Темная сторона связи: как метаповерхности используются в телекоме и за его пределами

Метаповерхности представляют собой плоские периодические структуры с субволновыми размерами элементарных ячеек. Взаимодействуя с внешним электромагнитным полем, они позволяют преобразовывать его в соответствии с «нужными» требованиями.

Настраивая микроструктуру метаповерхности, инженер получает возможность произвольно управлять распределением электромагнитного поля. Например, еще на этапе разработки метаповерхности можно «зафиксировать» частотную и пространственную фильтрацию, управление амплитудой и фазой коэффициента отражения/прохождения, идеальное поглощение, преобразование поляризации, фокусировку или отклонение падающего поля.

Метаповерхности развивают идеи классических радиочастотных квазиоптических устройств — проходных и отражательных антенных решеток, а также частотно-селективных структур. Миниатюризация элементарных ячеек позволяет метаповерхностям улучшить характеристики таких решений и реализовать новые, более сложные функции. А еще снизить «дискретность» состояния поля в выбранной точке.

Метаповерхности применяют для самых разных целей: для систем беспроводной передачи энергии, МРТ, устройств радиодиапазона (репитеры, металинзы, антенны), квазиоптических фильтров ТГц диапазона и оптики (металинзы, лидары).

К примерам устройств на основе метаповерхностей относятся спутниковые терминалы компании Kymeta, высоконаправленные антенны компании WaveUp, репитеры диапазона FR2 компаний Greenerwave, Pivotal Commware, TMYTEK. Решения на основе метаповерхностей активно разрабатывают ведущие вендоры телеком оборудования: Huawei, ZTE, Apple и другие.

В России метаповерхности тоже исследуют .Например, на базе Университета ИТМО, где я занимался такими исследованиями, об этом опыте расскажу ниже.

Подход к созданию метаповерхностей зависит от диапазона частот: для разных диапазонов используют разные технологии производства и учитывают разные технические ограничения. В качестве примера разберем репитеры (ретрансляторы) на базе метаповерхностей для сетей 5G.

Развитие телекома требует больших вложений в инфраструктуру — базовые станции, транспортные сети и дата-центры. Одна из особенностей мобильной связи пятого поколения по сравнению с предыдущими — использование более высоких рабочих частот, как в традиционных диапазонах до 6 ГГц, так и выше. Это увеличивает пропускную способность сети, но одновременно усложняет обеспечение стабильного покрытия. Дело в том, что высокие частоты распространяются в основном в пределах прямой видимости базовых станций.

При этом в теневых областях, например, за большими зданиями, формируются зоны с недостаточным уровнем сигнала. Такие зоны можно покрывать, устанавливая дополнительные базовые станции, но это сложное и дорогостоящее решение. Есть и альтернатива — пассивные репитеры (ретрансляторы) на основе управляемых метаповерхностей: интеллектуальные отражающие поверхности Intelligent Reflective Surface или Reconfigurable Intelligent Surface (RIS). Они отлично подходят для переотражения мощности в области с низким уровнем сигнала.

В помещении RIS может поддерживать устойчивый радиоканал, измененяя пространственное распределение частично стоячих волн, которые создает излучение беспроводной точки доступа. Метаповерхность в составе RIS управляет отражением электромагнитного поля, поступающего со стороны базовой станции. Это становится возможным благодаря элементарным ячейкам фазовращателя. «Переключаясь» между различными состояниями, они изменяют фазу коэффициента отражения метаповерхности.

В качестве управляемых элементов используют варакторные или пин-диоды, сегнетоэлектрические конденсаторы, транзисторы или жидкие кристаллы. КУ каждого из них есть свои преимущества и недостатки, поэтому выбор зависит от множества факторов: рабочих частот, требований к энергопотреблению, допустимого уровня диссипативных потерь и других параметров.

Особенность управляемых метаповерхностей в составе RIS заключается в том, что их элементы могут находиться только в двух состояниях: 0 или 1. С физической точки зрения это означает, что коэффициент отражения может принимать только две возможные фазы. При разработке RIS важно минимизировать энергопотребление, стоимость, а также время переключения. Поэтому схема управления должна быть как можно более простой и дешевой. Бинарное управление фазой коэффициента отражения позволяет снизить затраты на схему управления и обеспечить возможность фазового синтеза в реальном времени.

Ценой становится возникновение паразитных дифракционных лепестков в диаграмме рассеяния, которые уменьшают энергоэффективность работы системы. Однако для большинства практических задач такие потери допустимы. Важно найти баланс между системными и экономическими характеристиками.

В сети RIS может использоваться в разных сценариях. Например, метаповерхность может работать совместно с базовой станцией, когда сигнал управления на RIS поступает от нее. Возможен и полностью автономный режим, когда RIS самостоятельно отслеживает абонента.

Рассмотрим в качестве примера реализацию RIS диапазона FR1 5G, объединяющую управляемую метаповерхность с системой обработки изображений на базе нейросети.

Принцип работы такой:

1. Видеокамера осматривает проблемную теневую область с низким уровнем сигнала и при появлении в ней потенциальных абонентов определяет их координаты.
2. В блоке обнаружения на основании этих данных абоненты объединяются в группы (происходит кластеризация) с определением необходимого количества лучей и их формы для оптимального покрытия требуемой зоны связи.
3. После этого блок управления передает данные на ИК-передатчик, который формирует управляющий сигнал с информацией о требуемых состояниях элементов RIS.

Таким образом, использование систем компьютерного зрения в связке с RIS позволяет значительно снизить время обнаружения абонентов при их появлении в зоне тени, повысить эффективность управления лучом и улучшить качество связи при большом количестве абонентов.

Особенность рассматриваемой RIS — модульная конструкция метаповерхности, которая состоит из полностью идентичных блоков, не связанных друг с другом гальванически цепями питания и управления. Это возможно благодаря тому, что управляющие команды передаются на метаповерхность по инфракрасному каналу. Сигнал с передатчика принимают одновременно все блоки метаповерхности, после чего каждый их них сравнивает свой адрес с информацией в адресном поле переданного пакета данных.

Если адреса совпадают, микроконтроллер устанавливает напряжения смещения на элементах внутри блока с помощью схемы драйверов постоянного тока в соответствии с полученной командой. Это позволяет обеспечить модульность всей системы. Отмечу, что блок обнаружения абонентов может быть адаптирован под работу с любой управляемой метаповерхностью. В зависимости от требований к энергоэффективности в систему можно добавлять или удалять блоки без перестройки системы управления. Ниже вы видите экспериментальный образец представленной RIS диапазона FR1.

Стоит отметить, что использование камеры не является обязательным условием. В промышленных решениях чаще используют координацию с базовой станцией через протоколы управления. Однако интеграция с оптическими датчиками открывает возможности для создания полностью автономных ретрансляторов нового типа, способных оптимально обеспечивать покрытие связью требуемой области.

Этот пример показывает лишь одно из возможных применений метаповерхностей в телекоммуникациях. Конкретная реализация метаповерхности и сценарий использования зависит от целевого частотного диапазона, условий эксплуатации (внутри зданий или на открытой местности), а также технологий изготовления и типов управляющих элементов.

При этом накопленный опыт исследований и испытаний метаповерхностей в составе реальных устройств становится технологической основой для перехода к системам связи шестого поколения связи (6G), где метаповерхности будут неотъемлемой частью архитектуры абонентских и сетевых устройств.

Телеком остается приоритетной областью для использования метаповерхностей, но сейчас интерес постепенно охватывает все новые области.

Компаний, которые применяют метаповерхности для спутниковой связи достаточно много. В качестве примера приведу Kymeta Corporation, которая использует в своих терминалах спутниковой связи антенну с электронным управлением лучом на базе перестраиваемой метаповерхности. Путь этой компании любопытен, поскольку она отказалась от использования классических активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Метаповерхность управляется за счет жидких кристаллов. Главное преимущество антенн Kymeta перед классическими АФАР в том, что стоимость энергопотребления ниже, при этом сохраняется возможность электронного управления лучом.

Одно из самых перспективных направлений для применения метаповерхностей — беспилотная техника. Например, команда Lumotive производит твердотельные 3D-лидары нового поколения.

Обычные лидары сканируют пространство вокруг машины за счет быстрого вращения лазерной головки, а в Lumotive продвинулись дальше и создали технологию Light Control Metasurface, которая использует возможности метаповерхности и динамически меняет оптический путь лазерных лучей на чипе. Так импульс мгновенно распределяется по всем направлениям без механического движения. Это помогает роботам лучше считывать окружающую обстановку, быть устойчивыми к вибрациям и ударам.

Компания Multiwave Technologies использует метаповерхности при создании накладок и катушек для аппаратов МРТ. Технология помогает решить проблему неравномерного распределения радиочастотных волн при стандартном МРТ-сканировании, из-за чего ухудшается четкость картинки, особенно при исследовании глубоких тканей.

Multiwave создает гибкие подложки со встроенными метаповерхностями, которые перераспределяют электромагнитное поле внутри томографа, концентрируя сигнал в зоне исследования, чтобы снизить шумы.

Отчеты компании показывают, что такие решения позволяют повысить разрешение МРТ-снимков до 50% и ускорить процедуру сканирования. Но главное — у врачей появляется больше шансов обнаружить опухоли на ранних стадиях.

С момента первых экспериментов до сегодняшнего дня интерес к исследованиям метаповерхностей не уменьшается. В первую очередь это связано с тем, что метаповерхности представляют собой не конечный продукт, а фундаментальную платформу, которая постоянно адаптируется под новые запросы индустрии.

Несмотря на расширение сфер применения, кажется, что метаповерхности еще долго не достигнут своего потолка изучения. Возможность адаптации под разные задачи и развитие смежных научных направлений не позволяют технологии повернуться темной стороной к сообществу и выпасть из поля зрения ученых и инженеров.