智能反射面輔助的未來無線通信：現(xiàn)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(xué) 信息工程學(xué)院,鄭州 450001

2.鄭州大學(xué) 河南先進(jìn)技術(shù)研究院,鄭州 450001

3.寧夏大學(xué) 寧夏光伏材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)相比5G 將會(huì)加速經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的數(shù)字化。6G 無線通信旨在提出更高的性能指標(biāo)和引入新的應(yīng)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(lián)網(wǎng)(Internet of Things,Io T)技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧家居等各種新型智能業(yè)務(wù)的逐漸普及,無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也隨之不斷提高,無線通信技術(shù)面臨著為更大數(shù)量的Io T 設(shè)備提供通信服務(wù)的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)通信中,系統(tǒng)的收發(fā)模塊是一種相互對(duì)稱的架構(gòu),具有獨(dú)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(chǎn)生和接收射頻信號(hào)。未來6G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大規(guī)模的接入必然帶來功耗急劇增加的問題,如何實(shí)現(xiàn)高速率低功耗數(shù)據(jù)傳輸將成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵。

近年來,為應(yīng)對(duì)通信系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)模塊功耗嚴(yán)重的問題,提出利用環(huán)境和射頻信號(hào)的功率進(jìn)行連接和計(jì)算的反向散射通信(Backscatter Communication,Back Com)技術(shù)。Back Com 自提出以來就受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。其工作的基本原理是通過反射入射的射頻信號(hào)進(jìn)行通信,信息發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要發(fā)送的信號(hào)匹配接收天線和阻抗,反射入射的射頻信號(hào),信息接收節(jié)點(diǎn)通過檢測反射信號(hào)解調(diào)信息。Back Com 不需要產(chǎn)生載波信號(hào)和數(shù)模轉(zhuǎn)換,具有功耗低、成本低等特點(diǎn)。然而,BackCom 技術(shù)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(dòng)通信傳輸沒有進(jìn)行相互協(xié)作,主動(dòng)信號(hào)(即射頻源信號(hào))可能會(huì)對(duì)被動(dòng)信號(hào)(即反射信號(hào))造成干擾,導(dǎo)致被動(dòng)信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)需要復(fù)雜的干擾消除技術(shù)才能完成信號(hào)接收和解調(diào)。

另一方面,在人工智能理論、新興材料和集成天線相關(guān)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下,未來的無線網(wǎng)絡(luò)可采用具有低功耗、低復(fù)雜度、低成本特點(diǎn)的智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)技術(shù)來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。IRS技術(shù)被認(rèn)為是6G 通信系統(tǒng)的前景技術(shù)之一。IRS本質(zhì)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(jié)構(gòu)和獨(dú)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(jù)信號(hào)傳播反饋的通信鏈路信息,通過軟件編程的方式對(duì)入射信號(hào)的反射相位和幅度進(jìn)行控制,其本質(zhì)上是對(duì)電容、電阻、電感的調(diào)整,從而智能調(diào)配無線環(huán)境,為系統(tǒng)提供新的空間自由度,達(dá)到增強(qiáng)無線鏈路性能的目的,并為實(shí)現(xiàn)智能和可編程的無線環(huán)境鋪平了道路。根據(jù)信道參數(shù)使反射信號(hào)與其他路徑的信號(hào)構(gòu)造性地相加,可增強(qiáng)接收端期望信號(hào)功率、提高通信質(zhì)量、增強(qiáng)容量和擴(kuò)大覆蓋范圍,獲得良好的主被動(dòng)互惠傳輸效果。IRS調(diào)制與Back-Com 調(diào)制相似,傳統(tǒng)的BackCom 需要一個(gè)固定的載波發(fā)生器,而IRS不需要外加載波振源對(duì)信息進(jìn)行調(diào)制,且IRS比BackCom 的調(diào)制方式更靈活,可以通過改變反射系數(shù)和反射模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。此外,IRS僅反射信號(hào)而不造成發(fā)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(duì)新一代無線通信提出的大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術(shù)能在不增加帶寬的情況下,充分發(fā)揮基站空間自由度,顯著提升無線通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率,利用基站大規(guī)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(guī)模MIMO 系統(tǒng)配置有大量的天線在硬件上實(shí)現(xiàn)困難,成本高昂。無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)中繼通信系統(tǒng)是以UAV作為移動(dòng)中繼的通信系統(tǒng),借助其高機(jī)動(dòng)性,具有傳輸距離遠(yuǎn)、部署方便、機(jī)動(dòng)靈活、覆蓋范圍廣泛、系統(tǒng)架構(gòu)迅速和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),UAV 實(shí)現(xiàn)高速無線通信將在未來的通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。不同類型和數(shù)量的天線分布在航空設(shè)備有限的平臺(tái)空間上,對(duì)設(shè)備的飛行和隱身等性能造成很大的影響。

根據(jù)IRS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可將其看成一個(gè)大規(guī)模無源天線陣列,其相較于傳統(tǒng)的無線通信設(shè)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(jìn)行復(fù)雜的干擾管理等特點(diǎn),集成在航空設(shè)備上不僅可以提高傳輸容量還可以節(jié)省平臺(tái)空間,應(yīng)用到未來的應(yīng)急通信和軍事領(lǐng)域意義重大。文獻(xiàn)[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(tǒng),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(tǒng)的遍歷容量。

IRS的具體結(jié)構(gòu)、工作原理、功能特點(diǎn)和幾種典型的應(yīng)用等基本情況會(huì)在第1節(jié)予以介紹。

當(dāng)前,基于IRS輔助無線通信系統(tǒng)的研究處于剛起步階段,其核心是利用具有可重構(gòu)反射特性的IRS覆蓋于地表、建筑物、無人機(jī),甚至潛水器上,通過調(diào)節(jié)反射波束最大限度提高接收信號(hào)增益?；贗RS輔助無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模型和技術(shù)的研究現(xiàn)狀將在第2節(jié)詳細(xì)地展開。圖1給出了一個(gè)IRS輔助的通信系統(tǒng)中信號(hào)傳播的場景,基站與用戶的直接鏈路被隔斷,基站的發(fā)射信號(hào)通過部署的IRS到達(dá)用戶端,用戶上傳的信號(hào)也通過IRS反射到達(dá)基站,通過基站波束成形和智能反射表面反射系數(shù)聯(lián)合優(yōu)化提高性能。

圖1 IRS應(yīng)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(tǒng)的應(yīng)用還存在諸多挑戰(zhàn),研究者主要在波束賦形參數(shù)設(shè)計(jì)、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(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)中,未來研究將會(huì)集中于IRS材料的設(shè)計(jì)、IRS反射特性的算法開發(fā)、大空間大區(qū)域內(nèi)IRS的布局等問題上,本文第3 節(jié)將會(huì)對(duì)上述問題進(jìn)行分析總結(jié)。

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(jìn)行定義。“廣義”IRS指可以智能配置無線環(huán)境(或者可以實(shí)現(xiàn)類似功能)的反射表面或結(jié)構(gòu),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(gòu)智能表面、無源智能表面(Passive Intelligent Surface,PIS)等。本文主要針對(duì)“狹義”IRS進(jìn)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?nèi)肷湫盘?hào)的相位、頻率、幅值以及極化方向等)主動(dòng)修改無線信道,為進(jìn)一步提高無線鏈路的性能提供了新的自由度?；景l(fā)送的信號(hào)經(jīng)IRS 反射后與其他路徑傳播的信號(hào)建設(shè)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(hào)。其基本構(gòu)造如圖2所示。

圖2 IRS的基本構(gòu)造Fig.2 Basic structure of IRS

“狹義”IRS由一個(gè)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(jié)構(gòu)),與入射信號(hào)直接相互作用；中間層使用銅板或者其他金屬避免信號(hào)能量泄漏；內(nèi)層是一個(gè)控制電路板,負(fù)責(zé)調(diào)整每個(gè)元結(jié)構(gòu)的反射振幅/相移,通過IRS的智能控制器控制。IRS通信技術(shù)僅改變接收信號(hào)相位,并不需要引入有源射頻組件,極大降低了系統(tǒng)功耗。表1給出了IRS的分類及對(duì)應(yīng)參考文獻(xiàn)。

表1 IRS的分類及對(duì)應(yīng)參考文獻(xiàn)Table 1 IRS classification and corresponding references

1)大型智能(元)表面(LIM)：強(qiáng)調(diào)表面是由元結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)構(gòu)成,可以看作是傳統(tǒng)多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系統(tǒng)的擴(kuò)展。

3)智能反射單元組(陣列)：強(qiáng)調(diào)陣列是由小的反射單元所構(gòu)成,具有智能匹配無線環(huán)境的特性。

4)可重構(gòu)智能表面RIS：側(cè)重可智能配置入射信號(hào)的反射角。

5)無源智能表面PIS：側(cè)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(tǒng)MIMO系統(tǒng)的擴(kuò)展,可以完成放大、轉(zhuǎn)發(fā)、中繼傳輸?shù)裙δ?但其功耗較大。

1.2 IRS基本特性及優(yōu)勢

根據(jù)文獻(xiàn)[66],IRS基本特性總結(jié)如下：

1)智能表面由無源元件/結(jié)構(gòu)構(gòu)成,每一個(gè)元件僅具有反射功能(對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相移、調(diào)幅等功能),不能發(fā)射信號(hào)。

2)在超密集元件部署下IRS可以視為一個(gè)連續(xù)的表面,任何一點(diǎn)都可以接收和反射信號(hào),可以通過軟件的控制來完成無線環(huán)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(jī)噪聲影響,接收信號(hào)時(shí)不需要模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)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(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì),易于鋪設(shè)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(wǎng)絡(luò)中的輔助設(shè)備,在現(xiàn)有通信系統(tǒng)中部署IRS時(shí),無需做出標(biāo)準(zhǔn)化和硬件方面的改變,僅需匹配其通信協(xié)議即可。

如圖3所示,左側(cè)通信系統(tǒng)包含大量有源元件,而傳統(tǒng)有源元件成本高、耗能大。此外,半雙工通信導(dǎo)致頻譜效率低、全雙工通信易產(chǎn)生嚴(yán)重的自干擾現(xiàn)象。因此,系統(tǒng)還需要復(fù)雜的干擾管理機(jī)制。右側(cè)是一個(gè)IRS輔助的無線通信系統(tǒng),除了一個(gè)有源基站外,采用大量無源IRSs,可大大降低成本和能耗,同時(shí),在空間占用和通信質(zhì)量等方面也有一定優(yōu)勢,可被廣泛應(yīng)用于未來5G/6G 無線網(wǎng)絡(luò)。

圖3 IRS對(duì)比有源中繼/小區(qū)/分布式天線系統(tǒng)Fig.3 IRS in comparison with active relay/cell/distributed antenna system

1.3 IRS幾種典型應(yīng)用

無論是“廣義”IRS還是“狹義”IRS,其應(yīng)用的場景包括各類無線傳輸系統(tǒng),并在其中發(fā)揮增強(qiáng)信號(hào)、抑制干擾、功率補(bǔ)償?shù)裙δ?以提升無線傳輸系統(tǒng)的性能。

在圖4中,用戶與其服務(wù)基站之間的直接鏈路被障礙物嚴(yán)重阻塞。在這種情況下,部署與基站和用戶有明確聯(lián)系的IRS有助于通過智能信號(hào)反射繞過障礙物,從而在它們之間創(chuàng)建虛擬可視鏈路,這對(duì)于擴(kuò)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(jù)。

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

在圖5中,針對(duì)小區(qū)邊緣用戶同時(shí)遭受其服務(wù)基站的強(qiáng)信號(hào)衰減和相鄰基站的嚴(yán)重同信道干擾的問題,通過將IRS 部署在小區(qū)邊緣,并適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)其反射波束成形,不僅有助于提高期望的信號(hào)功率,而且有助于抑制干擾,從而在其附近形成“信號(hào)熱點(diǎn)”和“無干擾區(qū)”。文獻(xiàn)[69]研究了攜帶IRS的無人機(jī)通信系統(tǒng),對(duì)比傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward,AF)中繼,提高小區(qū)邊緣用戶設(shè)備的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[70]將IRS 應(yīng)用于移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing,MEC)系統(tǒng)中,優(yōu)化了系統(tǒng)卸載能力,有效地降低了計(jì)算延遲。

圖5 IRS用于提高小區(qū)邊緣通信質(zhì)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(gè)IRS輔助的大規(guī)模設(shè)備到設(shè)備(Device-to-Device,D2D)通信系統(tǒng),基于IRS的無源特性,可支持設(shè)備間的低功耗傳輸,提高數(shù)據(jù)傳輸速率同時(shí)降低設(shè)備間干擾。

圖6 IRS輔助的大規(guī)模D2D 通信系統(tǒng)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(tǒng),當(dāng)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(shí),通信的可達(dá)傳輸速率受到極大限制。IRS可以通過智能調(diào)控方式反射基站信號(hào),與其他路徑的信號(hào)進(jìn)行建設(shè)性相加,從而提高合法用戶的接收信號(hào),抑制竊聽鏈路的信號(hào)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(jī)制造技術(shù)的快速發(fā)展和成本的降低推動(dòng)了無人機(jī)通信系統(tǒng)的廣泛研究。由于無人機(jī)的高靈活性和低成本部署,其輔助中繼通信系統(tǒng)可作為移動(dòng)資源和遠(yuǎn)程目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(tǒng)性能瓶頸和過載的鏈路阻塞?；赨AV 的通信系統(tǒng)的性能仍然受到有限的服務(wù)持續(xù)時(shí)間和缺乏通信鏈路的服務(wù)器的限制。因此,迫切需要部署新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)基于視聽的通信。圖8給出一個(gè)IRS輔助的無人機(jī)通信系統(tǒng)。它既能利用IRS 帶來的高波束成形增益,還能結(jié)合UAV 的高機(jī)動(dòng)性。UAV 攜帶IRS部署在無線通信系統(tǒng)中,通過聯(lián)合優(yōu)化主被動(dòng)波束形成和UAV 軌跡,可以提高接收的功率性能,擴(kuò)大覆蓋范圍。除了機(jī)載IRS的UAV 通信系統(tǒng),文獻(xiàn)[82]研究了安置在建筑物表面的IRS在UAV 蜂窩通信系統(tǒng)的潛力,使用最新的3GPP 地對(duì)空信道模型,針對(duì)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(hào)增益。

圖8 IRS輔助的無人機(jī)通信系統(tǒng)Fig.8 IRS-assisted massive UAV communication system

Io T 技術(shù)作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。其建設(shè)和發(fā)展必然受到能源、成本、安全和隱私等問題的制約。在全球節(jié)能減排的大背景下,建設(shè)綠色I(xiàn)o T 是必然趨勢。在Io T 系統(tǒng)中,多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與無線接入點(diǎn)(Access Point,AP)連接構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),這些傳感器通常是高能耗設(shè)備,需要足夠的能量支持信息傳輸。傳統(tǒng)上,通過將電池被嵌入到傳感器進(jìn)行能量供應(yīng),但這限制了它們在實(shí)際中的潛在應(yīng)用。因此,在與無線設(shè)備進(jìn)行信息交互的同時(shí),為無線設(shè)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(shù)得到廣泛研究,圖9給出一個(gè)IRS輔助的無線Io T網(wǎng)絡(luò)SWIPT系統(tǒng),通過合理部署IRS提高多個(gè)IoT設(shè)備能量收集和數(shù)據(jù)傳輸能力。具體來說,IRS反射的無源波束成形補(bǔ)償基站發(fā)射信號(hào)到Io T 設(shè)備的遠(yuǎn)距離導(dǎo)致的顯著功率損失,提高對(duì)IoT設(shè)備進(jìn)行無線功率傳輸?shù)男省?/p>

圖9 IRS在Io T 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用Fig.9 Application of IRS in Io T Network

在上述的具體應(yīng)用中,IRS大多扮演了一個(gè)“沒有思想”的傳遞者的角色,協(xié)助基站等進(jìn)行信息傳遞、能量/功率的補(bǔ)償,并且由于其良好的性能、較低的復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地看好并應(yīng)用于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Io T 等5G/6G 網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)進(jìn)行信息傳遞,第2節(jié)將對(duì)IRS輔助的無線通信系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地介紹。

2 IRS輔助的無線通信系統(tǒng)

2.1 IRS在無線通信系統(tǒng)中的工作模式

IRS用于輔助無線通信系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞是IRS最核心的應(yīng)用,與傳統(tǒng)無線通信設(shè)備的工作模式有所不同。在IRS輔助的無線通信系統(tǒng)中,如圖10所示,IRS的工作主要是協(xié)助AP進(jìn)行信道的估計(jì)并根據(jù)信道特性來優(yōu)化反射波束和進(jìn)行相位的調(diào)節(jié)以增強(qiáng)通信質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)[82]可總結(jié)出一次完整的IRS輔助通信包括：

圖10 IRS在無線通信系統(tǒng)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(shí)發(fā)送正交導(dǎo)頻信號(hào)。

2)AP和IRS分別估計(jì)AP-user和IRS-user信道。

3)AP將其估計(jì)的信道特性通過AP-user鏈路發(fā)送至IRS控制器。

4)IRS 控制器優(yōu)化反射波束并調(diào)節(jié)其相位。

5)AP、IRS共同開始傳輸數(shù)據(jù)給用戶。

2.2 IRS輔助無線通信系統(tǒng)的研究方向

目前,對(duì)IRS輔助的無線通信系統(tǒng)的研究可以分為系統(tǒng)容量/數(shù)據(jù)速率分析、系統(tǒng)功率/頻譜優(yōu)化、系統(tǒng)信道估計(jì)、系統(tǒng)可靠性分析、安全通信、反射單元數(shù)量和位置部署等,本節(jié)將根據(jù)當(dāng)前的一些研究工作對(duì)其展開介紹,并將相關(guān)的參考文獻(xiàn)總結(jié)在表2中。

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

1)IRS輔助通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量/數(shù)據(jù)速率分析：IRS并行傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流(即空間復(fù)用)時(shí),通常會(huì)實(shí)現(xiàn)單數(shù)據(jù)流傳輸,通過適當(dāng)設(shè)計(jì)反射系數(shù),可以最大限度地平衡多個(gè)并行數(shù)據(jù)流的通道,提升數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量。文獻(xiàn)[41]則通過聯(lián)合優(yōu)化IRS相位矩陣和基站天線陣列最大程度地提高移動(dòng)用戶接收到的信噪比。文獻(xiàn)[83]研究一個(gè)具有多天線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的IRS輔助點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO 通信系統(tǒng),通過聯(lián)合優(yōu)化IRS反射系數(shù)和最小傳輸協(xié)方差矩陣提高系統(tǒng)的容量限制。

2)IRS 輔助通信中的功率/頻譜優(yōu)化：IRS通過反射基站發(fā)射的波束,從而提高接收端的功率,進(jìn)一步提高頻譜和能效。文獻(xiàn)[38]通過設(shè)計(jì)最優(yōu)的IRS相位矩陣和基站發(fā)射功率有效提高了系統(tǒng)能量效率。文獻(xiàn)[42]通過優(yōu)化基站發(fā)射波束和IRS反射波束,在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量需求下最大限度降低了系統(tǒng)發(fā)射功率。文獻(xiàn)[23,41]研究了IRS 輔助通信系統(tǒng)中頻譜效率最大化問題。

3)IRS輔助通信的信道估計(jì)：隨著無線信道變得智能化和可重構(gòu),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(fā)送和接收導(dǎo)頻信號(hào)估算信道狀態(tài)信息,文獻(xiàn)[42]研究了在非理想信道狀態(tài)信息下的IRS 輔助的多用戶通信系統(tǒng),利用基站的大規(guī)模衰落統(tǒng)計(jì)的先驗(yàn)知識(shí),IRS在多個(gè)信道估計(jì)子相位上應(yīng)用一組最優(yōu)相移向量,推導(dǎo)出貝葉斯最小均方誤差(MMSE)信道估計(jì),并基于最大-最小準(zhǔn)則,提出了一種預(yù)編碼和功率分配聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[24]采用了稀疏矩陣分解、模糊消除和矩陣補(bǔ)全3 個(gè)階段解決IRS 輔助的MIMO 系統(tǒng)信道估計(jì)。

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

5)IRS 輔助通信系統(tǒng)的可靠性分析：文獻(xiàn)[25]進(jìn)行了基于上行鏈路扇區(qū)數(shù)的大天線陣列系統(tǒng)的嚴(yán)格漸近分析,考慮了在實(shí)際信道估計(jì)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(zhí)行的過采樣過程。仿真表明,在大規(guī)模MIMO 之外,IRS 可以提供與大規(guī)模MIMO相當(dāng)?shù)乃俾?此外,還具有改進(jìn)的可靠性。IRS的中斷概率作為評(píng)估系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要性能指標(biāo),文獻(xiàn)[87]對(duì)一個(gè)IRS輔助的系統(tǒng)上行鏈路和速率分布進(jìn)行了漸近分析,為考慮的IRS系統(tǒng)導(dǎo)出中斷概率,結(jié)果表明,IRS 可以提供可靠的通信。

6)IRS 實(shí)現(xiàn)安全通信：通過軟件控制,IRS可以智能地調(diào)控反射信號(hào),一方面提高合法用戶期望信號(hào)的功率,另一方面干擾竊聽用戶的接收信號(hào),以提高保密速率。文獻(xiàn)[45-48]中提出在無線通信系統(tǒng)中使用IRS,其反射信號(hào)可以被調(diào)諧以抵消來自竊聽器處基站(非IRS反射)的信號(hào),從而有效地減少信息泄漏,同時(shí)提高合法接收者的數(shù)據(jù)速率。這樣可以改善2個(gè)速率之間的差異(前者減去后者),后者被定義為保密數(shù)據(jù)速率。文獻(xiàn)[49,85]通過在IRS背景下的通信系統(tǒng)的發(fā)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(lián)合發(fā)射波束成形,可以做到使系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)的保密率最大化,這樣的方法可以進(jìn)一步利用IRS實(shí)現(xiàn)安全通信或者極大地提升通信系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[50]提出了一種新型的安全I(xiàn)RS輔助的UAV 通信系統(tǒng),通過聯(lián)合設(shè)計(jì)UAV 軌跡和功率控制以及IRS反射相移以最大化系統(tǒng)的保密速率。

7)IRS反射單元的數(shù)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響：通信系統(tǒng)部署IRS將會(huì)為系統(tǒng)提供新的自由度和分集增益。此外,隨著IRS 反射單元數(shù)量的增加,系統(tǒng)所獲取空間自由度和分集增益將變大。文獻(xiàn)[48]表明：IRS 的數(shù)量會(huì)導(dǎo)致CPU 計(jì)算時(shí)間延長,如何權(quán)衡系統(tǒng)增益和計(jì)算時(shí)間尤為重要。文獻(xiàn)[52]在使用IRS的情況下,系統(tǒng)能量效率先增大后減小,原因在于當(dāng)IRS單元數(shù)量相對(duì)較小時(shí),系統(tǒng)信息速率增加,單元數(shù)量達(dá)到一定時(shí),將帶來額外的能耗導(dǎo)致了系統(tǒng)傳輸速率下降。

8)IRS在通信系統(tǒng)中的位置部署：基于IRS的輕薄型材質(zhì),幾何形狀不規(guī)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(nèi)墻壁、天花板、車頂及無人機(jī)等,也能輕易移除。根據(jù)IRS的衰落模型,文獻(xiàn)[26]研究了IRS輔助的多小區(qū)邊緣用戶下行鏈路傳輸,針對(duì)2個(gè)小區(qū),發(fā)現(xiàn)當(dāng)IRS 位于小區(qū)距離中點(diǎn)時(shí),組合信道增益最小。然而,當(dāng)IRS移動(dòng)到這2個(gè)單元的邊界時(shí),帶來性能增益的加倍。文獻(xiàn)[54]研究一個(gè)雙天線無線通信系統(tǒng)。在合理假設(shè)反射信道秩為1的情況下,提出部署2個(gè)協(xié)作IRS,得到的增益顯著優(yōu)于部署單個(gè)IRS的情況。文獻(xiàn)[55]研究了隨機(jī)部署的多個(gè)IRS輔助的多用戶系統(tǒng)。提出了一種實(shí)用的關(guān)聯(lián)規(guī)則來分配用戶與其附近的IRS,并研究了關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)對(duì)空間吞吐量的影響以及使空間吞吐量最大化的最優(yōu)IRS部署策略。

2.3 IRS與現(xiàn)有的通信技術(shù)/系統(tǒng)結(jié)合

IRS輔助無線通信已成為近兩年來的熱門研究領(lǐng)域。因此,現(xiàn)有研究中已開始對(duì)IRS輔助的SISO、MISO、MIMO 系統(tǒng)進(jìn)行分析,主要包括系統(tǒng)容量/數(shù)據(jù)速率分析、系統(tǒng)功率/頻譜優(yōu)化、系統(tǒng)信道估計(jì)、系統(tǒng)可靠性分析、安全通信、反射單元數(shù)量和位置部署等,表3總結(jié)了當(dāng)前IRS與現(xiàn)有通信技術(shù)結(jié)合研究現(xiàn)狀。

表3 IRS與現(xiàn)有通信技術(shù)結(jié)合研究現(xiàn)狀Table 3 Research status of combination of IRS and existing communication technology

1)MIMO：文獻(xiàn)[56]構(gòu)建了一個(gè)IRS輔助的大規(guī)模MIMO 系統(tǒng),提出一種基于零強(qiáng)迫波束設(shè)計(jì)方法避免了多用戶間的干擾,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)所構(gòu)建系統(tǒng)可以獲得比傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)更高的傳輸速率。文獻(xiàn)[24]研究了LIM 輔助的MIMO 系統(tǒng)信道估計(jì)問題,提出一種基于稀疏矩陣分解和矩陣補(bǔ)全的兩級(jí)聯(lián)信道估計(jì)方法。

2)MISO：文獻(xiàn)[57]提出一種不完全級(jí)聯(lián)信道下的IRS輔助MISO 通信的魯棒傳輸設(shè)計(jì)框架,研究了IRS 輔助MISO 通信的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。文獻(xiàn)[58-59]研究了IRS輔助MISO 系統(tǒng)的波束設(shè)計(jì)問題,分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率和安全性。文獻(xiàn)[65]研究了IRS多用戶MISO 下行鏈路和速率最大化的問題,文獻(xiàn)[61]考慮了一個(gè)IRS輔助的UAV 窄帶下行鏈路時(shí)分多址無線通信系統(tǒng),通過在考慮最小數(shù)據(jù)速率需求的同時(shí)優(yōu)化資源位置和資源配置,最大限度地降低系統(tǒng)的平均總功耗。

3)SISO：SISO 系統(tǒng)較為簡單,當(dāng)前研究主要集中于IRS輔助的MISO,MIMO 地面系統(tǒng)。然而,在航空通信領(lǐng)域,文獻(xiàn)[80]研究了IRS 在基于UAV 的正交頻分多址(OFDMA)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,通過利用IRS的波束成形增益和UAV的高機(jī)動(dòng)性來提高系統(tǒng)的總和速率。

另外,文獻(xiàn)[62]構(gòu)建了IRS輔助的非正交多址接入(Non Orthogonal Multiple Access,NOMA)系統(tǒng),并提出一種通過聯(lián)合優(yōu)化基站發(fā)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(jié)合的有關(guān)研究,如文獻(xiàn)[68]中研究了一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的IRS輔助的毫米波通信系統(tǒng),利用IRS來彌補(bǔ)毫米波通信系統(tǒng)面對(duì)的高額傳輸損耗問題的缺點(diǎn)；以及基于壓縮感知和深度學(xué)習(xí)的有關(guān)內(nèi)容來設(shè)計(jì)能夠從環(huán)境中學(xué)習(xí)并逐步改善其行為,可以更快速穩(wěn)定地估計(jì)信道狀態(tài)信息、優(yōu)化反射單元的相移IRS 系統(tǒng)等前沿技術(shù)。以上內(nèi)容也可以參考文獻(xiàn)[27-28]。

3 總結(jié)和展望

本文闡述了IRS 的基本概念、發(fā)展歷程/方向以及關(guān)于IRS輔助無線通信系統(tǒng)研究方向等,本部分將總結(jié)IRS及IRS輔助通信系統(tǒng)并進(jìn)行展望。

3.1 總 結(jié)

IRS是集成了大量無源反射元結(jié)構(gòu)的表面,每個(gè)元結(jié)構(gòu)可以由控制器控制從而對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(shí)其頻譜效率較高,并且不存在自干擾,反射過程不進(jìn)行信息干擾。由于IRS接受或者反射發(fā)送時(shí)不需要進(jìn)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(yōu)勢。

目前整個(gè)IRS以及IRS輔助無線通信系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)模型的建立、可行性的分析推導(dǎo)、以及模型的性能分析等階段。但也有研究進(jìn)行到實(shí)物測試階段的研究,如加州大學(xué)伯克利分校之前承擔(dān)了一個(gè)制造具有電磁活性和信息處理能力的墻紙項(xiàng)目,該項(xiàng)目可以認(rèn)為是對(duì)IRS實(shí)現(xiàn)的一種嘗試；東南大學(xué)國家移動(dòng)通信研究實(shí)驗(yàn)室根據(jù)IRS的物理特性和電磁特性,建立了針對(duì)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(gè)合成的IRSs 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量,進(jìn)一步驗(yàn)證了理論結(jié)果；文獻(xiàn)[16]則詳細(xì)介紹了一種使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)功能切換的可編程表面,并進(jìn)行了實(shí)際地制作和測量。

本文介紹和總結(jié)了IRS 和IRS 輔助無線通信系統(tǒng)的基本概念,分析了IRS 的典型應(yīng)用和IRS輔助無線通信系統(tǒng)的研究方向和現(xiàn)狀,并詳細(xì)列舉了各個(gè)方向?qū)?yīng)的可參閱文獻(xiàn)。

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(diǎn)成為下一代通信的關(guān)鍵技術(shù)。但如何應(yīng)用于毫米波與太赫茲通信、大規(guī)模協(xié)作框架與無蜂窩通信等技術(shù)還需要長時(shí)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(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一,其實(shí)際應(yīng)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(wǎng)絡(luò)勢必會(huì)更智能、靈活、簡潔,對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的功耗、復(fù)雜度、成本等有更高的要求。而IRS 輔助的無線通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)有源元件組成的通信網(wǎng)絡(luò)相比,在能量消耗、成本、空間占有等方面有明顯的優(yōu)勢,在通信質(zhì)量、用戶體驗(yàn)等方面也會(huì)得到提高。目前針對(duì)IRS的研究還處于一個(gè)初始階段,將其真正應(yīng)用到未來無線通信系統(tǒng)中,可能會(huì)面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn)：

1)IRS的硬件設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)前大多數(shù)研究都將IRS的單元作用機(jī)制建模成獨(dú)立的理想移相器。事實(shí)上IRS 對(duì)電磁波的響應(yīng)與電磁波的極化方向、入射角度、工作頻率等都有關(guān)系,且單元之間還存在著耦合關(guān)系。針對(duì)理想相移器模型去設(shè)計(jì)IRS,在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致性能損失。因此,需要對(duì)IRS進(jìn)行實(shí)際的物理建模。

2)IRS低開銷、低復(fù)雜度的信道估計(jì)。目前IRS等效級(jí)聯(lián)信道估計(jì)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(fā)送也不能接收導(dǎo)頻信號(hào),不具備基于感知能力的信道估計(jì),因此,需要進(jìn)一步考慮低復(fù)雜度和低開銷的信道估計(jì)及相應(yīng)的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)。

3)無線通信系統(tǒng)的信道模型大多基于遠(yuǎn)場假設(shè),隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,未來更多處于近場通信,需要對(duì)IRS進(jìn)行更實(shí)際的路徑損耗測量和信道建模,引入近場模型分析IRS 系統(tǒng)的傳播特性。

4)在通信系統(tǒng)中,IRS需要結(jié)合無線控制和感知自主控制的優(yōu)勢,探索其在未來通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的作用和組網(wǎng)方式,設(shè)計(jì)高效靈活的控制方案和協(xié)議,以充分發(fā)揮自身特點(diǎn)和優(yōu)勢。

除了上述面臨的主要挑戰(zhàn)外,IRS還存在著以下幾個(gè)方面的問題有待進(jìn)一步研究。

1)元結(jié)構(gòu)本身的電磁活性(對(duì)入射信號(hào)相移等操作能力)的研究問題,尋找更合適的元結(jié)構(gòu)材料。

2)IRS表面元結(jié)構(gòu)的排列問題(即IRS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題),在何種排列方式下IRS 更接近于連續(xù)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(duì)入射信號(hào)的反射效果(更好地配置無線環(huán)境)等問題都值得深入考慮。

3)控制IRS智能配置無線環(huán)境的算法設(shè)計(jì)問題(比如采用壓縮感知深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)智能化等)。

4)對(duì)IRS輔助無線通信系統(tǒng)模型的進(jìn)一步優(yōu)化及性能分析(如系統(tǒng)容量、速率、頻譜優(yōu)化等)。

5)IRS及IRS輔助無線通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)問題。

6)IRS 應(yīng)用場景的擴(kuò)展(指應(yīng)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(tǒng)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(qū)域大空間內(nèi)IRS如何布局,IRS的數(shù)量如何分配,位置如何選取；在小空間小區(qū)域內(nèi)IRS位置部署等問題)亦值得深入地思考,這將直接影響系統(tǒng)性能。

8)IRS反射單元數(shù)量、面積、布設(shè)和間距的選取對(duì)系統(tǒng)性能的影響。針對(duì)不同的通信目的,合適反射單元設(shè)計(jì)將顯著提升系統(tǒng)的性能,否則將帶來額外的開銷,同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致CPU 的計(jì)算時(shí)間變長。

9)在新興的UAV 無線通信系統(tǒng)中集成IRS,將進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性,能更好地應(yīng)用到災(zāi)區(qū)、山區(qū)和戰(zhàn)場等極端通信場景中。然而,當(dāng)前基于IRS輔助的UAV 通信系統(tǒng)的研究成果集中于二維平面,為了更好地適用到實(shí)際環(huán)境,有必要研究IRS-UAV 通信系統(tǒng)在三維空間中的機(jī)動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)增益的影響。此外,UAV 具有快速移動(dòng)的特性,IRS輔助技術(shù)能否在高速下有效支持UAV 通信系統(tǒng)尚需進(jìn)一步研究,與此同時(shí),在高速移動(dòng)環(huán)境中,通常會(huì)產(chǎn)生高度動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是稀疏且間斷連接的。因此,在多無人機(jī)協(xié)調(diào)或無人機(jī)群進(jìn)行通信時(shí),需要設(shè)計(jì)可靠的網(wǎng)絡(luò)連接為系統(tǒng)提供保障以及考慮網(wǎng)絡(luò)連接的稀疏性和間斷性來設(shè)計(jì)新的通信協(xié)議。

10)假設(shè)在遠(yuǎn)距離的航空通信中使用IRS,需要考慮對(duì)IRS面板進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì),加裝有源器件,擴(kuò)大通信范圍,分析和估計(jì)IRS 時(shí)變的信道環(huán)境,尤其是在飛機(jī)遇險(xiǎn)和緊急通信情況下的信道以及IRS控制器的合理設(shè)計(jì)至關(guān)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(yīng)用到未來的航空航天通信,包括遙測遙控、衛(wèi)星通信、雷達(dá)測控、導(dǎo)航和衛(wèi)星數(shù)傳等領(lǐng)域都需要更多的研究和建模。