论文速览 | MobiCom 2024 | AUTOMS：Automated Service for mmWave Coverage Optimization using Low-cost Metas
会议速览 | MobiCom 2024 | AUTOMS：基于低成本超表面实现毫米波信号最优覆盖的新方法
1 引言
在当今5G和未来6G网络体系中，毫米波（mmWave）通信技术因拥有宽广频段和高数据传输速率的优势，在高速无线通信领域占据重要地位。然而由于其传播距离受限且容易受到障碍物干扰的特点限制了其在大规模应用中的普及程度
现有的网络覆盖策略通常采用部署多个接入点（AP）或运用大型相控阵天线的技术。由于高昂的成本投入以及对专业技能的需求，并非所有人都能轻松完成这一任务。这与在一个复杂场景中布置射频放大器所需付出的努力类似
为了有效解决这一问题, 研究人员开发了一种创新性的解决方案: AUTOMS（AUTOmated服务用于毫米波覆盖优化, 基于低成本元表面） . 这是一个基于主动服务的设计框架, 通过系统性规划并部署低成本被动超表面来实现毫米波网络的关键性能优化. 想像一下, AUTOMS就像在一个复杂的系统中部署了多个智能反射装置, 这些装置可以根据实时需求自动调节其反射角度, 从而能够将信号有效地投射至原本难以直接覆盖的区域. 这一方案显著提升了覆盖范围以及信号传输质量.
2 动机
开发AUTOMS的主要动机源于当前毫米波覆盖优化面临的几个关键挑战：
现有解决方案在设计和部署过程中需要依赖大量的无线信号传播专业知识。手动配置不仅容易出现错误，并且通常会导致系统性能不佳。这就好比每个用户都需要成为专业的无线通信工程师来操作系统设置，在实际操作中显然是不切实际的。
自动化优化的挑战：自动化优化过程依赖于可靠的无线信道模型，在复杂的电磁环境条件下需要具备较高的精准度。现有仿真工具在运行效率方面存在不足，并且在处理复杂超表面时表现欠佳。因此，在设计高效且精确的一般型动态系统时面临诸多技术难题。
成本效益 衡量标准表明：若基于超表面的方法不具备显著的成本优势，则难以吸引相关方的兴趣。目前采用的策略未能显示出较之多AP方案更显著的经济效率。为此必须开发一种既经济又高效的被动式超表面架构。
AUTOMS如同一位在无线通信领域深具造诣的专家，在无需用户专业知识的情况下自动生成并布置这些'智能镜子'（超表面）。它运用了创新的低成本设计与制造技术这一独特优势，并通过这种方法使得整个系统的建设成本显著低于传统方案所预期的成本水平
3 方法
AUTOMS的核心方法包含三个关键组件：
3.1 自动化优化框架
AUTOMS采用了一个联合优化框架 ，同时优化以下几个方面：
- 超表面的相位配置
- 超表面的放置位置
- 接入点（AP）的波束形成码本
这个框架可以直观地理解为一个"智能设计师"。它不仅决定了每面"镜子"(超表面)的位置，并且详细规划了每个"镜子"上的每一个像素(超表面单元)的具体调整方案。此外,AP的信号发射方式也经过精心设计,这些设计共同确保了最佳的覆盖效果。
优化过程采用了模拟退火算法来优化超结构（例如其组成要素如超表面数量、尺寸以及位置），并在每一次迭代过程中采用梯度下降方法来优化超表面和AP的相位设置。目标函数是最大化总体通信容量，并且可以用数学表达式表示为：
\max_{W_s, W_t} \sum_{i=1}^{N} \log_2(1 + \frac{P_i(W_s, W_t)}{\sigma^2})
其中，在公式中，
W_s
和
W_t
分别代表超表面结构与阵列处理（AP）的相位配置，
P_i
则对应于第i个接收位置处的接收信号功率水平，
\sigma^2
则对应于噪声功率水平。
3.2 快速信道模拟器
为了实现大规模优化的目标,AUTOMS设计了一个快速3D射线追踪模拟器 。该系统通过结合软件与硬件加速技术,能够进行大规模的信道响应矩阵运算,从而显著提升了处理效率。这个模拟器就像一台高性能超级计算机,在短时间内能够处理多达16亿条无线传播路径,从而能够轻松应对不同规模的超表面计算任务
模拟器的核心是利用射线追踪的方法进行信道建模。
对于各条传输路径而言，
其响应可被描述为：
h = \frac{\lambda}{4\pi d} e^{-j2\pi d/\lambda}
在其中\lambda代表载波波长，在d表示路径长度的情况下，在存在反射的情况下的路径中还需考虑其反射系数以及相位变化。
3.3 低成本超表面设计
AUTOMS设计了一种被动超表面 ，具有以下关键特性：
- 高反射性能 （≥90%）
- 在接近2\pi相位范围内具备良好的控制能力
- 宽频段支持 （>8 GHz）
- 在满足热压制造需求的同时具备成本效益
超表面的设计基于表面基底（如纸和PVC塑料）引导特意设计的相位延迟，并形成了相应的阻抗分压器作用。这使得不同金属图案产生显著的相移变化。通过采用具有单一分裂环结构的设计方案即可达到预期效果。同时该方法可被简单地描述为：通过热压印技术可在纸上轻松制造出低成本甚至接近免费的一类超表面。
超表面单元的等效电路模型可以表示为：
Z_{eq} = \frac{1}{Y_p + 1/Z_s} \approx \frac{1}{Y_p}
其中，Y_p表示金属图案部分的电导率；而Z_s则代表底面与金属反面板之间的阻抗。通过调节 Y_p 的值 ， 可以实现约2π弧度范围内的相位调节能力
4 实验和结果
AUTOMS的性能评估通过模拟和实际测试两种方式进行。
4.1 模拟结果
在5个模拟测试场景中进行评估后发现，在目标房间内实现了平均接收质量提升至21.6 dB以及相对基准条件下的接收质量增益达12.1 dB的结果表现。这一技术优势尤其体现在那些原本处于低接收质量环境下的区域，在经过AUTOMS处理后实现了显著的质量改善效果，在无法建立初始连接的关键位置也得以恢复通信连接的可能性。
4.2 实际测试结果
基于三个真实的室内场景（例如包括过道、相邻会议室以及邻近房间），AUTOMS系统在目标工作区实现了中值RSS性能损失仅为11 dB的结果）。相比于原始位置提升了约20 dB的信道质量优势（该数值反映了信道状态的理想化度）。这种信道质量改善直接导致了网络性能指标的重大优化（将中值吞吐量较之前明显提升了相应的网络性能指标）。具体而言，在目标区域实现了平均吞吐量从77 Mbps跃升至373 Mbps的显著增长
4.3 多信道支持
AUTOMS采用了创新性表面架构，在802.11ad协议定义的两个关键频段（分别为...）上均展现了卓越性能：平均RSS增益达到9.5 dB，在这一范围内实现了最大增益可达30 dB的理想效果。该系统充分展示了其在毫米波频段上的宽广带宽性能，并凭借高效率运行能力确保了稳定可靠的工作状态
4.4 对动态环境的鲁棒性
AUTOMS在面对环境变化时表现出色：
人员活动：通过将AP和覆盖表面布置在高于2米的高度,AUTOMS系统具备在人员活动时保持稳定高RSS的能力。
门的操作状态：在模拟环境中（SystemSim），该系统（AUTOMS）能够稳定地维持高RSS值无论门处于何种开启/关闭状态；其性能表现将受到显著影响。
基于这些结果可以看出,AUTOMS方案不仅能够在毫米波频段实现显著提升,并且还具备良好的扩展性特点;同时也能适应实际环境下各种动态变化的情况;从而为其稳定运行提供了强有力的支撑
5 不足和未来展望
虽然AUTOMS展现出了显著的性能表现，但仍存在一些缺陷以及可以进一步优化的空间：
尽管AUTOMS显著提升了优化效率，在处理大规模问题时计算时间可能仍显较长。未来研究者或许可进一步开发更为高效且并行化的优化算法以期显著减少计算负担。
环境建模的准确性 ：现有3D环境扫描技术和材料反射系数估计方法仍存在改进空间。可以探讨运用更先进的机器学习技术来优化环境建模。
虽然AUTOMS在应对人员移动和门开启这类动态变化时表现出色, 但其对更为复杂的环境转变(如家具移位及季节性导致植被改变等情况)的适应能力仍需进一步探究
多用户场景优化 ：现有的优化工作侧重于全局覆盖。未来值得探索的是更细致的多用户场景优化，在平衡全局覆盖的同时实现各类用户的个性化需求。
在与其他先进技术协同发展的框架下：该技术在与多种前沿无线技术协同发展中展现出巨大的潜力，并通过融合大规模MIMO技术和智能反射面等创新手段实现显著性能提升。
超表面技术的提升 ：尽管当前方案已实现了O(1)时间复杂度下的成本水平，在理论上仍存在优化空间以降低设计成本并提升性能参数。例如，在材料科学与制造技术上寻求突破可能会带来更高的反射效率和更为精准的相位调控。
能量效率 ：尽管AUTOMS采用了被动型超表面技术，在整体系统性能上仍有一定提升空间。具体而言，在保证网络覆盖质量的前提下减少AP端的发射功率是一个值得探索的方向。
安全性和隐私：由于毫米波通信技术的广泛应用, 信号传播方向性增强带来了新的安全与隐私方面的挑战.未来的研究可以通过利用AUTOMS特性来实现通信系统的安全性提升, 并确保用户的隐私得到保护.
跨场景适应性：目前的AUTOMS设计上主要针对的是室内环境这一单一领域进行了深度优化。未来有望拓展至更为多元化的应用场景集合，并深入研究这些复杂环境下系统的性能特性和优化策略。
用户反馈机制：采用实时收集用户反馈的系统流程，并通过实时收集用户的使用体验数据来动态优化服务流程；从而实现服务方案的高度个性化与智能化配置。
6 总结
该系统代表毫米波网络覆盖优化的重要进展。它通过融合自动化实现、高速信道建模以及经济型超表面架构等技术手段，在解决毫米波通信覆盖难题方面取得了创新性突破与实际应用效果的双重保障。
让我们回顾AUTOMS的主要贡献：
自动化服务架构：AUTOMS作为首个借助超表面辅助实现毫米波网络部署的自动化服务架构。该系统显著地简化了网络规划与部署流程，并且能够使具备一定技术基础的人士无需复杂操作即可高效完成毫米波信号覆盖工作。
高性能3D光线追踪模拟器：我们开发出一套高精度且快速的模拟系统来实现大规模的超表面信道建模。这一技术显著提升了优化效率，并为未来相关领域的研究提供了重要的技术支持。
创新性低成本超表面结构设计
在多种模拟场景和真实环境条件下显着性能的提升
该系统具备应对各种动态情况的能力，并且在面对人员移动、门的操作等场景时展现出了出色的表现。
AUTOMS展现了卓越性能，在应对当前毫米波通信的技术挑战的同时开创了新的网络部署模式——"表面即服务"（Surface as a Service） 。通过将硬件设计的复杂性转移到云服务中进行处理，并与其发展趋势相契合。它不仅提供了全新的思路来重新审视未来的网络部署问题，并且可能彻底革新我们对高频无线网络部署和管理的方式。
面向未来时代,AUTOMS有望成为毫米波通信大规模应用的重要技术基础。它不仅在现有场景中展现出广泛的应用潜力,还可能延伸至智能家居、车联网以及智慧城市等新兴领域。当5G及下一代网络体系逐步完善时,AUTOMS将在其中占据核心地位,成为实现高速无线连接无处不在的核心技术
AUTOMS被设计为专为毫米波通信领域提供卓越性能的完美反射器。
它不仅能够克服物理限制，并且实现了对那些传统上无法触及区域的有效通信。
而且根据环境变化自动优化性能。