智能反射表面無線通信的信道估計與幀結構設計

李 然，武 剛，李 巖

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731)

0 引言

隨著近年來無線設備、服務和應用程序數量的快速增長，人們對高速無線通信的相應需求也迅速增長。第五代移動通信(5th Generation，5G)網絡已經可以實現1 000倍網絡容量的增加和1 000億設備的實時連接，這些功能的實現離不開超密集網絡(Ultra-Dense Network，UDN)、大規模多輸入多輸出(massive MIMO)和毫米波通信(mmWave)等關鍵技術的支持[1]。但這些新技術實現所需的高復雜度、硬件成本和較大能耗的關鍵問題仍尚未解決。因此，為將來的無線通信開發更靈活的硬件體系結構具有重要意義。下一代無線網絡的研究需要尋找低成本，高頻譜和能源效率的解決方案[2]。利用超材料制造的智能反射表面由于其無源低功耗特性備受關注。

現有的研究可以分為硬件工作和算法設計兩方面，其中有關硬件的工作證明了智能反射表面能夠真正地實際應用在現實場景中，已經有工作利用現行系統的信號實現了智能反射表面的功能。算法設計則是利用數學的方法分析系統模型，以優化參數來使系統性能達到最理想的效果，包括信道估計、幀結構設計以及波束賦形參數優化等方面的工作。

現有的工作對智能反射表面整個大方向做出了較大的貢獻，但是對于較高移動性場景和不同場景下協議切換的分析還較為欠缺。在用戶移動性較強的場景下，信道會隨著用戶的移動發生較快的變化，如果沒有適當的幀結構設計來進行信道估計，整個系統的性能就會出現下降，造成誤碼率上升或接收信噪比降低的情況。所以需要設計一種針對較強移動性場景下的幀結構和通信協議，以滿足這些場景下的通信需要。

1 智能反射表面介紹

1.1 智能反射表面概念

超表面是由電磁材料制成的人造表面，能夠定制入射的電磁波的傳輸，存在兩種不同的實現方式，可以由間距為波長一半的廉價天線陣列制成，也可以使用尺寸和間距遠小于波長的超材料元素構成。

智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)和可重構智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)是一種可以重新配置的超表面。智能反射面幾乎是無源的，但是需要一些能量來控制信號，在進行適當配置之后，不需要專用電源來進行信號傳輸。

H.X. Xu早在2013年在文獻[3]中使用超材料設計了一種結合超表面和強空間填充元諧振器的緊湊型圓極化天線，改善了天線性能并減小尺寸。C. Liaskos團隊2018年在文獻[4]中提出了一種新型無線通信結構，其中使用了軟件控制的超表面。這種平面超材料可以有效改變電磁波的傳輸方式，包括傳輸方向、極化方式和完全吸收。該文最后得出，超表面可以有效減少傳播的損耗和多徑衰落效應。這項工作給出了超表面的無限發展潛力。

E.Basar與M. Di Renzo在文獻[5]中提出了使用智能反射表面進行無線通信的概念，包括兩種通信情景：其中一種為使用RIS進行反射含有信息的信號，在接收機處實現信噪比增強；另一種為反射單音信號，在RIS處進行調制，用以簡化通信系統射頻鏈。Q. Wu和R. Zhang在文獻[6]中提出了多種使用智能反射表面的場景，包括改善通信盲點、增強物理層安全、校區邊緣干擾抑制、大規模設備與設備通信和大規模無線傳能。

1.2 智能無線環境

將智能反射表面部署到實際的通信環境中，就可以得到智能無線環境的概念。

M. Di Renzo團隊2019年在文獻[7]中第一次提出了智能無線環境的概念，整個概念基于可重構超表面。該文從主動改變無線傳輸環境的觀念出發，跳出了接收機被動適應信道的傳統角度，提出了基于可重構超表面通信系統的理論模型，并且列舉了多個使用智能反射表面的實際場景。

I. F. Akyildiz在文獻[8]中將智能無線環境分為5個具有不同功能的層，從上到下分別為電磁行為層、傳感驅動層、屏蔽層、計算層和通信層。電磁行為層由超表面組成，通過控制阻抗控制電磁波傳播的方向。傳感驅動層由相移調控電路和入射信號傳感器組成，屏蔽層則隔離上下半部以最小化干擾，計算層用于控制相移和處理入射信號，最后通信層連接所有上層，負責轉發和接收信號。

與在無線網絡中廣泛部署的具有多個天線的現有中繼相比，智能通信環境具有以下優勢：

① 可控天線陣列覆蓋了智能表面，具有更高的空間多樣性；

② 計算和通信層位于下層，減少了處理的時間；

③ 當入射信號來自不同方向，智能表面能夠將其反射到所需方向，網絡路由具有更高的靈活性。

1.3 應用場景

綜上所述，智能反射表面與其共同構建的智能無線環境能夠增強通信，而且能夠減少功耗。在無線通信系統中的應用可以分為以下幾種[9]。

(1) 非常規反射/傳輸

配置RIS是為了將入射的無線電波反射或折射到特定方向，而這些方向不一定遵守反射和折射定律。該應用的優點是RIS的操作設置與衰落信道和接收器的位置無關。這種應用的局限性是通常不會使信噪比最大化，也無法實現系統容量的最大化。

(2) 波束賦形/信號聚焦

配置RIS是為了將入射的電磁波聚焦到指定位置。這種應用場景的優點是在希望增強的位置使信噪比最大化。但是，RIS的優化取決于衰落的信道和接收器的位置，這是這種情況下的挑戰；而且通常無法實現系統容量的最大化，只能對固定的一個點進行定向增強。

(3) 聯合發射機/RIS編碼

配置RIS是為了優化系統容量，這種應用場景利用了超表面的特定狀態來調制其他數據。挑戰在于，通常需要共同優化發射機和RIS的參數，系統容量最大化。此外，RIS的相位設置取決于衰落信道和接收機的位置。

(4) 單RF多流發射機設計

在這種應用場景下，發射機只會發射單音信號，與上一種應用類似，該發射機是位于RIS附近的簡單RF饋線。饋線向RIS發射未經調制的載波，該載波反映了多個數據調制的信號。該方法適用于通過使用有限數量的RF鏈來實現多流發射機。

智能反射表面及其相關的智能無線環境，將會成為未來6G架構的發展趨勢之一[10]。例如IRS覆蓋的墻壁、道路甚至整個建筑物，這些無線通信的應用將會在未來推動6G架構的發展。現在有關智能反射表面的研究工作如雨后春筍般出現，這些工作覆蓋硬件設計到算法設計，極大地推動了這個方向的研究進展。

2 智能反射表面研究現狀

2.1 硬件設計與實現

目前真正使用硬件進行測試的工作較少，在以上提到的4種應用場景中，真正使用硬件實現的只有第2種波束賦形/信號聚焦和第4種單RF多流發射機設計。

東南大學的W. Tang做了基于可編程超表面無射頻鏈的硬件實現工作[11-12]，使用智能反射表面可以大幅簡化發射機的結構，但是與傳統通信系統始終存在性能差距。在以上工作的基礎上，作者在文獻[13]中總結提出了利用可編程超表面進行通信主要的兩個部件，無射頻鏈發射機和空間下變頻接收機，并在文獻[14]中分析得到了基于智能反射表面通信系統的路徑損耗建模。清華大學戴老師團隊在文獻[15]中給出了超表面天線的硬件設計方法，并且使用了可重構智能表面來進行信號的增強，并搭建出了完整的實際通信鏈路。各項工作使用的參數如表1所示。

表1 硬件工作的比較Tab.1 Comparison of hardware works

其他的兩種場景中，第1種場景非常規反射，由于可能不會實現信噪比最大化和系統容量最大化，沒有太大的實際應用意義，第3種場景中由于RIS相位設置取決于衰落信道和接收機位置，所以需要較為完備的信道估計，目前還處于理論研究階段，所以還沒有實際的硬件應用。

這些硬件相關工作較為全面地展示了智能反射面的實際應用，也展現了智能反射表面的廣闊應用前景。這些工作做出的貢獻非常巨大，具有開創性，但是大多數的工作沒有與線性的通信架構相結合。清華大學戴老師團隊使用現有的LTE進行了實驗，邁出了智能反射表面向實際應用融合的第一步。但是有關信道估計和無縫融入現行體系的協議還沒有被實際討論，如何將RIS應用到實際生活中，也是今后的研究方向。

現有的硬件工作已經證明了智能反射表面能夠實際提升系統性能并簡化發射機結構，但是并沒有設計算法去優化包括發射功率和反射相位等參數，缺少了這些算法優化的過程，IRS就很難實際應用到現有場景中，所以算法設計就起到了舉足輕重的作用。

2.2 算法研究和設計

算法設計主要研究的內容是通過幀結構設計和相位優化算法等來提升整個IRS輔助無線通信系統的有效性和可靠性，主要的性能指標包括誤碼率、頻譜效率和能量消耗等參數。

E.Basar 在文獻[5]中利用矩生成函數分析了基于RIS通信系統的誤碼率公式，分析結果包括不同調制方式。該文得出結論，使用RIS能夠增強整個系統的誤碼率性能，隨著智能反射表面中元素數目的增加，誤碼率的性能將會增加。但在較大信噪比的情況下，誤碼率的下降趨勢將會放緩。大部分設計誤碼率分析的工作均以該文為基礎。

使用波束賦形的場景為第二種，智能反射表面將反射到的信號聚焦到一個特定的方向。這個大方向研究的內容基本上是最優化的分析。文獻[9]、文獻[16-20]分別對含有智能反射表面的無線通信系統進行了波束賦形的聯合優化，分別采用不同的指標。工作的具體實現如表2所示。

表2 波束賦形工作的對比Tab.2 Comparison of beamforming works

文獻[20]對有源和無源波束賦形做出聯合優化的同時，還列出了其研究的智能反射表面輔助系統與現有技術的對比，如表3所示。

表3 智能反射表面與現有技術的對比Tab.3 Comparison of RIS and existing technology

在進一步分析前，需要確定RIS創造的額外鏈路是否能夠真正增強系統的性能。W. Zhao在文獻[21]中推導了背向散射通道在復合通道中占主導地位的概率，最后得到結論，在設計合理的反射器數量下，背向散射鏈路的通道增益可能始終比直視路徑的通道增益要強。

無論是第2種場景還是第3種場景，都需要信道信息才能進行。由于現有的波束賦形場景下的工作均是假設能獲得完美的信道信息，從而無法用于實際的場景中，所以需要分析非完美信道信息對RIS輔助無線通信系統的影響。

L. You在文獻[22]分析了非完美信道信息情況下MIMO系統上行鏈路傳輸的性能。B. Zheng和R. Zhang團隊在文獻[23]中提出了一種實用的傳輸協議，以克服CSI的獲取非常困難的問題。該文設計了IRS上的一種全新的反射模式來進行信道估計，并且提出了一種有效的算法來獲得高質量的次優解決方案。

2.3 其他應用場景的研究

以上提到的硬件和算法研究的工作目標均為提升系統的性能或簡化系統的復雜度，除此之外，IRS也可以應用到多種其他的場景中，例如提升系統安全和室內定位等方面。

(1) 智能反射表面，是矛還是盾

許多工作都提到了有關智能反射表面的安全問題[6,8]，J. Chen和Y. Liang團隊在文獻[24]提出了智能反射表面輔助無線通信系統的物理層的安全問題。該文介紹了智能反射面可為物理層安全性提供可編程的無線環境；L. Du在文獻[25]中提到了可調節智能表面可以通過調整其反射器元素的相移來增強所需信號并抑制不想要的信號；B. Lyu在文獻[26]提出了使用智能反射面作為攻擊者的設想，智能反射面本身作為綠色干擾器來攻擊合法通信，而無需使用任何內部能量來生成干擾信號。這些工作分別從攻防的角度提供了智能反射表面的應用情況。

(2) 基于智能反射表面的定位

智能反射表面同樣可以用于定位工作。T. Ma在文獻[27]中借助超寬帶(UWB)技術將RIS的使用擴展到室內定位，量化了開發的定位方案的Cramér-Rao下界。理論分析和仿真結果均表明，RIS具有標記通道并替換傳統主動定位錨的能力，因此有可能通過單個接入點實現精確定位。此外，還描繪了當接收天線的數量受到限制時，由于UWB信號的多徑分辨率較高，使得基于到達時間的定位比基于到達角度的定位具有更高的精度的情況。

2.4 現有研究的局限性

現有的工作從硬件和算法等方向出發，做出了很多貢獻，證明了智能反射表面確實能夠提升系統的性能，提高系統的有效性。另外現有的算法研究工作同樣研究了在非完美信道信息條件下的通信協議，為IRS利用到實際場景中打下基礎。但是大部分的工作還停留在多普勒頻移較小且為單徑瑞利衰落情況下的分析與仿真，并沒有考慮到信道變化帶來的通信協議的改變，沒有在更上層考慮IRS輔助無線通信系統的具體設計。

如果IRS輔助無線通信的對象是一個區域內的所有低功耗設備，則這種場景下只需要測量信道然后固定參數就可以滿足需求。但是如果服務的對象是區域內的行人，則行人的移動性會對系統的性能產生一定的影響，可能會導致IRS提升效果降低甚至消失，在例如車聯網等更高移動性的場景下，對于信道變化的協議切換就顯得更為重要，這種情況下往往需要更快地進行信道估計，但是添加太多的導頻則會導致開銷增大，從而使頻譜效率降低。所以設計幀結構來同時滿足信道估計和頻譜效率的需求就尤為重要，因此在用戶移動性較高的情況下，通信協議和導頻設計方面還需要更多的研究。下面本文將會給出較強用戶移動性場景下的信道模型分析、幀結構設計和仿真結果。

3 用戶強移動性場景下信道估計與幀結構設計

3.1 智能反射表面輔助通信系統的模型

圖1給出了RIS輔助的無線通信系統的通用物理模型。

圖1 IRS輔助的無線通信系統模型Fig.1 IRS-assisted wireless communication system model

系統中的端點部分可以分為發射機、接收機和可調節智能反射面3個部分。可調節智能反射面作為系統中的核心，其功能為反射來自于發射機發射的信號，并且對入射信號進行相位調整，使得接收機出接收到的信號功率最大化。設每個IRS中包含N行M列的MU，每個單位的索引設為Un,m。每個單位均具有相互獨立的反射系數Γn,m，其具體形式如下：

Γn,m=A·ejφn,m，

(1)

所以信號通過系統之后接收機可以接收到的信號如式(2)所示：

(2)

對式中提到的接收信號做統一的簡化，將所有路徑的信號合成一個公式，如式(3)所示：

(3)

可以得到接收信噪比為式(4)：

(4)

為了得到最大化的接收功率信噪比，需要對信道進行估計，并確定每一徑信道的時延和增益大小，根據信道信息改變智能反射面的反射相位，使接收信噪比在有限的范圍內實現最大化。信噪比提升，則誤碼率性能就可以提升，從而改善通信環境。現在已有的工作已經對移動性較低的情景進行了探究和仿真，但是在較大多普勒頻移情況下，信道變化較快，如果采用現有的協議，系統的性能可能會有較大的降低。

3.2 智能反射表面輔助通信系統的信道估計幀結構

針對較大多普勒頻移情況，可以對如圖2所示的原幀結構進行修改，提出的新導頻結構如圖3所示。

圖2 使用信道估計的IRS系統的通用幀結構Fig.2 General frame structure of IRS system using channel estimation

圖3 在數據傳輸階段插入額外導頻幀結構Fig.3 Frame structure of additional pilot during data transmission

這兩種導頻幀結構設計方式主要有兩個不同點：① 完整導頻結構每次需要調整IRS的相位來匹配系統傳輸的主路徑，而新增額外導頻的方式并不需要再次調整IRS的相位；② 完整導頻結構總是需要在其之后加上一個處理和反饋時延，而新增的額外導頻方式并不需要這個環節。利用新提出的幀結構，我們做了基于OFDM系統的仿真,性能對比如圖4和圖5所示。

(a)誤碼率性能

從圖4可以看出在最大多普勒頻移不是特別大的情況下，不同新增導頻數目不會對系統的誤碼率產生較大影響，而繼續增加導頻數目只會導致頻譜效率性能的下降，所以在較小多普勒頻移情況下，新增導頻的結構只會增加系統的開銷，性能并不會得到很大的提升。

繼續增大最大多普勒頻移，結果則如圖5所示，如果新增導頻數目過少，整個系統的誤碼率會非常不理想，從而導致頻譜效率的下降。隨著新增導頻數目的上升，信道估計的準確性上升，誤碼率隨之下降，綜合來看，系統的頻譜效率有了顯著的上升。如果繼續增加導頻，雖然誤碼率性能能夠得到提升，但會導致開銷更大，誤碼率性能的提升無法抵消開銷所帶來的頻譜消耗，頻譜效率會下降。

3.3 仿真結論和協議切換分析

根據上述分析，本文提出的針對于較強移動性場景下的幀結構對系統性能有提升的效果。如果要進行幀結構的切換，可以進行閾值設置，例如以誤碼率或接收信噪比為標準，當誤碼率高于某一閾值，則切換另一種幀結構來應對信道的變化，也可以根據信道的情況來確定添加導頻的不同數目。

可以根據用戶的移動性統計數據預先得到信道的變化情況，基于服務質量的要求，例如誤碼率、接收功率及可達速率等，在數據傳輸的階段進行導頻插入，使系統的性能最大化。如果要避免更多的額外開銷，可以對一個區域進行預先測量，決定是否需要完全估計信道來改變IRS的相位。如果只需要在傳輸時間之內插入單個導頻就可以滿足要求，則無需進行額外的IRS相位調整。

不同場景下可能需要不同的協議來進行信道估計。如果用戶的移動性很強，信道變化很快，完全重新估計信道并調整IRS相位的頻率就會上升，每次估計后數據傳輸的時間就會減少；如果用戶的移動性不是很強，則信道變化緩慢，數據傳輸時間就可以延長。當某一項指標如誤碼率不符合要求時，可能插入單個導頻重新估計信道就可以滿足要求。

在這種插單個導頻無法滿足要求的情況下，必須重新進行完全信道估計來重新調整IRS的反射相位，所以需要根據系統的要求設置一個閾值。當系統性能在插入單個導頻情況下無法滿足設置的閾值，則必須進行完全信道估計，這個過程也需要用戶和基站進行反饋交互。大致流程為：用戶首先與基站同步，基站給予用戶信道估計的指示，用戶根據基站指示發送導頻信號，基站接收到后進行處理，將子載波功率分配方案反饋給用戶，將相位調整方案反饋給IRS控制器。隨后用戶和基站進行數據通信，如果發現接收功率小于閾值，則首先插入單個導頻進行信道估計，如果滿足閾值要求，則繼續進行數據傳輸，否則重新進行IRS導頻估計。

綜上所述，在不同的場景下需要進行協議的切換，以滿足不同的服務質量要求，而IRS作為提升系統性能的關鍵，也需要參與到這個過程中去。現有的工作對于這方面的討論還較少，而IRS如何無縫銜接到當前的協議體系中也是亟需解決的問題。

4 結束語

本文首先介紹了智能反射表面的原理和發展概況，并且總結了現有利用IRS的硬件實現和算法設計工作。通過分析得出現有工作還沒有討論在用戶較高移動性場景下的系統性能，但是這些方面在實際應用中是非常重要的。根據現在已有的系統模型，對較高移動性情況下的系統性能進行了分析和模擬仿真，最后證明給出的幀結構設計能夠提升系統在大多普勒頻移條件下的可靠性和有效性。將來的工作可以注重于如何根據不同的場景進行協議切換，以滿足不同服務質量情況的要求。