Der Fortschritt hin zu drahtlosen Kommunikationssystemen der sechsten Generation (6G) legt den Schwerpunkt auf intelligente, programmierbare Funkumgebungen, um dem exponentiellen Wachstum der Konnektivität gerecht zu werden. Rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS), bestehend aus Metasurface-Arrays aus passiven Einheitszellen mit einer Subwellenlänge, manipulieren elektromagnetische Wellen dynamisch durch programmierbare Reflexionsphasenverschiebungen. Dies ermöglicht Beamforming- Funktionen, die die Signalqualität verbessern, die Abdeckung erweitern und die Netzwerkausfallsicherheit sowie die Sicherheit der physikalischen Schicht erhöhen. Trotz dieser Vorteile steht der praktische Einsatz von RIS bei Millimeterwellenfrequenzen vor großen Herausforderungen. Die geringe Größe der Einheitszellen schränkt die Integration von Biasing-Netzwerken ein, ohne die Hochfrequenzleistung zu beeinträchtigen. Große RIS-Aperturen, die für drahtlose Backhaul-Verbindungen über große Entfernungen erforderlich sind, erhöhen die Komplexität und die Kosten der Herstellung. Darüber hinaus ist die individuelle Steuerung jeder einzelnen Zelle aus Kosten- und Komplexitätsgründen nicht realisierbar. Diese Arbeit konzentriert sich auf Sparse-RIS-Designs, bei denen Teilmengen von Zellen, die jeweils über eine integrierte Bias-Spannung verfügen, selektiv gesteuert werden, um ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Realisierbarkeit herzustellen. Ein Hardware-Demonstrator validiert diesen sparse Designansatz, indem er kompakte Zellen mit integrierter Bias-Spannung und Steuerung in den Vordergrund stellt. Die Forschung integriert umfassende Systemmodellierung, elektromagnetische Simulationen, Hardware-Design, Optimierungsalgorithmen und experimentelle Validierung. Die anfängliche Systemmodellierung geht von einer dichten Anordnung der Einheitszellen aus, um die Anforderungen an die Größe des RIS in realistischen und skalierten Szenarien zu bewerten und dabei Einschränkungen aufzudecken, die zu sparse Lösungen führen. Es wurde ein 28 GHz Sparse-RIS-Demonstrator mit einer 1-Bit-Architektur entwickelt: Jede Einheitszelle umfasst ein auf die Betriebsfrequenz abgestimmtes Resonanzantennenelement und ein auf einer PIN-Diode basierendes Biasing-Netzwerk, das die Reflexionsphase zwischen 0◦ und 180◦ umschaltet und so eine binäre Strahlformung ermöglicht. Ein neuartiges modulares Sparse-Tile-Design umfasst eine kompakte 2 × 2-Anordnung aktiv gesteuerter Einheitszellen in Kombination mit unstrukturierten Bereichen, wodurch die Anzahl der aktiven Einheitszellen im Vergleich zu den derzeitigen dichten RIS-Architekturen um 75% reduziert wird. Um unstrukturierte Bereiche zu berücksichtigen, werden vier Designansätze vorgeschlagen, um deren elektromagnetisches Verhalten zu bewerten und anzupassen, die Leistung aufrechtzuerhalten und die Integration des Biasing-Netzwerks zu erleichtern. Diese Sparse-Tile-geometrie reduziert die Komplexität und räumliche Einschränkungen und ermöglicht gleichzeitig eine flexible Strahlformung. Die Tiles werden über spezielle Controller-Boards gesteuert, was die Komplexität der Steuerung vereinfacht und die Reflexionsverstärkung verbessert. Das Biasing-Netzwerk wird über ein De-Embedding-Board charakterisiert, um das Verhalten der Komponenten unter räumlichen Einschränkungen zu quantifizieren. Fullwave-FEM-Simulationen und Messungen bestätigen die Resonanzfrequenz und die Strahlungsmuster einzelner Einheitszellen. Der RIS-Demonstrator ist in drahtlose Backhaul-Testumgebungen integriert und ermöglicht so programmierbares Beamforming und dynamische Steuerung. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das RIS die Sicherheit und Zuverlässigkeit des drahtlosen Backhaul erheblich verbessert, indem es die Resilienz gegen Störungen und Angriffe auf der physikalischen Ebene erhöht. Zusammenfassend lässt diese Arbeit umfassende Designrichtlinien festlegen, die die Größe des RIS, die Komplexität der Sparse-Steuerung und die Integration des Biasing- Netzwerks bei 28 GHz optimieren. Der praktische Sparse-RIS-Demonstrator validiert skalierbare, effiziente RIS-Anwendungen, die die Resilienz und Sicherheit von drahtlosen Backhaul-Verbindungen verbessern und die RIS-Technologie von der Theorie hin zu praktischen, skalierbaren 6G-Lösungen vorantreiben.
Mehmet Arslan (Thu,) studied this question.