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清華大學開發基於 RIS 與 AI 的 6G 低耗電通訊系統

清華大學電子工程系副教授許申衡

清華大學電子工程系教授、IEEE 院士楊範

清華大學電子工程系副教授、IEEE 院士戴凌龍

MIMO Testbed 實驗室設定

「一智慧型表面 (RIS) 與人工智慧 (AI) 為基礎耗電通訊系統,即可解決 6G UM-MIMO 所面對無法承受耗電難題。」

清華大學電子工程系副教授、IEEE 院士凌龍

挑戰:

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超大規模 MIMO (UM-MIMO)。

解決方案:

為了因應此挑戰,我們透過聯合優化軟硬體,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。

​​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。 ​

​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。 ​ 

​建立耗電通訊系統

​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。 

​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。

 

RIS 繼電器端包含 2304 個元件

 

​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。

 

AI 架構通訊的 Constellation 使用者介面

 

​圖 2:AI 架構通訊的 Constellation。

 

​續計畫

​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)

RIS 繼電器端包含 2304 個元件
圖 1. RIS 繼電器端包含 2304 個元件