智能超表面（RIS）与可同时透射和反射智能超表面（STAR-RIS）

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一、智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）

1.概念

2.第一种分类

（1）被动RIS
Passive RIS： 它不需要任何主动组件或控制信号，为了避免“双重衰落”或“乘衰落”，开发了主动RIS。

（2）主动RIS
Active RIS： 被动RIS的“乘衰落”效应是主要的性能瓶颈，主动RIS的概念被引入作为一种可能的解决方案。主动RIS与被动RIS类似，可以反射相移可调的入射信号。主动RIS可以进一步放大反射信号，而被动RIS只是反射入射信号。与被动RIS相比，主动RIS具有不同的硬件架构。相移电路和反射型放大器增强了有源RIS的信号强度。不可能忽略有源RIS的功率要求，因为它们可能与BS放大器的功率要求相当。因为主动ris辅助系统的总功耗可能比被动ris辅助系统高得多。因此，有源RIS将无源RIS的倍增信道损耗转换为加性形式，并增加了放大增益，使其比单独的镜面反射更有效。对于未连接到电网的RIS来说，有源RIS组件的功耗可能是一个问题。

3.第二种分类

（1）IRS/RIS
入射信号被完全反射，即只有相对于表面位于Tx同一侧的用户才能被服务。

（2）RRS
事件信号完全穿透表面，即只有位于Tx相对于表面的另一侧的用户才能被服务。

（3）IOS
一部分入射信号被反射，另一部分被折射，即位于表面两侧的用户可以同时服务。IOS是IRS和RRS的广义变体。如果反射信号的数量等于0，则IOS将减少为RRS，而如果折射信号的数量等于0，则IOS也可以减少为IRS。

二、可同时透射和反射智能超表面（Simultaneously Transmitting and Reflecting RIS ，STAR-RIS）

1.概念

传统的RIS要发挥作用，其发射器和接收器必须始终在同一侧，因为它只能反射入射的无线信号。这导致了半空间SRE(Smart Radio Environment)的开发。通常，用户位于RIS的两侧，这极大地限制了它的适应性和有效性。为了克服这一问题，提出了利用STAR-RIS同时反射和传输信号的创新方法。STAR-RIS表面将输入信号分成两个不同的部分。为了实现360度覆盖，信号的一部分在反射区反射，其余部分被传输。从信号处理的角度来看，该RIS符合“单输入双输出”系统的要求。

2.优势

传统的RIS要发挥作用，其发射器和接收器必须始终在同一侧，因为它只能反射入射的无线信号。这导致了半空间SRE(Smart Radio Environment)的开发。通常，用户位于RIS的两侧，这极大地限制了它的适应性和有效性。为了克服这一问题，提出了利用STAR-RIS同时反射和传输信号的创新方法。STAR-RIS表面将输入信号分成两个不同的部分。为了实现360度覆盖，信号的一部分在反射区反射，其余部分被传输。从信号处理的角度来看，该RIS符合“单输入双输出”系统的要求。

3.分类

通过适当调整透射和反射的幅度系数，STAR-RIS的给定元件可以工作在全透射模式下(称为为 T 模式）、全反射模式（简称 R 模式）、一般同时传输和反射模式（简称T&R模式）。受这些观察的启发，在无线通信系统中将 STAR-RIS 分为三种实用协议，即能量分裂（ES）、模式切换（MS）和时间切换（TS）。如下图所示：

（1）能量分裂（Energy Splitting，ES）
如图 2(a )所示，假设 STAR-RIS 的所有元件都工作在 T&R 模式下，其中入射到每个元件上的信号能量通常被分成传输信号和反射信号的能量。
对于ES，由于每个元件的传输和反射系数都可以优化，因此通信系统设计具有高度的灵活性。然而，大量的设计变量也导致BS和STAR-RIS之间的配置信息交换的开销相对较高。

（2）模式切换（Mode Switching，MS）
如图 2(b)所示，STAR-RIS 的所有元素分为两组。具体来说，一组包含在 T 模式下工作的 Mt 元件，而另一组包含在 R 模式下工作的 Mr 元件。
MS STAR-RIS 可以被视为 ES STAR-RIS 的特例，其中传输和反射的幅度系数仅限于二进制值。因此，MS通常无法实现与ES相同的全维传输和反射波束形成增益，因为仅分别选择元件的子集用于传输和反射。尽管如此，MS在实践中仍然有吸引力，因为与ES协议相比，这种“开关”型操作协议更容易实现。

（3）时间切换（Time Switching，TS）
与ES和MS不同，TS STAR-RIS利用时域，在不同的正交时隙（称为T和R周期）中周期性地在T模式和R模式之间切换所有元素，如图所示如图©所示。
与ES和MS不同，TS STAR-RIS利用时域，在不同的正交时隙（称为T和R周期）中周期性地在T模式和R模式之间切换所有元素，如图所示如图2©所示。