Вы когда-нибудь задумывались, как работают устройства, которые мы используем каждый день, такие как смартфоны, ноутбуки и устройства для умного дома? Все они зависят от интернета, для обеспечения которого стоят разветвлённые сети серверов, которые, как правило, располагаются в специальных дата-центрах. Сети — это системы, которые перемещают информацию между устройствами, помогая миллиардам людей оставаться на связи посредством мессенджеров, видеозвонков, онлайн-игр и потокового вещания. Но поскольку всё больше людей пользуются интернетом каждый день, эти сети должны быть быстрее, надёжнее и гуманнее для окружающей среды. Сейчас центры обработки данных (ЦОДы) потребляют грандиозно много электроэнергии, что увеличивает выбросы углерода и наносит вред планете. Появление беспроводных сетей передачи данных 6G призвано удовлетворить растущие потребности интернет-трафика, не усугубляя изменение климата.
Разработчики стремятся сделать так, чтобы беспроводные сети могли работать умнее, а не становились более сложными и громоздкими? Традиционно такие системы должны поддерживать сильный, постоянный сигнал от вышек связи к нашим устройствам. Практически всегда этот сигнал должен проникать через стены зданий или другие препятствия, которые ослабляют соединение. Чтобы компенсировать эти потери, беспроводные сети полагаются на мощные передатчики — устройства, которые помогают отправлять мощные сигналы на большие расстояния — но они потребляют много энергии. Поэтому учёные предложили принципиально новую концепцию — чтобы стены и потолки зданий могли бы стать активными частями сети, направляя беспроводные сигналы в определённых направлениях (распределительная маршрутизация), чтобы потоки данных достигали устройств эффективнее. Это могло бы повысить качество связи и сэкономить энергию.
Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS — Reconfigurable intelligent surfaces) — это передовые технологии, которые действуют как зеркала, подстраиваясь под качество беспроводных сигналов, экономя энергию и улучшая работу сетей. Они могут улучшить беспроводные сети, превращая обычные поверхности, такие как стены или потолки, в инструменты для ретрансляции цифрового потока данных. Эти «умные зеркала» отражают и корректируют сигналы, делая их передачу более быстрой, надёжной и энергоэффективной. Опытные образцы уже тестируются для усиления Wi-Fi в умных домах, улучшения связи на смарт-фабриках для обеспечения бесперебойной работы и помощи таким устройствам, как фитнес-трекеры или фермерские датчики, обеспечивая более устойчивую связь и более длительный срок службы. Хотя эти материалы обладают большим потенциалом, пока есть проблемы, которые необходимо решить. Компоненты, необходимые для RIS, дороги, и нужны чёткие правила, чтобы гарантировать их безопасную работу без помех для других устройств. Несмотря на эти препятствия, эта вспомогательная технология может помочь сформировать будущее, в котором беспроводная связь будет быстрее, «дальнобойнее» и эффективнее.
«Реконфигурируемая» означает, что поверхность может быть скорректирована или изменена по мере необходимости для более эффективного направления сигналов, а «интеллектуальная» относится к способности системы анализировать окружающую среду и принимать решения в режиме реального времени. Можно рассматривать RIS как «умные зеркала», которые отражают сигналы именно туда, где они необходимы (по аналогии с отражённым лучом света, который способен осветить тёмный угол комнаты).
Эти умные поверхности сделаны из специальных метаматериалов, разработанных с использованием структур крошечного размера, называемых элементарными ячейками. Эти материалы могут делать то, чего не могут обычные естественные, например, огибать беспроводные сигналы вокруг препятствий. Крошечные структуры, из которых состоят метаматериалы, называемые элементарными ячейками, взаимодействуют с электромагнитными волнами для регулировки направления или силы сигнала. В отличие от обычных материалов, которые просто поглощают или отражают сигналы, не изменяя их, инновационные продукты могут изгибать волны вокруг препятствий или фокусировать их как линза. Например, в переполненном офисном здании, где сигналы с трудом достигают всех зон, RIS на стенах может перенаправлять сигналы Wi-Fi вокруг барьеров, чтобы гарантировать, что у всех в здании будет надёжное соединение.
RIS полагаются на интеллектуальные алгоритмы и обработку сигналов на основе частотного анализа волн, различая интернет- или телефонные сигналы, для понимания их поведения и повышения их производительности. Умные алгоритмы действуют как «мозги» системы, вычисляя наилучший способ обработки беспроводных потоков информации. Обработка сигнала позволяет понять сколько людей подключено или блокируют ли стены или препятствия сигнал. Используя эту информацию в реальном времени, RIS может настроить себя, чтобы усилить сигнал, направить его вокруг препятствий или сфокусировать его в нужном направлении.
Уже сегодня эти материалы тестируются в нескольких отраслях, чтобы получить понимание, могут ли они решать реальные проблемы. Одно из важных применений — в Интернете вещей (IoT) то есть в повседневных гаджетах, таких как устройства «умного дома», фитнес-трекеры, смарт выключатели и телевизоры, датчики на фермерских полях, которые подключены к интернету. Например, умный термостат может регулировать температуру внутри дома, основываясь на информации из приложения о погоде, а фитнес-трекер в часах может отправлять количество ваших шагов в приложение о здоровье на вашем аккаунте. Устройства IoT часто работают от небольших источников питания, а значит, для хорошей работы им нужно надёжное беспроводное соединение. RIS может отражать сигналы непосредственно на эти устройства, сокращая потребление энергии и помогая батареям работать дольше.
Панели RIS на амбарах или других сельскохозяйственных постройках могут взаимодействовать с датчиками с полей для отслеживания состояния почвы или урожая. На заводах эта система может помочь беспроводным сигналам обходить громоздкое оборудование и другие препятствия (которое блокирует беспроводную связь), обеспечивая бесперебойную работу промышленных роботов и оборудования. Например, завод с усовершенствованной RIS может использовать роботизированные манипуляторы для сборки продукции на одной стороне здания, в то время как датчики будут контролировать производительность оборудования на другой стороне. Вместо того чтобы сигналы терялись в лабиринте машин, RIS может эффективно направлять их туда, где они нужны, сокращая время простоя и повышая производительность.
Панели с реконфигурируемыми интеллектуальными поверхностями на дорожных знаках могут взаимодействовать с проезжающими автомобилями, предоставляя водителям обновлённую информацию о состоянии дороги, изменении дорожной обстановки и помогая предотвращать аварии. В дальнейшем, с ростом количества автономных транспортных средств, проблема быстрого устойчивого сигнала станет особенно актуальна для данной сферы. В системах умного дома стены могут усиливать сигналы Wi-Fi, чтобы устройства в каждой комнате имели надёжное соединение.
Но прежде, чем эти вспомогательные материалы станут общепринятой частью наших беспроводных сетей, предстоит решить ещё несколько задач. Основным препятствием является высокая стоимость. Специальные материалы и комплектующие, необходимые для работы этой передовой системы, пока дороги. Исследователи работают над способами снижения затрат, чтобы технологию можно было использовать более широко. Ещё одна проблема — установление чётких правил и стандартов. RIS взаимодействуют с электромагнитными волнами, поэтому важно убедиться, что они работают безопасно, не мешая другим устройствам (таким как мобильные телефоны, маршрутизаторы Wi-Fi или системы GPS), которые полагаются на те же сигналы.
Несмотря на эти проблемы, крупные технологические компании инвестируют в эту технологию, увеличивая вероятность того, что она будет играть важную роль в будущих сетях связи. Превращая обычные поверхности в интеллектуальные инструменты для беспроводной связи, человечество может создать сетевую инфраструктуру, которая будет более умной, экологичной и надёжной.
