我们需要更加绿色的网络

你是否想过, 我们日常使用的智能手机、笔记本电脑与智能家居设备究竟是如何运转的？它们都依赖互联网, 而互联网的背后是网络。这些网络在设备间传输信息, 使数十亿人能够通过视频通话、在线游戏和流媒体保持连接。不过, 随着互联网用户日渐增多, 网络的速度与可靠性急需提升, 还要降低对环境的影响。当前, 这些网络能耗巨大, 既增加碳排放, 又危害地球环境。随着 6G 网络等新技术的到来, 我们面临的挑战是如何满足不断增长的网络需求, 同时避免加剧气候变化。

能否让无线网络更智能, 而不是更耗能？传统无线系统依赖通信塔向设备传输强劲而稳定的信号, 而信号通常会在穿透墙体、建筑等障碍物时出现衰减。为解决此问题, 无线网络需要配备高功耗的强力发射器来传输远距离信号。不过, 如果能让建筑的墙面或天花板成为网络的有效部件, 将无线信号精准导向特定方向, 即可增强网络连接、节约能源并保护环境。

新兴技术: 可重构智能表面

可重构智能表面（RIS）是一种通过将墙壁、天花板等普通表面转化为无线通信工具来增强网络信号的前沿技术 [1]。“ 可重构”指表面能够按需调整, 从而更高效地引导信号；“智能”则意味着系统可实时分析环境并自主决策。RIS 如同“智能镜子”, 能将信号精准反射至目标区域, 就像使光束折射, 照亮黑暗角落。

这些智能表面由超材料构成。这种经过微观设计的特殊材料具备天然材料无法实现的特性。组成超材料的微型单元结构可与电磁波（如 Wi-Fi 或手机信号）相互作用, 调节信号方向或强度。普通材料只能单纯吸收或反射信号, 而超材料则能使信号绕过障碍物, 还能像透镜那样聚焦信号。例如,在信号难以无死角覆盖的拥挤办公楼中, 墙面 RIS 可引导 Wi-Fi 信号绕开障碍, 确保楼内所有人的网络连接稳固。

RIS 借助智能算法与信号处理来了解如何调节信号。智能算法充当系统“大脑”, 计算处理无线信号的最佳方案；信号处理则分析连接设备数量、墙体障碍等信号数据。基于这些实时信息, RIS 可自主强化信号、让信号绕过障碍或集中定向传输。

此技术可通过减少对高功率发射器的需求达到节能目的, 以更精准的信号传输为未来的无线网络提供更环保、更高效的解决方案 [2, 3]。

科技助力无线网络

RIS 正在多个行业进行实测, 以检验其解决现实问题的能力（图 1）[4]。其中一个重要的应用领域是物联网（IoT）, 即由智能家居设备、可穿戴健身追踪器或农田传感器等日常物品组成的互联网络。这些可彼此“对话”的联网设备通过信息共享来提升生活便利性与安全性: 例如智能恒温器可根据天气数据调节室内温度, 手表上的健身追踪器可向手机上的健康应用发送步数统计数据。物联网设备通常依靠小型电池运行, 需要强劲而稳定的无线信号支持。RIS 可将信号直接反射至这些设备, 降低能耗并延长电池续航。

在智能家居场景中, 安装于墙面或天花板的 RIS 面板可增强 Wi-Fi 信号, 确保每个房间的设备稳定连接。在农业领域, 监测土壤湿度的传感器需要向农户手机传输数据, 谷仓或塔架上的 RIS 面板可确保这些传感器在低功耗状态下实现远距离通信。RIS 在智能工厂 同样展现出巨大潜力: 工厂内的大量金属机械等障碍物会阻挡无线信号, 而安装在墙面、天花板或设备上的 RIS 面板可引导信号绕开障碍, 确保所有机器与传感器保持连接。例如, 在 RIS 增强的工厂中, 一侧的机械臂组装产品时, 另一侧的传感器实时监测设备性能。RIS 能让信号高效穿越机械迷宫, 迅速抵达目的地, 减少停机时间并提升生产效率。

RIS 还能实现车辆与交通系统“对话”, 提升道路安全性。例如, 高速公路标志上的 RIS 面板可向驾驶员实时更新交通拥堵或危险路况信息, 从而优化车流, 预防事故发生。

重大挑战与更大机遇

尽管潜力巨大, 但要成为无线网络的常规部件, RIS 仍面临一些挑战。

首要挑战是成本。RIS 所需的特殊超材料与先进系统成本高昂, 限制了此项技术的大规模应用。研究人员正想方设法降低成本以推广这项技术。另一大挑战在于制定明确的规范和标准。由于 RIS 与电磁波相互作用, 因此必须确保运行安全性, 不干扰手机、无线路由器或 GPS 系统等依赖相同信号的设备。

虽然存在这些挑战, RIS 的前景依然光明。大型科技公司正积极投资 RIS, 使此项技术有望在未来通信网络中扮演重要角色。通过将普通表面转化为智能无线通信工具, RIS 将助力构建更智能、更环保、更可靠的全民无线网络。

术语表

可重构智能表面 (Reconfigurable Intelligent Surfaces): ↑ 类似镜子的智能表面, 可自我调节以优化无线信号, 提升能效和网络性能。

超材料 (Metamaterials): ↑ 借助微观单元结构进行微细化设计的特殊材料, 具备天然材料不具备的特性, 比如让无线信号绕过障碍物。

电磁波 (Electromagnetic Waves): ↑ 携带能量的无形波, 如光波、无线电波、Wi-Fi 信号, 可实现设备信息收发。

智能算法 (Smart Algorithms): ↑ 像“大脑”那样通过计算和规则进行决策的计算机程序, 可处理无线信号路径优化之类的任务。

信号处理 (Signal Processing): ↑ 通过分析互联网或手机信号等数据波动, 解析其传输特性并优化通信性能。

物联网 (Internet of Things): ↑ 由共享信息的联网智能家居设备、健身追踪器等日常物品构成的网络。

智能工厂 (Smart Factories): ↑ 应用传感器与机器人等先进技术实现信息共享、提升效率并减少浪费的工厂。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致謝

由 SJD Consulting, LLC. 科学撰稿人/编辑、毕业于美国马萨诸塞大学陈氏医学院晨兴生物医学研究生院的 Susan Debad 博士参与撰写和编辑。图表制作方为Somersault18:24。

AI 人工智能工具使用声明

本文中所有图表附带的替代文本（alt text）均由 Frontiers 出版社在人工智能支持下生成。我们已采取合理措施确保其准确性，包括在可行情况下经由作者审核。如发现任何问题，请随时联系我们。