Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS): Умные стены 6G

Беспроводные сети всегда реактивно адаптировались к своей среде — проектируя обходы препятствий, компенсируя отражения, борясь с помехами. Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) переворачивают эту зависимость. Вместо адаптации сигнала к среде, RIS адаптирует среду к сигналу. Этот материал подготовлен редакцией 7G Network, которая отслеживает новейшие беспроводные технологии, включая терагерцовую связь и архитектуры сетей следующего поколения.

Идея обманчиво проста: покрыть поверхности — стены, потолки, окна, фасады зданий — электронно управляемыми metasurface панелями, которые могут отражать, преломлять или фокусировать радиоволны по требованию. Результатом является программируемая беспроводная среда, где зоны плохого покрытия исчезают, помехи отводятся в сторону, а качество сигнала улучшается без добавления новых базовых станций или увеличения мощности передачи.

Как работает RIS

Реконфигурируемая интеллектуальная поверхность состоит из сотен или тысяч субволновых элементов, каждый из которых содержит настраиваемый компонент (PIN-диод или варактор), совместно управляющих радиоволнами путём координированного сдвига фаз — работая как пассивный beamforming без RF-цепей и усилителей мощности.

Reconfigurable Intelligent Surface — это тонкая панель, состоящая из сотен или тысяч элементов размером меньше длины волны — каждый меньше радиоволн, которыми они управляют. Каждый элемент содержит настраиваемый компонент (обычно PIN diode или varactor), который может сдвигать фазу входящего сигнала на контролируемую величину.

Координируя сдвиги фаз по всем элементам, поверхность создает конструктивную интерференцию в желаемых направлениях и деструктивную интерференцию в других местах. Эффект похож на beamforming в массивной MIMO антенне, но с двумя критическими различиями:

• Пассивная работа: Базовый RIS не генерирует радиосигналы — он только отражает и перенаправляет существующие. Это означает отсутствие усилителей мощности, отсутствие RF цепей, и потребление энергии на порядки меньше, чем у базовой станции. Типичная RIS панель потребляет ватты, а не киловатты.
• Не требует backhaul: Поскольку она не генерирует трафик, RIS панель не нуждается в fiber соединении с основной сетью. Ей требуется только низкополосная управляющая связь (часто беспроводная) для получения инструкций beamforming от базовой станции.

Управление происходит в реальном времени: когда пользователи перемещаются, базовая станция пересчитывает оптимальные конфигурации фаз и обновляет RIS панель в течение миллисекунд. Поверхность непрерывно адаптируется для обслуживания текущих паттернов трафика. Эта способность к адаптации в реальном времени является ключевым элементом AI-нативных архитектур RAN, которые будут управлять сетями 6G.

Почему 6G нуждается в RIS

Сети 6G, работающие на частотах выше 100 ГГц, сталкиваются с серьёзными проблемами распространения — сигналы не проходят через стены, блокируются человеческим телом и поглощаются влагой. RIS решает эту проблему, перенаправляя существующие сигналы вокруг препятствий без дополнительной мощности передачи или спектра.

Физические свойства 6G создают проблему покрытия, которую RIS уникально подходит для решения.

6G будет использовать частоты выше 100 GHz — sub-terahertz спектр, который предлагает огромную пропускную способность, но страдает от серьезных проблем распространения. На этих частотах сигналы не могут проникать через стены. Они блокируются человеческими телами. Они поглощаются дождем и влажностью. Каждое препятствие создает жесткую тень. По данным Samsung Research (2023), потери на пути sub-THz на 20–30 дБ выше, чем у mmWave на эквивалентных расстояниях.

Традиционные решения — больше базовых станций, более высокая мощность передачи, больше антенн — дорогие, энергозатратные и сталкиваются с убывающей отдачей в плотных средах. RIS предлагает альтернативу: вместо того чтобы излучать больше сигнала, перенаправить уже существующий сигнал вокруг препятствий.

Рассмотрим сценарий: sub-THz базовая станция обслуживает офис открытой планировки. Пользователь проходит за колонну и теряет прямую видимость. Без RIS соединение прерывается или серьезно ухудшается. С RIS панелями на потолке сигнал отражается вокруг колонны для поддержания покрытия — используя ноль дополнительной мощности передачи и не требуя дополнительного спектра.

Архитектуры RIS: пассивные, активные и не только

Технология RIS эволюционировала от простого пассивного отражения к множеству архитектур: активная RIS со встроенными усилителями, STAR-RIS для одновременной передачи и отражения с 360-градусным покрытием, а также внедиагональная RIS с межэлементной связью для продвинутого управления волновым фронтом.

Базовая RIS, описанная выше, является пассивной — она только отражает. Но исследования быстро расширились до более функциональных вариантов:

Активная RIS: Каждый элемент включает малошумящий усилитель, который усиливает отраженный сигнал. Это преодолевает проблему "двойных потерь на пути" пассивной RIS (сигнал должен пройти от базовой станции к поверхности, затем от поверхности к пользователю, теряя мощность дважды). Активная RIS потребляет больше энергии, но может значительно расширить покрытие. По данным IEEE Communications Surveys & Tutorials (2024), активная RIS обеспечивает выигрыш 10–15 дБ по сравнению с пассивными аналогами.

STAR-RIS (одновременное излучение и отражение): Эти поверхности могут одновременно отражать сигналы с одной стороны и передавать их на другую сторону — обеспечивая полнопространственное покрытие на 360 градусов. STAR-RIS, установленная на окне, может обслуживать пользователей как внутри, так и снаружи здания с помощью одной панели.

Внедиагональная RIS: Обычная RIS использует диагональные матрицы фазового сдвига — каждый элемент работает независимо. Внедиагональная RIS вводит связь между элементами, обеспечивая более сложное управление волновым фронтом за счет увеличенной сложности аппаратуры.

Морфинговая RIS: Поверхности, которые могут физически изменять форму — изгибаться, наклоняться или складываться — для оптимизации своей геометрии под текущие условия. Это в основном исследовательская концепция, но прототипы существуют.

Текущие прототипы и полевые испытания

Несколько организаций перевели RIS из области симуляций в реальное оборудование: Rohde & Schwarz и Greenerwave продемонстрировали улучшения mmWave RIS в реальных условиях, а проект ЕС RISE-6G (2021–2023) создал прототипы, которые теперь вносят вклад в стандартизацию ETSI.

RIS перешла от симуляции к физическому оборудованию:

Rohde & Schwarz и Greenerwave завершили новаторскую измерительную кампанию с новым модулем RIS диапазона FR2 (mmWave), подтвердив улучшения в покрытии и энергоэффективности в реальных условиях. Это была одна из первых строгих демонстраций по радиоканалу, которая подтвердила предсказания симуляций.

Проект ЕС RISE-6G (2021–2023) создал несколько прототипов RIS и установил методологии измерений, которые теперь используются в дискуссиях по стандартизации ETSI. Проект продемонстрировал локализацию с поддержкой RIS, расширение покрытия и управление помехами в внутренних средах.

6G-LICRIS (Liquid Crystal RIS): Консорциум, включающий Rohde & Schwarz, разрабатывает панели RIS, использующие технологию жидких кристаллов — ту же технологию, что и в LCD экранах. Жидкие кристаллы обеспечивают непрерывно настраиваемые фазовые сдвиги (не только дискретные шаги), потенциально позволяя более точное управление лучом.

IEEE ICC 2026 (май 2026) будет включать живые испытательные стенды по радиоканалу, объединяющие линии с поддержкой RIS с масштабируемым MIMO и спутниковой связью, обеспечивая целостную демонстрацию сетевых технологий 6G.

Прогноз рынка

По данным Zhar Research (2026), RIS для 6G-коммуникаций может стать крупнейшим рынком метаповерхностей с потенциалом создания многомиллиардных бизнесов в период 2026–2046 годов, охватывающих сегменты прозрачных оконных RIS, аэрокосмических RIS и активных RIS для помещений.

Согласно отчету Zhar Research за период 2026–2046, RIS для 6G связи может стать крупнейшим рынком для metasurfaces, с потенциалом создания многомиллиардных бизнесов. В настоящее время приоритетом являются RIS, работающие на частотах 5G или близких к ним (sub-6 GHz и mmWave), за которыми последуют sub-THz RIS по мере развития 6G.

Рынок сегментирован на несколько развивающихся вертикалей: прозрачные RIS для окон и стеклянных фасадов, аэрокосмические RIS для спутниково-наземных каналов связи, крупноформатные RIS для расширения наружного покрытия и активные RIS для повышения пропускной способности в помещениях.

Статус стандартизации

Группа промышленных спецификаций ETSI по RIS (ISG RIS) разрабатывает варианты использования и архитектуру, а 3GPP Release 20 включает RIS как исследовательский пункт для 6G. Нормативные спецификации ожидаются в Release 21, ориентировочно в 2028 году.

RIS еще не был формально стандартизирован — но находится на этом пути. ETSI имеет группу промышленных спецификаций по RIS (ISG RIS), которая разрабатывает варианты использования, архитектуру и методологии оценки. Исследовательские элементы 3GPP Release 20 включают RIS как кандидатную технологию для 6G. Подробнее о процессе стандартизации см. хронологию стандартизации 6G.

Задача стандартизации заключается в определении того, как панель RIS взаимодействует с базовой станцией. Ключевые открытые вопросы включают:

• Как базовая станция получает информацию о состоянии канала (CSI) для пути, отраженного RIS? Поверхность пассивна и не может измерять каналы самостоятельно.
• Какой протокол управления соединяет базовую станцию с RIS? Сколько пропускной способности ему требуется? Какая задержка приемлема?
• Как координируются несколько панелей RIS от разных поставщиков в одной зоне покрытия?

Эти вопросы должны быть решены на этапе исследования Release 20 (до 2026 года), чтобы RIS появился в нормативных спецификациях Release 21.

RIS против конкурирующих подходов

RIS - не единственное решение проблемы покрытия 6G. К его конкурентам относятся:

Small cells: Плотное развертывание маломощных базовых станций. Более проверенная технология, но дорогая в развертывании (требует backhaul), потребляет больше энергии и сталкивается с проблемами приобретения участков в плотных городских районах.

Relays: Активные устройства, которые принимают, усиливают и ретранслируют сигналы. Более функциональны, чем пассивные RIS, но требуют полных RF цепей, питания и часто backhaul.

Модернизация Massive MIMO: Добавление большего количества антенных элементов к существующим базовым станциям. Эффективно, но сталкивается с физическими ограничениями размера антенной решетки и убывающей отдачей при большем количестве элементов.

RIS дополняет, а не заменяет эти подходы. Вероятная архитектура 6G использует макро базовые станции с Massive MIMO для широкозонного покрытия, small cells для точек высокой нагрузки и RIS панели для заполнения пробелов в покрытии и управления помехами — каждый уровень выполняет то, что он делает наиболее эффективно.

Видение: Самоадаптивные умные среды

Долгосрочное видение для RIS выходит за рамки простого отражения сигналов. Исследователи представляют поверхности, которые являются самопитаемыми (получают энергию от сигналов, которые они отражают), самообучающимися (используют встроенный AI для оптимизации паттернов луча без централизованного управления) и самовосстанавливающимися (автоматически компенсируют отказы отдельных элементов).

В этом видении сама беспроводная среда становится интеллектуальной. Здания, транспортные средства и инфраструктура непрерывно оптимизируют радиораспространение как фоновую функцию — невидимую для пользователей, не требующую ручной настройки и адаптирующуюся в реальном времени к изменяющимся условиям.

Это не научная фантастика, но это и не 2030 год. RIS первого поколения в 6G сетях будут относительно простыми отражающими панелями, управляемыми базовыми станциями. Самоадаптивное видение — это цель эры 7G, основанная на десятилетнем операционном опыте 6G.

Источники

1. Zhar Research, «Reconfigurable Intelligent Surfaces 2026-2046: Technology, Markets, Forecasts», 2026 — zharresearch.com
2. ETSI ISG RIS, «Reconfigurable Intelligent Surfaces: Use Cases, Deployment Scenarios, and Requirements», 2025 — etsi.org/committee/ris
3. 3GPP, «Release 20 Study on Reconfigurable Intelligent Surfaces», TR 38.XXX, 2025 — 3gpp.org
4. EU RISE-6G Project, «Final Report: RIS Prototypes and Measurement Methodologies», 2023 — rise-6g.eu
5. Rohde & Schwarz и Greenerwave, «Over-the-Air RIS Measurement Campaign at FR2», 2025 — rohde-schwarz.com
6. IEEE Communications Surveys & Tutorials, «Active vs. Passive RIS: Performance Comparison», Vol. 26, 2024 — ieeexplore.ieee.org
7. Samsung Research, «6G Vision: The Next Hyper-Connected Experience for All», 2023 — research.samsung.com