一种基于超材料“超棱镜”的概念及相应的解决方案,使用由超材料制成的反射表面来引导无线通信信号。这种“超棱镜”根据微波和无线电信号的频率而不同地改变其方向,就像常规棱镜根据光束的颜色而使光弯曲的方式一样,为此,可以弥补RIS的缺点。“超棱镜”是一个完全无源的、不可重构的超表面,可以通过多种技术实现。超表面充当超镜子,其反射特性在信号带宽内与频率有关。研究人员通过对超棱镜的频率相关相位轮廓进行适当的设计,可以根据用户所处的位置(超棱镜的远场或近场)分配的不同的副载波,将信号导向/聚焦到特定位置,从而显著降低路径损耗。他们还提出了一个低复杂度子载波分配算法示例,证明这种方法能够保证所有用户具有相同的可实现速率。数值结果表明,相对于将无线电覆盖依托于来自墙壁的自然镜面反射和漫反射的情况,超棱镜可以显著改善覆盖范围和可达到的速率。最后,通过与RIS进行对比,研究人员分析了超棱镜的优缺点,指出其更适用于类似工业互联网场景的覆盖问题严重的密集网络。

Davide Dardari是意大利博洛尼亚大学的副教授,也是该研究的共同作者。他说:“这个想法很简单。” “我们提出的超棱镜由超材料制成,能够改变撞击电磁场的反射方式。” 就像常规棱镜折射白光以产生彩虹一样,这种拟议的超棱镜可用于创建和引导一系列不同频率或副载波的通道。然后,将根据子载波的位置将其分配给不同的用户和设备。

这种方法的主要优势在于,只要在区域周围适当地分布,超棱镜就可以被动地引导无线信号,而无需任何电源。 “可以在环境中(例如,在墙壁上)部署一个或多个用作超棱镜的表面,以生成人工反射,可以利用这些反射来增强障碍区域的覆盖范围,” Dandari解释说。他还指出,由于超棱镜可以将多个并行的通信通道指向不同的方向,因此,当存在多个用户时,这将有助于减少等待时间。他说:“由于这些优势,我们预计棱镜的成本将比其他解决方案的成本低得多。”

这项工作基于超材料提出了一项全新的引导无线电信号的方法,可以作为超密集和低延迟的工业互联网场景中的解决方案。虽然目前这项工作仍是理论性的,但Dandari计划与其他专家合作,开发出用于超棱镜所需的量身定制的超材料。他还计划探索超棱镜作为控制信号干扰的手段的优势。未来的研究方向包括更加复杂的网络以及定制的超表面技术设计。

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