智能超表面（RIS）原理，具体实现，全向智能超表面（IOS）应用

RIS学习笔记

引言

随着5G时代的快速崛起，物联网技术作为新一代的通信技术，通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮[1]。物联网将连接数十亿个嵌入在物体和环境中的小型计算设备[2]，比如书籍、家具、家用电器，甚至植入式医疗设备。到2030年，全球连接设备的数量预计将达到1250亿个，每立方米将有多达100个物联网连接。
我们在享受物联网带来的方便的同时，也面临着许多问题，蓝牙[3]、ZigBee[4]和近场通信(NFC)等传统的物联网技术需要指定的频谱资源和难以想象的能量消耗，阻碍了物联网的大规模无线电接入和大规模部署。频谱稀缺和能量消耗是大规模物联网时代需要解决的两个主要问题[5]。
后向散射通信与可重构智能表面(RIS也称IRS LIS等)是解决上述问题的很有前途的方法，正受到学术界和工业界的广泛关注。后向散射通信是通过重新调制来自环境蜂窝基站、Wifi路由器和数字电视广播塔的环境射频信号来进行自身信号的广播，后向散射设备能够被动地传递信息，而不需要专用的频谱资源，消耗非常少的功率，以频谱高效和低功耗的方式工作，同时解决上述两个问题但不适合远场通信。

一.RIS板发展基本状况

(一)RIS板兴起的动因

移动设备和无线数据流量的飞速增长，引发了两个重大问题：1.频谱稀缺，2.能量消耗。新的通信模式迫切需要发展，目前存在的一些高速无缝的数据服务，比如MIMO（大规模多输入多输出系统），mmWave（毫米波通信系统），非正交多址接入，光无线通信和混合光/射频（RF）解决方案，替代波形。然而，这些技术需要复杂的硬件实现，不可避免地会增加功耗和信号处理的复杂性，而且这些技术仍然停留在处理信号的发端与收端，或者信号的调制方式上。
在这种情况下，人们越来越关注控制传播环境来提高无线通信的服务质量，智能反射面（RIS）作为一个新兴的概念，与有源的放大转发继电器完全不同，超表面是一种超薄的工程表面，其中大量小型，低成本和无源的元件附着在RIS表面，通过使用连接到RIS的智能控制器（比如FPGA），可以控制入射到这些可重构元件的相位和幅度，从而重新配置入射无线电信号的传播并实现“智能无线电环境”。
上图为RIS在通信中的基本应用，其中每个反射元件都连接有二极管（PIN），二极管的通断可以控制反射元件的反射电磁波的相位和幅度，智能控制器根据通信要求来控制二极管的通断来满足RIS板发挥不同的作用

（二）RIS板的突出特点

不需要RF链
无源反射
经济环保
不占用额外的频谱资源
增强信号的覆盖环境

（三）RIS板的主流应用

1. 增强信号的覆盖范围：通过在小区边缘部署RIS，利用RIS反射能力，可以同时为小区覆盖范围内的用户和小区覆盖范围外的用户提供服务，这也是目前最主流的应用

2. 干扰消除：在超密集网络中，一些用户可能位于多个小小区的覆盖范围内，这增加了多小区干扰。 IRIS可以帮助将信号集中到表面一侧的特定用户，同时减少对位于另一侧的用户的干扰。

3. 安全通信：使用RIS，RIS一侧的用户可以接收来自位于表面同一侧的用户的信号，并且折射信号可能会产生人为噪声以混淆另一侧的窃听者。此功能可用于实现安全通信。

4. 传感和定位：通过射频信号进行传感和定位是未来无线网络中的重要应用。可以利用 RIS塑造传播环境的能力来提高感测和定位精度。

（四）全向RIS板的出现

在无线通信的文献之中，大多数仍然停留在智能反射表面（RIS），他是将信号从表面的一侧反射到位于同一侧的用户，但是这意味着RIS板另一侧的用户不在超表面的覆盖范围。为了解决这个问题，引入了称为（IOS）的智能全表面，IOS具有反射和透射双重功能，简单说就是IOS可以同时反射和透射撞击其表面一侧的信号，使其朝向位于RIS板两侧的信号，也有文章将IOS称为（STAR-RIS）

图（a）展示了日本NTT DOCOMO研究的原型机，超表面由玻璃制成的透明基板覆盖，改变整个超表面和透明基板之间的距离，可实现全反射，全透射和透反射，如下图所示

全向RIS板的优点

1. 由于它们能够同时发射和反射入射信号，STAR-RIS 的覆盖范围扩展到整个空间，从而使用单个 RIS 服务两个半空间，这对于传统的仅反射 RIS 是不可能的。

2. STAR-RIS 为信号传播操纵提供增强的自由度 (DoF)，这显着提高了满足严格通信要求的设计灵活性。

3. 由于 STAR-RIS 通常设计为光学透明 ，因此它们在美学上令人愉悦并且很容易与现有的建筑结构（例如窗户）兼容。因此，STAR-RIS 不会产生不良的美学效果，这对于实际应用至关重要

全向RIS板混合波束成形方案

本文接下来介绍文献[4]一种IOS板为基础的混合波束成形方案，证实了全维通信的可行性，理论上讲IOS可以部署在任何地方来增强信号的覆盖范围，但由于需要精确的实时信道估计算法，IOS更适合低移动性，低信道可变性的场景
上图展示了混合成型波束方案的模型，该方案采用能量分割协议实现IOS。
首先介绍现存的三种IOS协议

1. 能量分配（ES）：假设 IOS 的所有元素都以 T&R 模式运行。对于给定的传输和反射振幅系数，入射到每个元件上的信号被分成具有不同能量的传输和反射信号。在实际实现中，可以联合优化传输和反射的每个元件的幅度和相移系数，以实现无线网络中的不同设计目标。

2. 模式切换（MS） IOS 的所有元素都分为两组。具体来说，一组包含以 T 模式运行的元素，而另一组包含以 R 模式运行的元素。可以被视为由传统的仅反射 RIS 和尺寸减小的仅传输 RIS 组成。对于该协议，可以联合优化元素模式选择和相应的传输和反射相移系数。由此产生的“开-关”类型的协议（即传输或反射）使 MS 易于实施。然而，缺点是 MS 通常无法匹配 ES 的传输和反射增益，因为分别只选择了一个元素的子集用于传输和反射。

3. 时间切换（TS） 相反，采用 TS 协议的 IOS 在正交时隙（称为 T 周期和 R 周期）中周期性地在 T 模式和 R 模式之间切换所有元素。这就像在不同的时间段切换“百叶窗”。可以优化分配给完全传输和完全反射信号的时间部分，以在正面和背面的通信质量之间取得平衡。与 ES 和 MS 相比，TS 的优势在于，对于给定的时间分配，传输和反射系数不耦合；因此，它们可以独立优化。然而，周期性地切换元素强加了严格的时间同步要求，因此与 ES 和 MS 相比增加了实现的复杂性。

上图塑造无线电波向特定反射和折射方向的传播模型，数字波束成形在BS执行，模拟波束形成在IOS执行，具体来说，BS通过通过将载波通过多根天线发给IOS，BS和IOS交换信息，BS配置每个元素的相移，实现模拟波束的形成。
这其中存在一些挑战

1. BS处的最佳数字波束形成器和优化系统性能的IOS元件较难计算，是一个非凸问题，为应对该挑战，将数字和模拟波束形成器的优化进行分离，采取迭代优化的算法
2. BS 获取瞬时 CSI 的巨大开销，因为 IOS 元素的数量可能很大。这需要设计具有减少开销的 CSI 的优化算法。解决方案是利用统计CSI代替瞬时CSI，使用分布式鲁棒优化方法相应地优化IOS元素的状态。
   
   上图为该团队制成的模型机，该团队较好地证明了全向RIS进行全维通信的可能性，
   实验结果 如下图所示
   上图显示了 IOS 的两种不同配置的辐射模式，这是通过前面介绍的波束形成算法获得的，给定 Rx 的不同位置。特别是，图 4 比较了通过模拟和实验测量获得的辐射模式。 Rx 1 和 Rx 2 的接收信噪比 (SNR) 分别为 14 dB 和 8 dB。该图显示了仿真和测量之间的良好一致性，并验证了制造的 IOS 原型和所提出的波束形成算法可以向位于 IOS 两侧的预期用户生成定向波束，从而实现全维通信。更具体地说，我们观察到 IOS 的两种不同配置（以两个颜色图为例）导致两种不同的定向辐射模式。本节中介绍的实验是在室内场景中获得的。但是，IOS也可以部署在室外场景中，以提供全方位的通信。

潜在应用和发展

1. 干扰消除 在未来的蜂窝系统中，密集部署的小型小区的覆盖范围很可能会重叠，从而增强多小区​​干扰。在此背景下，IOS在无线网络中的另一个重要应用是缓解多小区干扰。例如，IOS可以被配置为适当地向预期的小区边缘用户反射和折射信号，同时使向非预期的小区边缘用户的信号无效。
   由于多个small cell可能共享同一个IOS，因此small cell之间的协调是一个具有挑战性的开放研究课题。事实上，每个小蜂窝基站只能访问其关联用户的 CSI，但 IOS 应用的模拟波束成形将影响位于附近小蜂窝的所有用户。因此，协调小型小区 BS 的有效协议是必要的。在这种情况下，可以利用机器学习来有效解决复杂无线环境中多个小基站的协调问题。

2. 安全通信 物理层安全 (PLS) 是一种有效的方法，可以在存在未经授权的窃听者的情况下通过无线介质交换机密消息，而无需依赖更高层加密。基本思想是利用噪声和衰落信道的固有随机性来限制未经授权的接收器可以提取的信息量 [14]。在 IOS 的帮助下，可以进一步增强 PLS 的潜力。例如，位于 IOS 一侧的用户可以接收到位于 IOS 另一侧的发射器发出的信号，但是该用户发送的机密消息可能不会被反射给位于同一侧的窃听者用户的一面。因此，可以通过利用 IOS 创建的非互惠通道来实现安全通信。

3. 传感和定位 由于低成本和隐私保护，使用射频 (RF) 信号实现传感和定位已引起越来越多的兴趣。射频传感和定位的基本思想是利用无线信号的特定环境相关特征 [15]。为了实现高精度，重要的是在两个不同位置接收到的信号尽可能可区分。在这种情况下，IOS 构成了一种很有前途的 RF 传感和定位技术，因为它可以主动定制传播通道并增强它们的差异。

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参考文献

[1] M. Di Renzo et al., “Smart Radio Environments Empowered by Reconfigurable Intelligent Surfaces: How It Works, State of Research, and the Road Ahead,” IEEE JSAC, vol. 38, no. 11, Nov. 2020, pp. 2450–2525.
[2] H. Zhang et al., Reconfigurable Intelligent Surface-Empow-ered 6G, Springer, 2021.
[3] M. Di Renzo et al., “Reconfigurable Intelligent Surfaces vs. Relaying: Differences, Similarities, and Performance Com-parison,” IEEE Open J. Commun. Soc., vol. 1, June 2020, pp.
798–807.
[4] J. Xu, et al., “STAR-RISs: Simultaneous Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surfaces,” IEEE Com-mun. Lett., vol. 25, no. 9, Sept. 2021, pp. 3134–38.