清華大學開發出基於 RIS 與 AI 的 6G 低耗電通訊系統

​​探索適用於 6G 的 Massive MIMO

​大規模多輸入多輸出 (MIMO) 是 5G 的最重要技術之一，它採用數百條天線來達到數 Gbps 的高資料傳輸率。若要將 6G 的資料傳輸率提升至 10 倍，則 Massive MIMO 正在演進至配備數千個天線或以上的 UM-MIMO。 ​

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​6G UM-MIMO 的主要挑戰之一，即為無法承受的高耗電量需求。現有的 UM-MIMO 系統通常採用相位陣列，其中需要許多收發儀模組與移相器，造成非常高的硬體耗電量。 此外，隨著天線數量與資料傳輸率的大幅增加，運算功率消耗也將大幅增加。 ​ 

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​建立低耗電通訊系統

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​為了因應此挑戰，我們透過聯合最佳化軟硬體，開發出基於可重新配置的智慧型表面 (RIS) 與人工智慧 (AI) 的 6G 低耗電通訊系統。 

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​在硬體方面，我們以低耗電的 RIS 取代高耗電的相位陣列，以降低硬體耗電量。不同於相位陣列使用分離的移相器與天線，RIS 整合了移相器與天線模組。它由數千種低功率次波長超材料所構成。大量實驗證明 RIS 可產生低耗電量的高增益光束。在我們開發的系統中，基地台採用包含 256 個元件的 RIS，以取代相位陣列。此外，還採用包含 2304 個元件的 RIS 做為繼電器，可在降低傳輸功率的情況下協助通訊作業。

^{​圖 1:RIS 繼電器端包含 2304 個元件}

​在軟體方面，我們開發了 AI 架構的傳輸設計，以降低運算耗電量。以單一神經網路架構的訊號處理模組，取代傳統的複雜訊號處理模組，包含調變、解調、通道編碼、解碼等。

​這些軟硬體解決方案已實作於 NI 的毫米波通訊平台，並有助於示範適用於 6G 的低耗電解決方案。

^{​圖 2:AI 架構通訊的 Constellation。}

​續階計畫

​未來，我們將著重於以超大規模天線陣列 (ELAA) 進行的低耗電通訊，其中應考慮近場傳播。具體來說，我們會設計並實作近場傳輸技術，以適用於超過 1000 組天線的 ELAA。

參考資料

M.Cui, Z. Wu, Y. Chen, S. Xu, F. Yang, and L. Dai, “Demo:Low-power communications based on RIS and AI for 6G,” in Proc.IEEE ICC 2022, May 2022.(IEEE ICC 2022 傑出示範獎)