面向6G的智能反射面無線通信綜述*

齊峰，岳殿武,2**，孫玉

（1.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著5G 標(biāo)準(zhǔn)頒布，5G 網(wǎng)絡(luò)開始在全球商用?？梢灶A(yù)計(jì)，5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)將支撐未來十年信息社會(huì)的無線通信需求，成為有史以來最復(fù)雜、最龐大的通信網(wǎng)絡(luò)，并將在多方面深刻影響社會(huì)發(fā)展及人類生活[1-3]。盡管5G尚處于規(guī)模商用起步階段，相關(guān)技術(shù)特性還需要繼續(xù)增強(qiáng)完善，但是也有必要同步前瞻未來信息社會(huì)的通信需求，啟動(dòng)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（6G）技術(shù)的研究。就像從十年前看5G 技術(shù)一樣，未來6G 技術(shù)似乎也只是當(dāng)前5G 的延伸。但是，新的用戶需求、新的應(yīng)用場(chǎng)景以及新的網(wǎng)絡(luò)趨勢(shì)將會(huì)帶來更具挑戰(zhàn)性的通信工程問題，因此需要全新的通信模式，尤其是在物理層。6G 目標(biāo)是滿足十年后的信息社會(huì)需求，所以6G 愿景應(yīng)是現(xiàn)有5G 不能滿足而需要進(jìn)一步提升的需求[3-4]。

5G 的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)離不開大規(guī)模MIMO、毫米波通信與超密集網(wǎng)絡(luò)這三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的強(qiáng)力支持[1-2]。然而，這些技術(shù)面臨著兩個(gè)主要的實(shí)際限制：一是它們消耗大量的能量，這是實(shí)施中的一個(gè)關(guān)鍵問題；二是由于缺乏對(duì)無線傳播信道的控制，它們難以在惡劣的傳播環(huán)境中為用戶提供不間斷的連接和令人滿意的服務(wù)質(zhì)量。例如，為使網(wǎng)絡(luò)密集化，需要增密基站，從而造成網(wǎng)絡(luò)的總能耗線性增加。一個(gè)射頻鏈通常包括多個(gè)有源部件，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低噪聲放大器，因此當(dāng)大規(guī)模MIMO 天線陣列中的每個(gè)有源天線元件連接成一個(gè)射頻鏈時(shí)，系統(tǒng)的總成本和能量消耗非常高。此外，當(dāng)無線傳播環(huán)境表現(xiàn)出很差的散射性時(shí)，大規(guī)模MIMO 性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。雖然毫米波頻帶很寬，但毫米波信號(hào)傳播路徑損耗相當(dāng)大，且容易被物體阻擋。

上述兩個(gè)實(shí)際限制促使未來需要發(fā)展出既可控制傳播環(huán)境又可持續(xù)發(fā)展的綠色通信網(wǎng)絡(luò)，最近一種嶄新的技術(shù)引起了無線通信領(lǐng)域的普遍關(guān)注：智能反射面（IRS,Intelligent Reflecting Surface）。IRS 能夠突破這兩個(gè)實(shí)際限制，已被列入6G 潛在關(guān)鍵技術(shù)。

1 智能反射面介紹

IRS 也稱可重構(gòu)智能面（RIS,Reconfigurable Intelligent Surface）、大型智能面（LIS,Large Intelligent Surface）、軟件定義面（SDS,Software-Defined Surface）。根據(jù)研究領(lǐng)域和角度不同，IRS 還有其它多種多樣的稱號(hào)[5-10]。

IRS 是由很多個(gè)低成本、無源反射單元構(gòu)成的表面，其所用電磁材料可以是先進(jìn)的超材料[5]。IRS 既可以安放在建筑物表面上或街道路燈柱、廣告板上，也可以安放在室內(nèi)棚頂、墻壁上，甚至還可以靈活地安放在家具、衣物等上。其每個(gè)反射單元可以控制入射信號(hào)，可以改變的參數(shù)有相位、幅度、頻率，甚至極化方向。目前討論最多、最便于實(shí)踐的是改變相位[6]。如圖1 所示，即使在直線鏈路很不暢通的情況下，IRS 通過智能重構(gòu)傳播環(huán)境也可以形成良好的傳播途徑，從而顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

圖1 基于智能反射面的無線通信

IRS 通過控制傳播環(huán)境能夠擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提升無線網(wǎng)絡(luò)頻譜效率和能量效率。除了智能改善無線傳輸環(huán)境外，IRS 通信技術(shù)其它的一些突出優(yōu)點(diǎn)可歸納如下[7-9]：

（1）IRS器件可以很方便地部署在室內(nèi)、室外任何地方；

（2）IRS 只控制反射，耗能少、電磁污染小，符合未來綠色通信要求；

（3）IRS 可以提高定位精度，增強(qiáng)物理層安全，支持全雙工、全頻帶傳輸技術(shù)；

（4）IRS 低成本、易實(shí)現(xiàn)，便于應(yīng)用在各種無線網(wǎng)絡(luò)中，如物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等。

IRS 與快速發(fā)展中大規(guī)模MIMO 技術(shù)密切相關(guān)，特別是與傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)相結(jié)合，就可以形成一種富有發(fā)展前景的大規(guī)模MIMO 2.0[9,11]。另一方面，從信號(hào)處理和數(shù)學(xué)描述上看，IRS 輔助無線系統(tǒng)類似于協(xié)作中繼系統(tǒng)；但是從物理實(shí)現(xiàn)上看，兩者則有明顯區(qū)別，協(xié)作系統(tǒng)的中繼要配有源天線元件才能產(chǎn)生新的中繼信號(hào)[6,12]。

盡管當(dāng)今5G 無線通信可以具有動(dòng)態(tài)調(diào)整的能力，但其對(duì)應(yīng)的無線傳播環(huán)境是隨機(jī)的、不可控的，而IRS 技術(shù)則相反，可以智能控制無線傳輸環(huán)境?；贗RS 的智能無線通信是一項(xiàng)革新的技術(shù)，由于該技術(shù)具有從根本上改變當(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方式的潛力，所以會(huì)在未來6G 通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮特別重要的作用[9-11]。鑒于此，國(guó)內(nèi)外很多高校、研究機(jī)構(gòu)紛紛開展了IRS 研究。2021 年初國(guó)家自然科學(xué)基金委信息科學(xué)部還將“智能反射面輔助的移動(dòng)通信理論與技術(shù)”研究列入重點(diǎn)項(xiàng)目立項(xiàng)領(lǐng)域，下面將詳細(xì)介紹IRS 研究進(jìn)展情況。

2 智能反射面研究進(jìn)展

2.1 國(guó)內(nèi)外研究概述

IRS 技術(shù)屬通信技術(shù)、電子技術(shù)、智能科學(xué)、物理學(xué)以及材料科學(xué)的交叉研究領(lǐng)域。IRS 是由超材料構(gòu)成的超表面，對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的IRS 應(yīng)用，超表面的可重構(gòu)特性是基本的要求，以便根據(jù)無線環(huán)境的變化來調(diào)整自身[5]。關(guān)于IRS 實(shí)現(xiàn)材料方面的具體進(jìn)展，文獻(xiàn)[7]給出了一個(gè)很好的描述。

值得一提的是，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組在超材料研發(fā)方面取得可喜進(jìn)展，其研究成果以“Space-Time-Coding Digital Metasurfaces”為題，于2018 年10 月在線發(fā)表在《Nature Communications》上。超材料是指亞波長(zhǎng)尺度單元按一定的宏觀排列方式形成的人工復(fù)合電磁結(jié)構(gòu)，由于其基本單元和排列方式都可任意設(shè)計(jì)，因此能構(gòu)造出傳統(tǒng)材料與傳統(tǒng)技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的超常規(guī)媒質(zhì)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)電磁波進(jìn)行高效靈活調(diào)控，實(shí)現(xiàn)一系列自然界不存在的新奇物理特性和應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的電磁超材料和超表面都是基于連續(xù)變化的媒質(zhì)參數(shù)，很難實(shí)時(shí)地操控電磁波。2014 年崔鐵軍院士課題組在國(guó)際上首次提出“數(shù)字編碼與可編程超材料”，采用二進(jìn)制數(shù)字編碼來表征超材料的思想，通過改變數(shù)字編碼單元“0”和“1”的空間排布來控制電磁波[13]。這一概念的提出不僅簡(jiǎn)化了超材料的設(shè)計(jì)難度和優(yōu)化流程，構(gòu)建了超材料由物理空間通往數(shù)字空間的橋梁，使人們能夠從信息科學(xué)的角度來理解和探索超材料，更重要的是超材料的數(shù)字化編碼表征方式非常有利于結(jié)合一些有源器件，在FPGA 等電路系統(tǒng)的控制下實(shí)時(shí)地?cái)?shù)字化調(diào)控電磁波，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)多種完全不同的功能。

采用超材料的可重構(gòu)超表面不僅能用來做無源反射器，也可以用來做有源發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。文獻(xiàn)[14] 研究了大規(guī)模MIMO 2.0 解決方案，探索可重構(gòu)超表面取代傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO 的無線傳輸系統(tǒng)，并進(jìn)而提出大型智能面LIS 的概念。其理論分析表明，LIS 系統(tǒng)每平方米超面面積的可達(dá)容量能隨平均傳輸功率線性增加，而傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO 的可達(dá)容量只隨平均傳輸功率對(duì)數(shù)增加。此外，還探討了在終端定位中應(yīng)用LIS[15]。

IRS 無線網(wǎng)絡(luò)概念的核心思想是移動(dòng)通常在無線端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能到其環(huán)境上[7]。在這方面，IRS 與新興技術(shù)的協(xié)同集成是很有前途且亟需展開的研究方向。鑒于此，目前人們已紛紛考慮IRS 的各種各樣應(yīng)用場(chǎng)景，包括如下[6-9,17]：

（1）邊緣智能：包括邊緣緩存、邊緣計(jì)算和邊緣學(xué)習(xí)，是一種利用存儲(chǔ)緩解網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的先進(jìn)技術(shù)。采用IRS可以有效地提高邊緣緩存、計(jì)算和學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的工作效率，特別是IRS 可通過智能調(diào)整入射電磁波的相位來緩解邊緣器件的能量限制問題，提升邊緣計(jì)算和學(xué)習(xí)過程中的聯(lián)合上行及下行通信效率。

（2）室內(nèi)外定位：也像利用大規(guī)模MIMO 技術(shù)一樣，利用智能反射面輔助傳輸技術(shù)可以有效提高室內(nèi)或室外的定位精度。從未來無線信息技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)上來講，IRS技術(shù)的發(fā)展將會(huì)有力地推動(dòng)無線感知技術(shù)的普及。

（3）物理層安全：是無線通信領(lǐng)域與信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。應(yīng)用智能反射面技術(shù)既可以增加合法用戶的安全傳輸速率，同時(shí)又可以降低非法用戶的竊聽效果。

（4）D2D 通信：是5G 移動(dòng)通信空口新技術(shù)之一，能進(jìn)行終端到終端的直接信息傳輸。D2D 通信引入智能反射面技術(shù)，可支持設(shè)備之間低功耗傳輸，提高信息傳輸速率，同時(shí)還降低設(shè)備之間的干擾。

（5）無線攜能通信：是綠色通信新技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)中有廣泛的應(yīng)用。通過合理部署智能反射面，無線攜能通信網(wǎng)絡(luò)就可以大幅提升信息傳輸與能量傳輸?shù)膫鬏斝Ч?/p>

（6）無人機(jī)通信：具有傳輸距離遠(yuǎn)、部署方便、機(jī)動(dòng)靈活、覆蓋范圍廣以及經(jīng)濟(jì)效益高等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。不論是IRS 部署在建筑物表面上還是無人機(jī)機(jī)身上，均能有效提升無人機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)效果。

未來IRS 具體的應(yīng)用場(chǎng)景如圖2 所示。

參與本次研究的高血壓左心室肥厚伴衰竭患者和健康人員，時(shí)間在2017年5月—2018年5月之間，之后分別將其設(shè)為研究組、參照組，例數(shù)分別為34例。研究組高血壓左心室肥厚伴衰竭患者中，最大年齡為82歲，最小年齡為30歲，年齡均值統(tǒng)計(jì)后為（55.79±6.3）歲。其中男性患者有26例，女性患者有8例，經(jīng)核實(shí)后病程介于1年至8年之間。參照組健康人員中，最大年齡為82歲，最小年齡為31歲，年齡均值統(tǒng)計(jì)后為（55.62±6.8）歲。其中男性有24例，女性有10例。

圖2 智能反射面的各種應(yīng)用場(chǎng)景

上述IRS 重要進(jìn)展涉及IRS 硬件實(shí)現(xiàn)、傳輸功能以及應(yīng)用場(chǎng)景方面。最近這幾年里有很多學(xué)者紛紛開展了利用IRS 反射功能的研究工作，下面將重點(diǎn)介紹IRS 在性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、信道估計(jì)以及應(yīng)用在毫米波通信的研究進(jìn)展。

2.2 性能分析方面進(jìn)展

對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線傳輸場(chǎng)景，IRS 輔助下的系統(tǒng)性能都得到了很好的分析，特別是對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸場(chǎng)景，文獻(xiàn)[7] 和[16] 從誤碼性能的角度評(píng)估了IRS輔助通信的潛力。分析結(jié)果表明，基于IRS 的傳輸可以有效地提高接收信噪比，特別是平均接收信噪比可隨IRS的反射單元數(shù)目的平方線性增長(zhǎng)，因此在相當(dāng)?shù)偷妮斎胄旁氡认驴梢詫?shí)現(xiàn)高可靠的無線傳輸。

對(duì)于IRS 輔助基站分布多天線的單小區(qū)下行傳輸情景，文獻(xiàn)[18]中通過最小化基站傳輸功率分析得出這樣一個(gè)單用戶功率縮放律（Power Scaling Law）：隨著IRS 的反射單元數(shù)目趨于無窮，接收信號(hào)功率增益能按單元數(shù)目的平方線性增長(zhǎng)。而對(duì)于傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)，接收信號(hào)功率增益只能按天線數(shù)目一次方線性增長(zhǎng)。在文獻(xiàn)[19]中也考慮單小區(qū)下行傳輸問題，并通過仿真顯示，在IRS 輔助下的多天線下行系統(tǒng)即使基站采用充分少的天線，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)獲得像傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO 一樣的性能增益。

假設(shè)IRS 系統(tǒng)每個(gè)反射單元具有連續(xù)相移過于理想，不符合未來實(shí)踐需要。在文獻(xiàn)[18]的后續(xù)研究中，考慮IRS具有離散相移，并在此情況下再分析同樣的功率最小化問題。進(jìn)一步分析結(jié)果表明，與具有連續(xù)相移的理想情況相比，具有有限分辨率相移的IRS 與具有無限分辨率相移的IRS 有相同的功率縮放律，其功率損失是一個(gè)與量化比特?cái)?shù)有關(guān)的常數(shù)，且隨著反射單元數(shù)目不斷增加可以忽略不計(jì)[20]。

在文獻(xiàn)[21] 中，考慮了萊斯衰落環(huán)境下IRS 輔助的大規(guī)模MIMO 單用戶系統(tǒng)，并給出了基于遍歷容量近似表達(dá)式和CSI（Channel State Information）統(tǒng)計(jì)的IRS相移最優(yōu)解，然后還進(jìn)一步分析了不同萊斯因子和離散相移對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果表明，即使使用2 比特相移也可以保證容量損失相當(dāng)小。

空間調(diào)制（SM,Spatial Modulation）是目前流行的索引調(diào)制（IM,Index Modulation），其通過利用MIMO天線的不同衰落特征，將信息比特映射到發(fā)射天線索引上。在文獻(xiàn)[22] 中，考慮IRS 與IM 的結(jié)合，提出了IRS-SM 和IRS-SSK（Space Shift Keying）兩 個(gè)IRS 輔助的IM 系統(tǒng)傳輸方案。通過發(fā)揮IRS 和IM 的各自優(yōu)勢(shì)，這兩個(gè)方案都能進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量、改善頻譜效率。

目前已出現(xiàn)一些工作考慮與協(xié)作中繼系統(tǒng)進(jìn)行綜合對(duì)比。文獻(xiàn)[12]顯示，與傳統(tǒng)的AF（Amplify-and-Forward）中繼處理方式相比，IRS 輔助系統(tǒng)能帶來很大的能量增益。在文獻(xiàn)[23]中，將IRS 輔助的無線傳輸系統(tǒng)與經(jīng)典的DF（Decodeand-Forward）中繼處理方式進(jìn)行綜合比較，確定了系統(tǒng)需要在IRS上安放多少個(gè)反射單元才會(huì)在性能上優(yōu)于DF中繼系統(tǒng)。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)展

優(yōu)化設(shè)計(jì)是IRS 技術(shù)特別重要的課題，目前已得到了廣泛的研討。假定基站分布多天線，考慮IRS 輔助單小區(qū)下行傳輸場(chǎng)景[24]（如圖3 所示），將注意力集中在通過優(yōu)化IRS相位和用戶功率來最大化系統(tǒng)和速率問題上，這個(gè)問題可歸結(jié)為一個(gè)非凸優(yōu)化問題。為了解決該問題，給出了交替最大化和優(yōu)化最小化（Majorization-Minimization）算法相結(jié)合的方法[25]，基于這個(gè)方法，整個(gè)系統(tǒng)吞吐量明顯得到改進(jìn)。在文獻(xiàn)[26]中，考慮了RIS 具有有限分辨率相位情況下的能量效率最大化問題。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的AF 中繼系統(tǒng)相比，即使是1 比特相位分辨率也能有效提高系統(tǒng)的能量效率。在后續(xù)的文獻(xiàn)[12]中，報(bào)道了在更實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)置下關(guān)于能量效率、系統(tǒng)和速率的更為全面的仿真結(jié)果。值得注意的是，要實(shí)現(xiàn)文中所提出的優(yōu)化方案，基站需要有完美的CSI 和IRS 相位的知識(shí)來產(chǎn)生并發(fā)送波束成形。

在文獻(xiàn)[18] 和[20] 中，也考慮了單小區(qū)下行傳輸場(chǎng)景，特別關(guān)注了主動(dòng)和被動(dòng)（Active and Passive）波束成形聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題。具體地說，通過聯(lián)合優(yōu)化基站主動(dòng)發(fā)射波束成形和IRS 被動(dòng)反射波束成形，在用戶信干噪比約束下，分析了總發(fā)射功率如何最小化問題。利用半定松弛和交替優(yōu)化技術(shù)，很好地解決了這個(gè)非凸優(yōu)化問題[27-30]，并且還給出系統(tǒng)性能與計(jì)算復(fù)雜性之間的折衷解。不論是IRS 相移具有無限還是有限分辨率，都給出了單用戶情況下的功率縮放平方律[6]。對(duì)于多用戶情況，通過主動(dòng)和被動(dòng)波束成形的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)多用戶干擾得到消除，系統(tǒng)頻譜效率與能量效率也得到顯著提升。此外，還初步考慮了IRS 部署優(yōu)化的問題。

文獻(xiàn)[19] 研究了IRS 輔助單小區(qū)多用戶下行傳輸場(chǎng)景，并在基站-IRS 的LOS（Line-of-Sight）信道矩陣秩為1 或滿秩的情況下，分析了使最小用戶信干噪比的最大化問題。在IRS-用戶的信道為相關(guān)瑞利衰落情況下，提出了一種對(duì)IRS 相移進(jìn)行優(yōu)化的算法。對(duì)于同樣RIS系統(tǒng)，文獻(xiàn)[31] 則將注意力集中在優(yōu)化發(fā)射波束成形和RIS 相移上。通過考慮最大化頻譜效率，提出了兩種算法來聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射波束成形和IRS 相移。與文獻(xiàn)[18]和[19]不同，在基站和IRS 具有完美的CSI 的情況下，文獻(xiàn)[31]所提出的算法可保證局部最優(yōu)解。

文獻(xiàn)[32] 和[33] 研究了IRS 輔助無線系統(tǒng)的物理層安全性。具體來說，文獻(xiàn)[32] 考慮了存在一個(gè)合法接收器和一個(gè)竊聽器情況下的RIS 輔助安全通信問題，特別是考慮了聯(lián)合優(yōu)化基站主動(dòng)波束成形和RIS 被動(dòng)波束成形，以有效提高安全傳輸速率。結(jié)果表明，與大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)相比，增加IRS 反射單元的數(shù)量比增加基站天線數(shù)量更為有益。文獻(xiàn)[33] 考慮了具有多個(gè)合法接收器和多個(gè)竊聽器情況下的下行安全傳輸問題，分析了聯(lián)合優(yōu)化主動(dòng)和被動(dòng)波束成形以使最小安全速率最大化的問題，并提出了全局最優(yōu)算法和低復(fù)雜度次優(yōu)算法。文獻(xiàn)[17]分析了更強(qiáng)的竊聽信道情況，也通過聯(lián)合設(shè)計(jì)基站發(fā)射波束成形和IRS 相位來最大化合法用戶的安全傳輸速率。

盡管關(guān)于IRS 優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的論文涌現(xiàn)很多，但通過這些工作可以發(fā)現(xiàn)人們?cè)谠O(shè)計(jì)IRS 輔助系統(tǒng)方面考慮的內(nèi)容主要包括如下：

（1）IRS 分布結(jié)構(gòu)：最初考慮一個(gè)IRS 是為便于分析與設(shè)計(jì)，但目前越來越多的工作考慮多個(gè)IRS，既考慮IRS 并行輔助方式，也考慮IRS 串行輔助場(chǎng)景，至于串并混合復(fù)雜情況也有不少學(xué)者涉及。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：除了主要考慮最大化傳輸速率和最小化能量消耗外，還有一些學(xué)者從可靠性、安全性以及公平性方面來設(shè)計(jì)和發(fā)展優(yōu)化算法。

（3）被動(dòng)波束成形：對(duì)于IRS 相移控制，最初考慮連續(xù)情況便于推導(dǎo)、分析，但面向?qū)嵺`需要，人們?cè)絹碓蕉嗫紤]離散情況，并優(yōu)化設(shè)計(jì)出少量量化IRS 相移值達(dá)到高精度理想化效果。

（4）信道狀態(tài)信息：早期人們對(duì)IRS 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)是在具有完美信道狀態(tài)信息CSI 下進(jìn)行的，這過于理想化且不符合實(shí)踐需要，因此紛紛探索各種各樣信道估計(jì)算法，并在不完美CSI 下進(jìn)行主動(dòng)與被動(dòng)波束成形優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4 信道估計(jì)方面進(jìn)展

IRS 輔助系統(tǒng)獲得理想性能的前提是能有精確的CSI，但是對(duì)IRS 系統(tǒng)信道估計(jì)要克服兩個(gè)實(shí)現(xiàn)障礙：一個(gè)是IRS反射單元無源的特性；另一個(gè)是反射單元數(shù)目龐大。因此，對(duì)于典型的IRS 輔助下行傳輸場(chǎng)景，信道估計(jì)要在基站處完成，然后基站再將估計(jì)出的結(jié)果報(bào)道給IRS 處的控制器，控制器再依據(jù)所得到的信息調(diào)整反射單元相移。在此思路下，文獻(xiàn)[34]提出一個(gè)基于MMSE（Minimum Mean-Square Error）信道估計(jì)協(xié)議，該協(xié)議將總信道估計(jì)時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)隙。在第一個(gè)時(shí)隙，所有IRS 單元轉(zhuǎn)成“OFF”休息狀態(tài)，基站估計(jì)所有用戶直接信道的CSI。在接著的每個(gè)時(shí)隙里，只有一個(gè)反射單元處于“ON”工作狀態(tài)，而其余的反射單元仍處于“OFF”休息狀態(tài)，這便于基站獲得只與工作單元有關(guān)的CSI。最后基于所有時(shí)隙估計(jì)的結(jié)果，采用MMSE估計(jì)方法獲得傳輸所需的完整的CSI。

但當(dāng)移動(dòng)用戶很多時(shí)，文獻(xiàn)[34] 所提出的方案的信道估計(jì)負(fù)擔(dān)就會(huì)變得很沉重。為了能減輕IRS 信道估計(jì)負(fù)擔(dān)，一種替換思路是通過逐個(gè)激活每個(gè)用戶方法來完成CSI 的估計(jì)[8]，逐個(gè)激活每個(gè)用戶可使要估計(jì)的級(jí)聯(lián)信道分解成一系列單輸入多輸出為每個(gè)用戶感知的信道。因此，針對(duì)多用戶上行傳輸場(chǎng)景，文獻(xiàn)[35] 提出一個(gè)分三個(gè)連續(xù)處理階段的信道估計(jì)新方案。通過利用所有用戶分享同一個(gè)IRS 到基站間的鏈路這一事實(shí)，所給出的信道估計(jì)方案可顯著降低所需的導(dǎo)頻長(zhǎng)度。

對(duì)于基站分布大規(guī)模天線陣而多個(gè)用戶終端分布小規(guī)模天線陣的下行傳輸場(chǎng)景，文獻(xiàn)[36]探討了采用完全被動(dòng)IRS 元件的級(jí)聯(lián)信道估計(jì)問題，提出了關(guān)于發(fā)送端-IRS 和IRS-接收端級(jí)聯(lián)MIMO 信道估計(jì)的一般框架，并給出了一個(gè)有三個(gè)處理階段的信道估計(jì)方案，這三個(gè)階段分別是稀疏矩陣因子分解、歧義消除、矩陣補(bǔ)全[9]。具體來說，第一階段利用接收信號(hào)進(jìn)行矩陣因子分解，導(dǎo)出基站與IRS 間信道矩陣和IRS 與移動(dòng)用戶間信道矩陣；第二階段利用IRS狀態(tài)矩陣信息排除矩陣在因子分解中存在的歧義性，IRS 狀態(tài)矩陣信息包含每一時(shí)刻所有單元“ON/OFF”信息；第三階段則利用信道矩陣性質(zhì)恢復(fù)缺失元素的信息。這三個(gè)處理階段要分別通過三個(gè)算法來完成：雙線性廣義近似消息傳遞（Bilinear Generalized Approximate Message Passing）算法、貪婪追蹤算法、黎曼流形梯度算法。在文獻(xiàn)[36]的后續(xù)研究中，對(duì)所給出的信道估計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，特別將三個(gè)處理階段改成了兩個(gè)處理階段[8]。

文獻(xiàn)[37] 探索了一個(gè)基于壓縮感知的深度學(xué)習(xí)信道估計(jì)方法，特別是提出了一個(gè)基于稀疏信道傳感器的新型IRS 架構(gòu)：IRS 由兩類單元組成，一類是無源的，另一類是有源的。不同于無源單元，IRS 有源單元要連接到控制器的基帶處理器上。在RIS 中使用了少量有源單元就可以簡(jiǎn)化信道估計(jì)處理過程。利用這些有源單元估計(jì)的信道信息通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可了解所有單元的無線信道狀況，進(jìn)一步深度學(xué)習(xí)可以指導(dǎo)IRS 學(xué)習(xí)如何利用主動(dòng)元件估計(jì)的信道信息以最佳方式與輸入信號(hào)相互作用。

針對(duì)能量收集的RIS 輔助多發(fā)單收的單用戶系統(tǒng)，文獻(xiàn)[38] 提出了一種新的信道估計(jì)協(xié)議。特別是考慮到IRS 沒有主動(dòng)元件，為了實(shí)現(xiàn)高效的功率傳輸，給出了主動(dòng)和被動(dòng)的波束成形近似最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

2.5 應(yīng)用在毫米波通信方面進(jìn)展

上述關(guān)于IRS 研究諸多進(jìn)展幾乎都集中在傳統(tǒng)微波通信上，最近不少學(xué)者也開始考慮將IRS 技術(shù)應(yīng)用在更高頻帶上，包括無線光通信[39-40]、太赫茲通信[41-42]、毫米波通信[43-54]。下面將主要介紹IRS 毫米波通信方面的研究動(dòng)態(tài)。

關(guān)于毫米波通信不論是單用戶還是多用戶場(chǎng)景，不論是采用單個(gè)IRS 還是多個(gè)IRS、基站不論是采用小規(guī)模天線陣列還是大規(guī)模天線陣列均有學(xué)者進(jìn)行探討。盡管信道模型不同于傳統(tǒng)微波頻帶，但采用的方法和引出結(jié)論有很多類似于傳統(tǒng)微波通信。目前有關(guān)研究主要涉及信道容量與可達(dá)速率優(yōu)化[43-45]、主動(dòng)和被動(dòng)波束成形聯(lián)合設(shè)計(jì)[46-47]、功率分配與波束成形聯(lián)合設(shè)計(jì)[48]、模擬和數(shù)字混合波束成形[49-50]、信道估計(jì)算法[51]、用戶關(guān)聯(lián)（User Association）[52]以及安全傳輸[53]等內(nèi)容。

對(duì)于IRS 輔助下的單用戶毫米波下行通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)[46] 探討了主動(dòng)和被動(dòng)波束成形聯(lián)合優(yōu)化問題，特別是考慮了基站分布多天線、用戶分布單天線、多個(gè)IRS輔助傳輸?shù)膱?chǎng)景。在基站-IRS 信道采用秩1 信道模型下，對(duì)單個(gè)IRS 輔助情況導(dǎo)出了最優(yōu)閉式解，而對(duì)多個(gè)IRS輔助情況則給出了接近最優(yōu)解析解。隨后在文獻(xiàn)[47]中，對(duì)IRS 反射單元具有低精度相移情景繼續(xù)探討系統(tǒng)主動(dòng)和被動(dòng)波束成形聯(lián)合優(yōu)化問題。分析結(jié)果表明，即使在IRS 反射單元只有低精度相移的情況下，用戶接收信號(hào)功率仍能隨反射單元數(shù)目平方成比例地增加。

對(duì)于多個(gè)IRS 輔助下的多用戶毫米波下行通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)[48] 探討了功率分配與波束成形聯(lián)合優(yōu)化問題[48]。假定基站分布多天線而每個(gè)用戶只分布單個(gè)天線，對(duì)基站-IRS 信道和IRS-用戶信道均采用秩1 信道模型，文獻(xiàn)[48] 中給出了一個(gè)新的交替流形優(yōu)化算法。隨后在文獻(xiàn)[53]，對(duì)多個(gè)IRS 輔助下的毫米波下行單用戶通信系統(tǒng)探討了安全速率最大化問題。假定基站分布多天線而合法用戶與竊聽者只分布單個(gè)天線，基于連續(xù)凸逼近和流形優(yōu)化技術(shù)，給出了一個(gè)交替優(yōu)化方案。

在文獻(xiàn)[49]中，對(duì)于單個(gè)IRS 輔助下的多用戶毫米波下行通信系統(tǒng)，關(guān)注混合波束成形與IRS 相移聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，文中也假定基站分布多天線而每個(gè)用戶只分布單個(gè)天線，對(duì)基站-IRS信道和IRS-用戶信道均采用常用的幾何信道模型后，給出了一個(gè)可使均方誤差達(dá)到最小的迭代優(yōu)化算法。此外，文獻(xiàn)[54]既考慮IRS 輔助也考慮ITS（Intelligent Transmitting Surface）輔助的毫米波大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)架構(gòu)，利用毫米波信道的稀疏性提出了兩個(gè)有效的預(yù)編碼方案。

3 未來研究課題

由于IRS 輔助的無線通信是最近吸引研究人員關(guān)注的一個(gè)嶄新技術(shù)，因此有許多有趣且重要的研究話題期待探討。

3.1 信道模型與理論分析

關(guān)于信道模型，目前IRS 到用戶間的信道經(jīng)常采用的是簡(jiǎn)單的獨(dú)立同分布瑞利衰落信道或者萊斯衰落信道，而在基站和IRS 之間通常采用秩為1 的LOS 信道。前者是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)镸IMO衰落信道在實(shí)際應(yīng)用中幾乎總是空間相關(guān)的，而后者會(huì)構(gòu)成針孔信道，從而限制系統(tǒng)有效服務(wù)多個(gè)用戶的能力。研究IRS 到用戶間的相關(guān)信道模型和基站到IRS 間的高秩LOS 信道無疑是重要的話題，目前雖有些探索，但還遠(yuǎn)不夠深透、成熟[19]。IRS 發(fā)展將需要IRS 的空間相關(guān)模型，初步工作通過用相關(guān)瑞利模型代替典型的獨(dú)立同分布瑞利模型，可是傳統(tǒng)的離散天線陣列統(tǒng)計(jì)模型并不直接適用，因?yàn)榛诔牧系腎RS 是使用完全不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)相關(guān)信道的正確建模，要充分了解IRS 內(nèi)在的相關(guān)結(jié)構(gòu)以及IRS 大尺度與小尺度衰落特征，這需要既熟悉通信技術(shù)又懂電磁理論的研究人員進(jìn)行深入探討[7,55-56]。

目前有許多工作是通過解決復(fù)雜的非凸優(yōu)化問題來使IRS 相移得到優(yōu)化的[6-9]，這樣得到的優(yōu)化相移和系統(tǒng)性能因?yàn)槭峭ㄟ^計(jì)算得到的數(shù)字解，一般很難獲得依賴于信道參數(shù)的理論表達(dá)式，除了特殊的情景，如單IRS 單用戶情況[34]。理論分析表達(dá)式是特別重要的，因?yàn)槟苁谷藗兌床煨诺篮拖到y(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度，比如說獲得IRS 的功率縮放律，給出IRS 優(yōu)化設(shè)計(jì)指南[8-9,56]。因此，未來需要發(fā)展易于處理和便于洞察的理論分析框架以便刻畫IRS 的利益及作用，尤其是對(duì)于分布多個(gè)IRS 的場(chǎng)景。相比較而言，目前人們對(duì)IRS 能帶來的復(fù)用方面的潛在利益還不清楚[57]。

3.2 將IRS與毫米波通信結(jié)合

現(xiàn)存通信技術(shù)是通過優(yōu)化通信端點(diǎn)來改進(jìn)性能，而IRS 技術(shù)是通過優(yōu)化傳播環(huán)境來提高性能。IRS 輔助的無線通信技術(shù)是當(dāng)前很有發(fā)展前景的研究方向。將IRS 與5G/6G 中其它重要技術(shù)結(jié)合是未來值得關(guān)注的研究課題，比如和大規(guī)模MIMO、毫米波通信、太赫茲通信、可見光通信、超密集網(wǎng)絡(luò)、非正交多址等結(jié)合。其中，特別值得關(guān)注的是IRS 與毫米波通信結(jié)合課題。

毫米波一般指頻譜范圍為30—300 GHz、波長(zhǎng)范圍為1～10 mm 的電磁波。在毫米波頻段可以構(gòu)建高達(dá)800 MHz的超大帶寬通信系統(tǒng)，通信速率高達(dá)10 Gbit/s，可以滿足ITU 對(duì)5G 通信系統(tǒng)的要求。毫米波已經(jīng)成為3GPP 5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)的必要組成部分[58]。在中低頻5G 大規(guī)模商用后，毫米波將成為5G 商用的下一個(gè)重點(diǎn)。通信業(yè)內(nèi)開始形成的共識(shí)是在后5G 時(shí)代與6G 時(shí)代，毫米波將成為極大提升網(wǎng)絡(luò)容量和促進(jìn)新業(yè)務(wù)部署的關(guān)鍵使能技術(shù)。因此，對(duì)毫米波技術(shù)的進(jìn)一步研究不僅有利于5G 毫米波系統(tǒng)的規(guī)?；渴鸷蜕虡I(yè)經(jīng)營(yíng)，還將對(duì)5G 后續(xù)演進(jìn)和未來6G 技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。

毫米波通信與大規(guī)模MIMO 均是5G 中的關(guān)鍵技術(shù)，且它們是相輔相成的：一方面，毫米波通信波長(zhǎng)短、路徑損耗大，對(duì)其覆蓋范圍產(chǎn)生很大影響，為此需要利用大規(guī)模MIMO 技術(shù)產(chǎn)生的波束成形增益來彌補(bǔ)其路徑損耗；另一方面，毫米波的使用對(duì)天線陣列的大規(guī)模部署和終端的小型化都非常有利。因此，將毫米波通信與大規(guī)模MIMO 技術(shù)密切結(jié)合既自然又必要。鑒于此，毫米波大規(guī)模MIMO 通信技術(shù)得到了廣泛地探討[59]。但是，在發(fā)送端和接收端安裝大量的天線需要在技術(shù)上克服成本增加和能耗變大的問題。此外，除了路徑損耗大以外，毫米波傳播容易受到物體阻擋，尤其是在城市建筑密集地區(qū)，如在100 GHz 以上移動(dòng)環(huán)境中很難有可靠的LOS 鏈路[7]。IRS 的出現(xiàn)則為解決這些技術(shù)難題帶來了希望，其是由大量低成本、高能效的反射單元構(gòu)成，分布IRS 可以將很弱的傳播路徑變成很強(qiáng)的傳播路徑。采用IRS 是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的解決方案，因此為了滿足未來6G 高速率、大容量、低功耗的實(shí)際傳輸需要，積極開展IRS 輔助下的毫米波大規(guī)模MIMO 通信技術(shù)研究就變得十分必要。

4 結(jié)束語

隨著5G 商業(yè)化部署的開展，6G 的研究也在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的探討。IRS 技術(shù)有望在未來6G 通信中發(fā)揮特別重要的作用，盡管當(dāng)前已有很多研究結(jié)果涌現(xiàn)，但從總體上來看，關(guān)于IRS 的研究才剛起步。鑒于此，本文綜述了IRS 的研究進(jìn)展，并討論了未來值得進(jìn)一步開展的研究話題。