智能反射面輔助的未來無線通信：現狀與展望

朱政宇,王梓晅,徐金雷,王忠勇,王寧,郝萬明,*

1.鄭州大學 信息工程學院,鄭州 450001

2.鄭州大學 河南先進技術研究院,鄭州 450001

3.寧夏大學 寧夏光伏材料重點實驗室,銀川 750021

伴隨5G 商用的加速部署,6G 的研究也逐漸展開,6G 網絡相比5G 將會加速經濟和社會的數字化。6G 無線通信旨在提出更高的性能指標和引入新的應用場景,例如全球無縫覆蓋、更高的頻譜/能量效率、智能化水平以及安全性等。隨著物聯網(Internet of Things,Io T)技術的快速發展,虛擬現實、增強現實、遠程醫療、智慧家居等各種新型智能業務的逐漸普及,無線網絡對數據傳輸速率的要求也隨之不斷提高,無線通信技術面臨著為更大數量的Io T 設備提供通信服務的挑戰。傳統通信中,系統的收發模塊是一種相互對稱的架構,具有獨立射頻鏈路,包含功率放大器和振蕩器等高能耗元器件,用于產生和接收射頻信號。未來6G 網絡設備大規模的接入必然帶來功耗急劇增加的問題,如何實現高速率低功耗數據傳輸將成為未來網絡發展的關鍵。

近年來,為應對通信系統中節點模塊功耗嚴重的問題,提出利用環境和射頻信號的功率進行連接和計算的反向散射通信(Backscatter Communication,Back Com)技術。Back Com 自提出以來就受到學術界和工業界的廣泛關注。其工作的基本原理是通過反射入射的射頻信號進行通信,信息發送節點根據需要發送的信號匹配接收天線和阻抗,反射入射的射頻信號,信息接收節點通過檢測反射信號解調信息。Back Com 不需要產生載波信號和數模轉換,具有功耗低、成本低等特點。然而,BackCom 技術雖然在一定程度上提高了頻譜效率和能量效率,但是主被動通信傳輸沒有進行相互協作,主動信號(即射頻源信號)可能會對被動信號(即反射信號)造成干擾,導致被動信號接收節點需要復雜的干擾消除技術才能完成信號接收和解調。

另一方面,在人工智能理論、新興材料和集成天線相關技術的驅動下,未來的無線網絡可采用具有低功耗、低復雜度、低成本特點的智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)技術來應對這一挑戰。IRS技術被認為是6G 通信系統的前景技術之一。IRS本質上是一種超材料,通過軟件或硬件等來控制平面上大量低成本、亞波長結構和獨立可控的無源電磁反射元件集成的智能表面。其主要功能是根據信號傳播反饋的通信鏈路信息,通過軟件編程的方式對入射信號的反射相位和幅度進行控制,其本質上是對電容、電阻、電感的調整,從而智能調配無線環境,為系統提供新的空間自由度,達到增強無線鏈路性能的目的,并為實現智能和可編程的無線環境鋪平了道路。根據信道參數使反射信號與其他路徑的信號構造性地相加,可增強接收端期望信號功率、提高通信質量、增強容量和擴大覆蓋范圍,獲得良好的主被動互惠傳輸效果。IRS調制與Back-Com 調制相似,傳統的BackCom 需要一個固定的載波發生器,而IRS不需要外加載波振源對信息進行調制,且IRS比BackCom 的調制方式更靈活,可以通過改變反射系數和反射模式對數據進行調制。此外,IRS僅反射信號而不造成發射功率的放大,不需要額外的資源(能源、頻譜等),功耗微小。

此外,針對新一代無線通信提出的大規模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術能在不增加帶寬的情況下,充分發揮基站空間自由度,顯著提升無線通信系統的容量和頻譜效率,利用基站大規模天線配置的分集或陣列增益,能夠提高基站和用戶之間的功率。然而,大規模MIMO 系統配置有大量的天線在硬件上實現困難,成本高昂。無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)中繼通信系統是以UAV作為移動中繼的通信系統,借助其高機動性,具有傳輸距離遠、部署方便、機動靈活、覆蓋范圍廣泛、系統架構迅速和經濟效益高等優點,UAV 實現高速無線通信將在未來的通信系統中發揮重要的作用。不同類型和數量的天線分布在航空設備有限的平臺空間上,對設備的飛行和隱身等性能造成很大的影響。

根據IRS的結構特點,可將其看成一個大規模無源天線陣列,其相較于傳統的無線通信設備具有更低的功耗、更高的效率和可靠性,而且無需在無源IRS之間進行復雜的干擾管理等特點,集成在航空設備上不僅可以提高傳輸容量還可以節省平臺空間,應用到未來的應急通信和軍事領域意義重大。文獻[14]提出了一種無人飛行器攜帶的IRS,用于激光路徑可控的自由空間光(FSO)通信系統,并研究了用于指示誤差損失的特定模型,考慮最佳的UAV 軌跡和IRS部署,提高了系統的遍歷容量。

IRS的具體結構、工作原理、功能特點和幾種典型的應用等基本情況會在第1節予以介紹。

當前,基于IRS輔助無線通信系統的研究處于剛起步階段,其核心是利用具有可重構反射特性的IRS覆蓋于地表、建筑物、無人機,甚至潛水器上,通過調節反射波束最大限度提高接收信號增益。基于IRS輔助無線通信系統結構、模型和技術的研究現狀將在第2節詳細地展開。圖1給出了一個IRS輔助的通信系統中信號傳播的場景,基站與用戶的直接鏈路被隔斷,基站的發射信號通過部署的IRS到達用戶端,用戶上傳的信號也通過IRS反射到達基站,通過基站波束成形和智能反射表面反射系數聯合優化提高性能。

圖1 IRS應用于無線通信例圖Fig.1 Example of IRS applied to wireless communication

另外,基于IRS輔助無線通信系統的應用還存在諸多挑戰,研究者主要在波束賦形參數設計、物理層安全、多用戶檢測以及毫米波通信等方向展開研究。為使IRS應用于實際通信系統中,未來研究將會集中于IRS材料的設計、IRS反射特性的算法開發、大空間大區域內IRS的布局等問題上,本文第3 節將會對上述問題進行分析總結。

1 IRS基本情況介紹

1.1 IRS分類和工作原理

IRS可以從“狹義”和“廣義”進行定義。“廣義”IRS指可以智能配置無線環境(或者可以實現類似功能)的反射表面或結構,如大型智能元(原子)表面(Large Intelligent Meta-surface,LIM)、大型智能表面(LIS)、智能反射單元組(陣列)、可重構智能表面、無源智能表面(Passive Intelligent Surface,PIS)等。本文主要針對“狹義”IRS進行討論,其主要指利用軟件等方法通過控制反射面上大量無源反射元的反射特性(改變入射信號的相位、頻率、幅值以及極化方向等)主動修改無線信道,為進一步提高無線鏈路的性能提供了新的自由度。基站發送的信號經IRS 反射后與其他路徑傳播的信號建設性的疊加或抵消,從而提高期望接收端的信噪比,或有效抑制同信道干擾等信號。其基本構造如圖2所示。

圖2 IRS的基本構造Fig.2 Basic structure of IRS

“狹義”IRS由一個3層面板和智能控制器組成。外層包括大量被印刷在介電基板上的金屬片(元結構),與入射信號直接相互作用；中間層使用銅板或者其他金屬避免信號能量泄漏；內層是一個控制電路板,負責調整每個元結構的反射振幅/相移,通過IRS的智能控制器控制。IRS通信技術僅改變接收信號相位,并不需要引入有源射頻組件,極大降低了系統功耗。表1給出了IRS的分類及對應參考文獻。

表1 IRS的分類及對應參考文獻Table 1 IRS classification and corresponding references

1)大型智能(元)表面(LIM)：強調表面是由元結構(如低成本的電磁材料)組成。

2)大型智能表面(LIS)：由大量天線陣列/元結構構成,可以看作是傳統多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系統的擴展。

3)智能反射單元組(陣列)：強調陣列是由小的反射單元所構成,具有智能匹配無線環境的特性。

4)可重構智能表面RIS：側重可智能配置入射信號的反射角。

5)無源智能表面PIS：側重低功耗的無源表面特性。IRS與LIM、智能反射單元組、RIS、PIS的性能和特性大體相同,而LIS類似傳統MIMO系統的擴展,可以完成放大、轉發、中繼傳輸等功能,但其功耗較大。

1.2 IRS基本特性及優勢

根據文獻[66],IRS基本特性總結如下：

1)智能表面由無源元件/結構構成,每一個元件僅具有反射功能(對輸入信號進行相移、調幅等功能),不能發射信號。

2)在超密集元件部署下IRS可以視為一個連續的表面,任何一點都可以接收和反射信號,可以通過軟件的控制來完成無線環境的智能配置。

3)幾乎不消耗功率,理想情況不需要任何能源；不受接收機噪聲影響,接收信號時不需要模數/數模轉換和功率放大器等器件,減少了噪聲的引入和放大。

4)提供全雙工傳輸。

5)理論上可以工作于任何頻率。

6)反射面的大小可以根據實際需求進行設計,易于鋪設在建筑物外墻、天花板、窗戶、車頂甚至服裝上。

7)IRS是無線通信網絡中的輔助設備,在現有通信系統中部署IRS時,無需做出標準化和硬件方面的改變,僅需匹配其通信協議即可。

如圖3所示,左側通信系統包含大量有源元件,而傳統有源元件成本高、耗能大。此外,半雙工通信導致頻譜效率低、全雙工通信易產生嚴重的自干擾現象。因此,系統還需要復雜的干擾管理機制。右側是一個IRS輔助的無線通信系統,除了一個有源基站外,采用大量無源IRSs,可大大降低成本和能耗,同時,在空間占用和通信質量等方面也有一定優勢,可被廣泛應用于未來5G/6G 無線網絡。

圖3 IRS對比有源中繼/小區/分布式天線系統Fig.3 IRS in comparison with active relay/cell/distributed antenna system

1.3 IRS幾種典型應用

無論是“廣義”IRS還是“狹義”IRS,其應用的場景包括各類無線傳輸系統,并在其中發揮增強信號、抑制干擾、功率補償等功能,以提升無線傳輸系統的性能。

在圖4中,用戶與其服務基站之間的直接鏈路被障礙物嚴重阻塞。在這種情況下,部署與基站和用戶有明確聯系的IRS有助于通過智能信號反射繞過障礙物,從而在它們之間創建虛擬可視鏈路,這對于擴展極易被阻斷的毫米波和太赫茲通信的覆蓋范圍提供了理論依據。

圖4 IRS用于增強死角用戶信號的示意圖Fig.4 Schematic diagram of IRS used to enhance dead zone user signal

在圖5中,針對小區邊緣用戶同時遭受其服務基站的強信號衰減和相鄰基站的嚴重同信道干擾的問題,通過將IRS 部署在小區邊緣,并適當地設計其反射波束成形,不僅有助于提高期望的信號功率,而且有助于抑制干擾,從而在其附近形成“信號熱點”和“無干擾區”。文獻[69]研究了攜帶IRS的無人機通信系統,對比傳統的放大轉發(Amplify-and-Forward,AF)中繼,提高小區邊緣用戶設備的服務質量。文獻[70]將IRS 應用于移動邊緣計算(Mobile Edge Computing,MEC)系統中,優化了系統卸載能力,有效地降低了計算延遲。

圖5 IRS用于提高小區邊緣通信質量的示意圖Fig.5 Schematic diagram of IRS used to improve communication quality of cell edge

圖6展示了一個IRS輔助的大規模設備到設備(Device-to-Device,D2D)通信系統,基于IRS的無源特性,可支持設備間的低功耗傳輸,提高數據傳輸速率同時降低設備間干擾。

圖6 IRS輔助的大規模D2D 通信系統Fig.6 IRS-assisted massive D2D communication system

圖7給出了IRS 輔助的物理層安全通信系統,當基站到竊聽用戶的鏈接距離小于合法用戶或合法用戶在相同方向上時,通信的可達傳輸速率受到極大限制。IRS可以通過智能調控方式反射基站信號,與其他路徑的信號進行建設性相加,從而提高合法用戶的接收信號,抑制竊聽鏈路的信號接收。

圖7 IRS輔助的物理層安全通信Fig.7 IRS-assisted physical layer secure communication

無人機制造技術的快速發展和成本的降低推動了無人機通信系統的廣泛研究。由于無人機的高靈活性和低成本部署,其輔助中繼通信系統可作為移動資源和遠程目標節點之間的飛行中繼提供通信鏈路,確保有效的流量加載,從而緩解系統性能瓶頸和過載的鏈路阻塞。基于UAV 的通信系統的性能仍然受到有限的服務持續時間和缺乏通信鏈路的服務器的限制。因此,迫切需要部署新技術來實現基于視聽的通信。圖8給出一個IRS輔助的無人機通信系統。它既能利用IRS 帶來的高波束成形增益,還能結合UAV 的高機動性。UAV 攜帶IRS部署在無線通信系統中,通過聯合優化主被動波束形成和UAV 軌跡,可以提高接收的功率性能,擴大覆蓋范圍。除了機載IRS的UAV 通信系統,文獻[82]研究了安置在建筑物表面的IRS在UAV 蜂窩通信系統的潛力,使用最新的3GPP 地對空信道模型,針對IRS的大小、高度和與基站之間的距離等因素,分析得出IRS能顯著提升UAV 的信號增益。

圖8 IRS輔助的無人機通信系統Fig.8 IRS-assisted massive UAV communication system

Io T 技術作為信息技術產業的重要組成部分。其建設和發展必然受到能源、成本、安全和隱私等問題的制約。在全球節能減排的大背景下,建設綠色Io T 是必然趨勢。在Io T 系統中,多個傳感器節點與無線接入點(Access Point,AP)連接構成無線傳感器網絡,這些傳感器通常是高能耗設備,需要足夠的能量支持信息傳輸。傳統上,通過將電池被嵌入到傳感器進行能量供應,但這限制了它們在實際中的潛在應用。因此,在與無線設備進行信息交互的同時,為無線設備提供能量的無線信息和功率傳輸同傳(Simultaneous Wireless Information and Power Transmission,SWIPT)技術得到廣泛研究,圖9給出一個IRS輔助的無線Io T網絡SWIPT系統,通過合理部署IRS提高多個IoT設備能量收集和數據傳輸能力。具體來說,IRS反射的無源波束成形補償基站發射信號到Io T 設備的遠距離導致的顯著功率損失,提高對IoT設備進行無線功率傳輸的效率。

圖9 IRS在Io T 網絡中的應用Fig.9 Application of IRS in Io T Network

在上述的具體應用中,IRS大多扮演了一個“沒有思想”的傳遞者的角色,協助基站等進行信息傳遞、能量/功率的補償,并且由于其良好的性能、較低的復雜度等優點,被廣泛地看好并應用于移動蜂窩網絡、Io T 等5G/6G 網絡的各種場景中。其中最核心的也是具有代表性的就是IRS用于輔助無線通信系統進行信息傳遞,第2節將對IRS輔助的無線通信系統進行詳細地介紹。

2 IRS輔助的無線通信系統

2.1 IRS在無線通信系統中的工作模式

IRS用于輔助無線通信系統進行信息傳遞是IRS最核心的應用,與傳統無線通信設備的工作模式有所不同。在IRS輔助的無線通信系統中,如圖10所示,IRS的工作主要是協助AP進行信道的估計并根據信道特性來優化反射波束和進行相位的調節以增強通信質量。根據文獻[82]可總結出一次完整的IRS輔助通信包括：

圖10 IRS在無線通信系統中的工作方式示意圖Fig.10 Schematic diagram of how IRS works in wireless communication systems

1)所有用戶同時發送正交導頻信號。

2)AP和IRS分別估計AP-user和IRS-user信道。

3)AP將其估計的信道特性通過AP-user鏈路發送至IRS控制器。

4)IRS 控制器優化反射波束并調節其相位。

5)AP、IRS共同開始傳輸數據給用戶。

2.2 IRS輔助無線通信系統的研究方向

目前,對IRS輔助的無線通信系統的研究可以分為系統容量/數據速率分析、系統功率/頻譜優化、系統信道估計、系統可靠性分析、安全通信、反射單元數量和位置部署等,本節將根據當前的一些研究工作對其展開介紹,并將相關的參考文獻總結在表2中。

表2 IRS部分研究方向及可參考文獻Table 2 Some IRS research directions and references

1)IRS輔助通信系統的系統容量/數據速率分析：IRS并行傳輸多個數據流(即空間復用)時,通常會實現單數據流傳輸,通過適當設計反射系數,可以最大限度地平衡多個并行數據流的通道,提升數據速率和系統容量。文獻[41]則通過聯合優化IRS相位矩陣和基站天線陣列最大程度地提高移動用戶接收到的信噪比。文獻[83]研究一個具有多天線發射機和接收機的IRS輔助點對點MIMO 通信系統,通過聯合優化IRS反射系數和最小傳輸協方差矩陣提高系統的容量限制。

2)IRS 輔助通信中的功率/頻譜優化：IRS通過反射基站發射的波束,從而提高接收端的功率,進一步提高頻譜和能效。文獻[38]通過設計最優的IRS相位矩陣和基站發射功率有效提高了系統能量效率。文獻[42]通過優化基站發射波束和IRS反射波束,在滿足用戶服務質量需求下最大限度降低了系統發射功率。文獻[23,41]研究了IRS 輔助通信系統中頻譜效率最大化問題。

3)IRS輔助通信的信道估計：隨著無線信道變得智能化和可重構,IRS顯示出滿足未來需求的巨大潛力。由于IRS無源特性,其不能通過發送和接收導頻信號估算信道狀態信息,文獻[42]研究了在非理想信道狀態信息下的IRS 輔助的多用戶通信系統,利用基站的大規模衰落統計的先驗知識,IRS在多個信道估計子相位上應用一組最優相移向量,推導出貝葉斯最小均方誤差(MMSE)信道估計,并基于最大-最小準則,提出了一種預編碼和功率分配聯合優化設計方案。文獻[24]采用了稀疏矩陣分解、模糊消除和矩陣補全3 個階段解決IRS 輔助的MIMO 系統信道估計。

4)IRS輔助的SWIPT：IRS的無源信號反射通常是無噪聲和全雙工的,因此具備接收和反射發射鏈路的波束成形天線陣列的功能。在文獻[40]提出在不需要發射任何射頻鏈的情況下,IRS使大孔徑上的智能信號反射能夠補償長距離上的高射頻信號衰減,從而在其附近創建有效的能量收集/充電區域,可以使IRS 輔助的無線SWIPT 系統加權和功率最大化。文獻[12,38,84,86]利用IRS 進行無線信息傳輸,但低成本IRS帶來的高波束成形增益也對無線能量傳輸具有吸引力。

5)IRS 輔助通信系統的可靠性分析：文獻[25]進行了基于上行鏈路扇區數的大天線陣列系統的嚴格漸近分析,考慮了在實際信道估計誤差和硬件損傷(如模擬不完善性、量化誤差和殘余耦合損耗)下執行的過采樣過程。仿真表明,在大規模MIMO 之外,IRS 可以提供與大規模MIMO相當的速率,此外,還具有改進的可靠性。IRS的中斷概率作為評估系統可靠性的一個重要性能指標,文獻[87]對一個IRS輔助的系統上行鏈路和速率分布進行了漸近分析,為考慮的IRS系統導出中斷概率,結果表明,IRS 可以提供可靠的通信。

6)IRS 實現安全通信：通過軟件控制,IRS可以智能地調控反射信號,一方面提高合法用戶期望信號的功率,另一方面干擾竊聽用戶的接收信號,以提高保密速率。文獻[45-48]中提出在無線通信系統中使用IRS,其反射信號可以被調諧以抵消來自竊聽器處基站(非IRS反射)的信號,從而有效地減少信息泄漏,同時提高合法接收者的數據速率。這樣可以改善2個速率之間的差異(前者減去后者),后者被定義為保密數據速率。文獻[49,85]通過在IRS背景下的通信系統的發射波束成形中引入人工噪聲(Artificial Noise,AN)干擾,AN 和IRS反射波束成形聯合發射波束成形,可以做到使系統的可實現的保密率最大化,這樣的方法可以進一步利用IRS實現安全通信或者極大地提升通信系統的安全性。文獻[50]提出了一種新型的安全IRS輔助的UAV 通信系統,通過聯合設計UAV 軌跡和功率控制以及IRS反射相移以最大化系統的保密速率。

7)IRS反射單元的數量對系統性能的影響：通信系統部署IRS將會為系統提供新的自由度和分集增益。此外,隨著IRS 反射單元數量的增加,系統所獲取空間自由度和分集增益將變大。文獻[48]表明：IRS 的數量會導致CPU 計算時間延長,如何權衡系統增益和計算時間尤為重要。文獻[52]在使用IRS的情況下,系統能量效率先增大后減小,原因在于當IRS單元數量相對較小時,系統信息速率增加,單元數量達到一定時,將帶來額外的能耗導致了系統傳輸速率下降。

8)IRS在通信系統中的位置部署：基于IRS的輕薄型材質,幾何形狀不規則,其部署具有較高的靈活性和兼容性。例如：IRS易于附著到建筑物的表面、室內墻壁、天花板、車頂及無人機等,也能輕易移除。根據IRS的衰落模型,文獻[26]研究了IRS輔助的多小區邊緣用戶下行鏈路傳輸,針對2個小區,發現當IRS 位于小區距離中點時,組合信道增益最小。然而,當IRS移動到這2個單元的邊界時,帶來性能增益的加倍。文獻[54]研究一個雙天線無線通信系統。在合理假設反射信道秩為1的情況下,提出部署2個協作IRS,得到的增益顯著優于部署單個IRS的情況。文獻[55]研究了隨機部署的多個IRS輔助的多用戶系統。提出了一種實用的關聯規則來分配用戶與其附近的IRS,并研究了關鍵系統參數對空間吞吐量的影響以及使空間吞吐量最大化的最優IRS部署策略。

2.3 IRS與現有的通信技術/系統結合

IRS輔助無線通信已成為近兩年來的熱門研究領域。因此,現有研究中已開始對IRS輔助的SISO、MISO、MIMO 系統進行分析,主要包括系統容量/數據速率分析、系統功率/頻譜優化、系統信道估計、系統可靠性分析、安全通信、反射單元數量和位置部署等,表3總結了當前IRS與現有通信技術結合研究現狀。

表3 IRS與現有通信技術結合研究現狀Table 3 Research status of combination of IRS and existing communication technology

1)MIMO：文獻[56]構建了一個IRS輔助的大規模MIMO 系統,提出一種基于零強迫波束設計方法避免了多用戶間的干擾,通過對比發現所構建系統可以獲得比傳統大規模MIMO 系統更高的傳輸速率。文獻[24]研究了LIM 輔助的MIMO 系統信道估計問題,提出一種基于稀疏矩陣分解和矩陣補全的兩級聯信道估計方法。

2)MISO：文獻[57]提出一種不完全級聯信道下的IRS輔助MISO 通信的魯棒傳輸設計框架,研究了IRS 輔助MISO 通信的結構設計問題。文獻[58-59]研究了IRS輔助MISO 系統的波束設計問題,分析系統數據傳輸速率和安全性。文獻[65]研究了IRS多用戶MISO 下行鏈路和速率最大化的問題,文獻[61]考慮了一個IRS輔助的UAV 窄帶下行鏈路時分多址無線通信系統,通過在考慮最小數據速率需求的同時優化資源位置和資源配置,最大限度地降低系統的平均總功耗。

3)SISO：SISO 系統較為簡單,當前研究主要集中于IRS輔助的MISO,MIMO 地面系統。然而,在航空通信領域,文獻[80]研究了IRS 在基于UAV 的正交頻分多址(OFDMA)通信系統中的應用,通過利用IRS的波束成形增益和UAV的高機動性來提高系統的總和速率。

另外,文獻[62]構建了IRS輔助的非正交多址接入(Non Orthogonal Multiple Access,NOMA)系統,并提出一種通過聯合優化基站發出的原始波束和通過IRSs相移之后的反射波束來最大限度地提升NOMA 用戶的最低速率的思路；還有與毫米波通信結合的有關研究,如文獻[68]中研究了一種點對點的IRS輔助的毫米波通信系統,利用IRS來彌補毫米波通信系統面對的高額傳輸損耗問題的缺點；以及基于壓縮感知和深度學習的有關內容來設計能夠從環境中學習并逐步改善其行為,可以更快速穩定地估計信道狀態信息、優化反射單元的相移IRS 系統等前沿技術。以上內容也可以參考文獻[27-28]。

3 總結和展望

本文闡述了IRS 的基本概念、發展歷程/方向以及關于IRS輔助無線通信系統研究方向等,本部分將總結IRS及IRS輔助通信系統并進行展望。

3.1 總 結

IRS是集成了大量無源反射元結構的表面,每個元結構可以由控制器控制從而對輸入信號進行不同方向上反射。IRS 作為無源全雙工元器件,不但能耗極低,而且全雙工模式時其頻譜效率較高,并且不存在自干擾,反射過程不進行信息干擾。由于IRS接受或者反射發送時不需要進行信息處理,提高了傳輸效率。與其他有源智能表面相比,具有成本低、功耗低、安裝靈活等優勢。

目前整個IRS以及IRS輔助無線通信系統的研究主要集中在系統模型的建立、可行性的分析推導、以及模型的性能分析等階段。但也有研究進行到實物測試階段的研究,如加州大學伯克利分校之前承擔了一個制造具有電磁活性和信息處理能力的墻紙項目,該項目可以認為是對IRS實現的一種嘗試；東南大學國家移動通信研究實驗室根據IRS的物理特性和電磁特性,建立了針對不同場景的RISs輔助無線通信的自由空間損耗模型,并通過在微波暗室中利用3個合成的IRSs 進行實驗測量,進一步驗證了理論結果；文獻[16]則詳細介紹了一種使用現場可編程門陣列(FPGA)實現功能切換的可編程表面,并進行了實際地制作和測量。

本文介紹和總結了IRS 和IRS 輔助無線通信系統的基本概念,分析了IRS 的典型應用和IRS輔助無線通信系統的研究方向和現狀,并詳細列舉了各個方向對應的可參閱文獻。

總體來說,IRS輔助的無線通信以其高性能、低功耗、高能效等特點成為下一代通信的關鍵技術。但如何應用于毫米波與太赫茲通信、大規模協作框架與無蜂窩通信等技術還需要長時間深入地研究和完善,仍有大量工作亟待完成。IRS作為未來無線網絡關鍵技術之一,其實際應用還有較長的路要走,其很多方向都值得深入地研究和探索。

3.2 前景展望

未來的5G/6G 無線網絡勢必會更智能、靈活、簡潔,對設備和系統的功耗、復雜度、成本等有更高的要求。而IRS 輔助的無線通信系統與傳統有源元件組成的通信網絡相比,在能量消耗、成本、空間占有等方面有明顯的優勢,在通信質量、用戶體驗等方面也會得到提高。目前針對IRS的研究還處于一個初始階段,將其真正應用到未來無線通信系統中,可能會面臨以下幾個挑戰：

1)IRS的硬件設計和標準化。當前大多數研究都將IRS的單元作用機制建模成獨立的理想移相器。事實上IRS 對電磁波的響應與電磁波的極化方向、入射角度、工作頻率等都有關系,且單元之間還存在著耦合關系。針對理想相移器模型去設計IRS,在實際應用中會導致性能損失。因此,需要對IRS進行實際的物理建模。

2)IRS低開銷、低復雜度的信道估計。目前IRS等效級聯信道估計方案開銷大,不適用于多天線終端。此外,由于IRS采用無源的超材料單元來降低成本,既不能發送也不能接收導頻信號,不具備基于感知能力的信道估計,因此,需要進一步考慮低復雜度和低開銷的信道估計及相應的導頻設計。

3)無線通信系統的信道模型大多基于遠場假設,隨著物聯網技術的發展,未來更多處于近場通信,需要對IRS進行更實際的路徑損耗測量和信道建模,引入近場模型分析IRS 系統的傳播特性。

4)在通信系統中,IRS需要結合無線控制和感知自主控制的優勢,探索其在未來通信網絡架構中的作用和組網方式,設計高效靈活的控制方案和協議,以充分發揮自身特點和優勢。

除了上述面臨的主要挑戰外,IRS還存在著以下幾個方面的問題有待進一步研究。

1)元結構本身的電磁活性(對入射信號相移等操作能力)的研究問題,尋找更合適的元結構材料。

2)IRS表面元結構的排列問題(即IRS結構設計問題),在何種排列方式下IRS 更接近于連續表面,在何種排列下通過軟件算法的控制可以最大程度提升對入射信號的反射效果(更好地配置無線環境)等問題都值得深入考慮。

3)控制IRS智能配置無線環境的算法設計問題(比如采用壓縮感知深度學習算法實現智能化等)。

4)對IRS輔助無線通信系統模型的進一步優化及性能分析(如系統容量、速率、頻譜優化等)。

5)IRS及IRS輔助無線通信系統的實際應用開發問題。

6)IRS 應用場景的擴展(指應用于不同地形、水下、高空等不同場景、地形下IRS及IRS輔助無線通信系統的性能及可行性分析)。

7)不同場景下IRS的布局問題(比如在大區域大空間內IRS如何布局,IRS的數量如何分配,位置如何選取；在小空間小區域內IRS位置部署等問題)亦值得深入地思考,這將直接影響系統性能。

8)IRS反射單元數量、面積、布設和間距的選取對系統性能的影響。針對不同的通信目的,合適反射單元設計將顯著提升系統的性能,否則將帶來額外的開銷,同時還會導致CPU 的計算時間變長。

9)在新興的UAV 無線通信系統中集成IRS,將進一步增強系統的靈活性,能更好地應用到災區、山區和戰場等極端通信場景中。然而,當前基于IRS輔助的UAV 通信系統的研究成果集中于二維平面,為了更好地適用到實際環境,有必要研究IRS-UAV 通信系統在三維空間中的機動性對系統增益的影響。此外,UAV 具有快速移動的特性,IRS輔助技術能否在高速下有效支持UAV 通信系統尚需進一步研究,與此同時,在高速移動環境中,通常會產生高度動態的網絡拓撲結構,這些拓撲結構通常是稀疏且間斷連接的。因此,在多無人機協調或無人機群進行通信時,需要設計可靠的網絡連接為系統提供保障以及考慮網絡連接的稀疏性和間斷性來設計新的通信協議。

10)假設在遠距離的航空通信中使用IRS,需要考慮對IRS面板進行特殊的設計,加裝有源器件,擴大通信范圍,分析和估計IRS 時變的信道環境,尤其是在飛機遇險和緊急通信情況下的信道以及IRS控制器的合理設計至關重要,以確保通信暢通。此外,考慮到IRS 的特性,能否替代天線全面應用到未來的航空航天通信,包括遙測遙控、衛星通信、雷達測控、導航和衛星數傳等領域都需要更多的研究和建模。