[B5G] Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) 簡介

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在 5G/6G 的新通訊發展中, 有許多新的概念被提出,
當然, 也有很多曾經火紅的研究議題失寵,
今天要介紹的技術是 Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS),
RIS, 也有人稱為 Intelligent Reflecting Surfaces (IRS),
其基本的想法就是: 透過一個可控制的反射平面, 改變訊號在不同方向的反射強度,
我們可以用下圖來表示其基本想法:

來自: https://www.free6gtraining.com/2020/12/communications-using-intelligent.html

在上圖中, 介紹了 RIS 的基本構件以及基本的原理,
首先, RIS 是一個智慧反射平面, 其功能只限於電波的轉傳, 
因此不帶有發送源 (Transmitter), 真實的傳送端位於左下角.
而接收端 (user 1, user 2) 則散布於此空間中, 
透過直視 (LoS) 或是反射 (NLoS) 路徑, 接收來自於傳送端的訊號. 
RIS 的目的就是透過改變反射訊號 (NLoS) 的通道特性, 
改善接收端 (user 1, user 2) 的接收訊號強度.

如果只透過被動反射, RIS 如何改變反射訊號的通訊強度呢?
在上圖, 我們可以看到 RIS 為許多小型元件所組成.
每一個元件可以透過: 1) 改變阻抗, 2) 改變延遲, 3) 改變相位, 的方式m
等校上, RIS 可以對來自於遠場的電磁訊號 (遠場: 射線平行的來自於遠方), 
進行反射時每一個射線 (ray) 的相位調整.
此處的調整, 則是透過控制器 (controller) 對 RIS 下達 configuration 達成.

而正如同我們之前在 beamforming 中所看到的,
RIS 相當於一個被動的大型天線陣列, 雖然沒有主動的訊號源,
但是可以透過對反射訊號的相位設計, 達成對某一方向上訊號的增益.
這也是 RIS 這個想法讓無線通訊領域驚豔的原因.
在過去, 無線通訊主要透過改變傳送端和接收端的行為,
來增進整體通訊所達成的效能, 而通道, 通常是我們所必須克服的困難,
RIS 則開啟了一扇"改變通道"的大門, 使無線通訊有更多可能.

但是, 持平而論, 這是我們第一次能夠改變通道嗎? 事實上不是... 
在過去, 也曾有中繼器 (relay) 的技術在 3G/4G 時代被廣泛討論,
其中, Amplify-and-Forward (AF) 就可以看作一種全向性的 RIS,
然而, 考慮到成本, 以及布建位置的困難 (為什麼不直接設立 small cell?),
relaying 的技術, 以及相對應的通訊協定設定, 從來就只存在於學術城堡,

RIS 也會面臨到類似的問題, 為了最佳化其效能,
必須要有相對應的機制, 來收集使用者的訊號強度回報,
就像是 beamforming 技術在 5G mmWave 中的實現一樣,
必須有對應 beam training 的機制 (可參考 beam sweeping 這篇文章),

https://note-on-clouds.blogspot.com/2020/02/lte-beam-sweeping.html

考慮到 RIS 的特性,
其天線場型的設計, controller 的同步, 訊號強度的回報,
這些種種機制都尚未在現有的 RIS 架構討論中,
所以, RIS 究竟是未來通訊的希望 (hope),
或者, 又只是另一場學術上的炒作 (hype) 仍屬未知,
我們接下來會議一系列文章, 繼續描述 RIS 的種種特性.

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