Universität Tsinghua entwickelt stromsparende Kommunikation auf Basis von RIS und KI für 6G

​Untersuchen von Massive MIMO für 6G

​Massive Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) ist eine der wichtigsten Techniken, die bei 5G zum Einsatz kommen. Dabei werden Hunderte von Antennen verwendet, um eine hohe Datenrate von mehreren Gbit/s zu erreichen. Um eine 10-fache Steigerung der Datenrate zu erreichen, die für 6G erforderlich sein könnte, entwickelt sich Massive MIMO zu Ultra-Massive MIMO (UM-MIMO) mit Tausenden von Antennen oder noch mehr.

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​Eine der größten Herausforderungen für 6G UM-MIMO ist der unattraktiv hohe Stromverbrauch. Bestehende UM-MIMO-Systeme verwenden in der Regel Phased Arrays, die viele Transceivermodule und Phased Shifter erfordern, was zu einem sehr hohen Stromverbrauch der Hardware führt. Darüber hinaus steigt der Stromverbrauch bei einer signifikanten Erhöhung der Anzahl der Antennen und der erforderlichen Datenrate deutlich an. 

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​Erstellen eines stromsparenden Kommunikationssystems

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​Um diese Herausforderung zu meistern, entwickeln wir durch die gemeinsame Optimierung von Hardware und Software ein stromsparendes Kommunikationssystem, das auf rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen (RIS) und künstlicher Intelligenz (KI) für 6G basiert. 

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​Bei der Hardware ersetzen wir das stromfressende Phased Array durch ein stromsparendes RIS, um den Stromverbrauch der Hardware zu reduzieren. Im Gegensatz zu einem Phased Array, das getrennte Phasenschieber und Antennen verwendet, sind bei RIS die Phasenschieber und das Antennenmodul integriert. Es besteht aus Tausenden von stromsparenden Sub-Wellenlängen-Metamaterialien. Eine zureichende Zahl an Experimenten zeigt, dass RIS Strahlen mit hoher Verstärkung bei geringem Stromverbrauch erzeugen kann. In unserem entwickelten System wird ein RIS mit 256 Elementen an der Basisstation eingesetzt, um das Phased Array zu ersetzen. Außerdem wird ein RIS mit 2.304 Elementen als Relais eingesetzt, um die Kommunikation mit reduzierter Sendeleistung zu unterstützen.

^{Abbildung 1: RIS mit 2.304 Elementen auf der Relaisseite.}

​Für die Software haben wir ein KI-basiertes Übertragungsdesign entwickelt, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Ein einziges, auf einem neuronalen Netzwerk basierendes Signalverarbeitungsmodul ersetzt herkömmliche komplexe Signalverarbeitungsmodule, einschließlich Modulation, Demodulation, Kanalcodierung, Decodierung usw.

​Diese Hard- und Softwarelösungen wurden auf der mmWave-Kommunikationsplattform von NI implementiert, um die potenziellen energieeffizienten Lösungen für 6G zu demonstrieren.

^{Abbildung 2: Konstellation der KI-basierten Kommunikation.}

​Nächste Schritte

​In Zukunft werden wir uns auf die Kommunikation mit geringerer Leistung mit extrem großen Antennen-Arrays (ELAA) konzentrieren, bei der die Nahfeldausbreitung berücksichtigt werden sollte. Konkret werden wir Nahfeldübertragungstechniken für ELAA mit mehr als 1000 Antennen entwickeln und implementieren.​

Quellen

M. Cui, Z. Wu, Y. Chen, S. Xu, F. Yang, and L. Dai, „Demo: Stromsparende Kommunikation auf Basis von RIS und KI für 6G“, in Proc. IEEE ICC 2022, Mai 2022. (IEEE ICC 2022 Outstanding Demo Award)​