Otonom Araçların Haberleşebilmesi için Yeni Bir Yöntem Geliştirdik: Yeniden Programlanabilir Akıllı Yüzeyler!

Otonom aracınızın sizinle veya çevresiyle nasıl daha iyi haberleşebileceğini düşünmek için henüz çok mu erken? Bizim için bu sorunun cevabı "Hayır!" - ki bu konu üzerine aylarca kafa patlattık! Böylece, 5G ötesi haberleşme ve çevresiyle tamamen iletişim halinde olan otonom araçlar hayatımıza girdiğinde, artık verecek bazı cevaplarımız var!

Bu çalışmamızda araçların çevresiyle iletişimini (V2X Communications) daha sağlıklı bir şekilde sağlamak için gerçek zamanlı kontrol edilebilen ve yeniden programlanabilir akıllı yüzeylerin (İng: "Repogrammable Intelligent Surfaces" veya kısaca "RIS") kullanımını öneriyoruz.^[1]

Gelecek Nesil Haberleşme Sistemleri Neler Olacak?

Birbirine tamamen bağlı otonom araçlar vizyonunu gerçekleştirmek için sağlanacak haberleşme sisteminin çok yüksek kapasitede ve çok düşük gecikmeyle bilgi aktarması gerekmektedir. Araçların seyir hızları düşünüldüğünde en ufak bir gecikme veya paket kaybı ciddi trafik kazalarına sebep olabilir.

Bu gereksinimler karşılamak için yeni nesil haberleşme teknolojileri (5G ve ötesi) her an geliştirilmeye devam ediyor; fakat, her ilerleme yayında aşılması gereken yeni bir engel getiriyor: 5G ve ötesi haberleşmede daha hızlı ve yüksek bant genişlikli veri aktarımı için kullanılacak frekanslarda elektromanyetik dalgalar daha çok yol kaybına uğruyor ve daha kısa mesafelere ulaşabiliyor. Tam da bu yüzden yeniden programlanabilir akıllı yüzeyler, gelecek nesil haberleşme için bir önem teşkil ediyor ve günümüzde araştırmacılar tarafından çokça araştırılan bir konu durumunda.

Yeniden Programlanabilir Akıllı Yüzey Nedir?

Yeniden programlanabilir akıllı yüzeyler tıpkı bir LED ekran gibi birden çok pikselden oluşup bu piksellerin her biri ise metamalzeme adı verilen, farklı koşullar altında farklı özellikler gösterebilen malzemelerden meydana gelmektedir. Yüzeyler bu pikseller sayesinde üzerlerine gelen elektromanyetik dalgaları istenilen yönde yansıtma veya tamamen soğurma gibi özellikler gösterebilmektedir. Bu davranış ise kablosuz haberleşme için tamamen yeni bir alan açıp haberleşme ortamının programlanabilmesini sağlıyor. Bu yüzeyler sayesinde yeni baz istasyonları kurmadan elektromanyetik dalgaları yönlendirerek çok daha verimli bir haberleşme sağlanması bekleniyor.

Asıl soru ise bu yüzeylerin nasıl en efektif şekilde kullanılabileceği. Bunu anlamak için, öncelikle bu yüzeylerin elektromanyetik davranışlarını anlamamız ve formüle etmemiz gerekti. Sonrasında ise formülasyonlarımızı literatürdeki bilgilerle eşleyerek, yüzeylerin iki farklı çalışma modunu açıkladık: Bu modlardan biri hüzme yönlendirme modu ve diğeri ise odaklama modu olarak adlandırılmakta.

Bu iki mod arasındaki ana fark, hüzme yönlendirme modunda gelen hüzmelerin eğrilikleri korunarak sadece yönleri değiştirilirken, odaklama modunda tüm hüzmelerin tek bir noktaya odaklanabilmesidir. Tüm hüzmeleri tek bir noktaya (bu çalışma bağlamında bir araca) odaklamak maksimum sonucu verse de bu, aracın konumunun sürekli ve hassas takibini gerektirdiği için diğer moda göre işlemsel olarak çok daha karmaşık olabileceğinden, çalışmamızda iki mod için de hesaplamalara yer verdik.

IEEE Transactions on Vehicular Technology

Tüm elektromanyetik davranışlar formüle edildikten sonra, elimizdeki belirli sayıdaki ve boyuttaki yüzeyleri bir otoyol üzerinde nasıl konumlandırırsak en iyi performansa ulaşacağımızı araştırdık. Bunun için de yüzey boyutu ve çalışma modlarını dahil ettiğimiz bir optimizasyon problemi kurduk. Bu problemi analitik olarak basitleştirip çözdükten sonra, istenilen sayıda yüzeyin bir otoyola nasıl konumlandırılacağını hesaplayan bir algoritma oluşturduk.

Sonuçlar

Elde ettiğimiz sonuca göre her bir yüzey, dağınık yansıtıcı özelliğinden dolayı, alıcı veya vericiye en yakın olduğu zaman en yüksek iletim performansına sahip olabiliyor. Yüzeylerin hareket halindeki araçlara göre konumunun sabit olamayacağı düşünüldüğünde, optimum sonucun baz istasyonlarına, algoritma ile elde edilen, en yakın mesafelerde yerleştirilmesi sayesinde alındığını gösterdik. Bu sonuçları, aşağıdaki figürde yüzeyleri rastgele veya eşit aralıklarla yerleştirme durumundaki sonuçlarla birlikte verdik. Böylelikle doğru yüzey konumlandırmasının alınan sinyal gücünü ~25 dB artırabildiğini gözler önüne sermiş olduk.

IEEE Transactions on Vehicular Technology

Bir sonraki aşama olarak yüzey boyutlarının araçlar tarafından alınan sinyal gücünü nasıl etkilediğini araştırdık. Aşağıdaki figürde, en solda, herhangi bir yüzey kullanılmadığı durumdaki alınan gücü, ortada ise iki adet optimal şekilde konumlandırılmış yüzeyin değişen boyutunun etkisini görüyoruz. Görüldüğü üzere, boyutun artması, bir süre sonra sinyal gücünü değiştirmiyor. Sağdaki figürde bir önceki senaryonun odaklama modundaki durumunu görüyoruz. Burada artan yüzey boyutunun alınan sinyal gücünü sürekli artırdığını görebiliriz.

IEEE Transactions on Vehicular Technology

Bu durum, daha önce de söz ettiğimiz tüm hüzmelerin tek bir noktaya odaklanabilmesi yeteneğinden kaynaklanıyor: Büyüyen yüzeyler daha fazla elektromanyetik dalgaya maruz kaldığı için daha fazla gücü bir noktaya toplayabiliyor. Hüzme yönlendirme durumda her ne kadar alan büyüse de hüzme eğriliği korunduğu için bir aşamadan sonra toplanan gücün belirli bir kısmı araca ulaşana kadar yol kaybına uğruyor.

Son Söz

Bu çalışmada elde ettiğimiz bilgiler ışığında, yeniden programlanabilir akıllı yüzeyleri böyle bir senaryoda kullanıp haberleşme kalitesini iyileştirmek mümkün olabilir. En iyi performans ise yüzeyler odaklama modundayken algoritma tarafından verilen optimum konumlara yerleştirildiğinde elde edilir.