智能反射表面（IRS或RIS）技术综述

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智能反射面（IRS）是一种全新的技术，它可以通过在平面上集成大量低成本的无源反射元件，智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能。具体地说，IRS的不同元件可以通过控制其幅度和/或相位来独立地反射入射信号，从而协同地实现用于定向信号增强或零陷的精细的三维（3D）无源波束形成。与现有的发射机/接收机无线链路适配技术形成鲜明对比，IRS通过高度可控和智能信号反射主动地修改它们之间的无线信道。这为进一步提高无线链路的性能提供了新的自由度，为实现智能可编程无线环境铺平了道路。通过适当地调整3D被动波束形成，IRS反射的信号可以与来自其它路径的信号建设性地相加，以增强接收机处的希望信号功率，或者破坏性地消除诸如同信道干扰等不希望信号。

由于IRS消除了发射RF链的使用，并且只在短距离内工作，因此它可以密集部署，具有可扩展的成本和低能耗，而无需在无源IRS之间进行复杂的干扰管理。IRS通常是用低轮廓、轻重量和共形几何形状制作的，这使得很容易在墙壁、天花板、建筑立面、广告面板等上安装/移除它们。作为对现有的无线系统补充，IRS可以以较低的成本在无线网络中实际部署和集成。

智能反射面通信优势

（1）每一个反射单元都都是由无源器件电容、电阻等构成，能耗小、成本低，均能单独对信号进行反射；

（2）当智能反射面上反射单元较多且反射单元之间的距离远小于信号传输距离时，智能反射面可理想化为连续表面，即智能反射面上的任何一点均能反射信号；

（3）理想情况不需要任何能源，能耗极小；

（4）通信过程中受噪声影响小，接收端信号强度高，同时智能反射面支撑全双工传输；

（5）使用方便，可以根据实际应用设计智能反射面的尺寸，在现有的城市建筑中不需要额外的空间，可直接铺设在建筑物外表、室内天花板、窗户（透射形智能反射面）、车顶等位置；

（6）智能反射面更多的是作为无线通信网络中的辅助设备，调配信道特性，不需要对现有的通信系统进行较大修改。

智能反射表面技术应用

因此可以利用智能反射面，使得用户更好地接收基站发送的信号。下面给出5个场景的例子：

应用一： 当用户处于一个死角（dead zone）之时，适当地使用智能反射面，可以制造出一条反射路径，使得该用户仍能接收到信号。

应用二： 展示IRS用于改进物理层安全性的使用。当从BS到qietingqi的链路距离小于到合法用户（例如，用户1）的链路距离时，或者qietingqi位于与合法用户（例如，用户2）相同的方向时，可实现的保密通信速率高度受限（即使在后一种情况下通过在BS处采用发射波束成形）。然而，如果IRS部署在qietingqi附近，则IRS反射的信号可以被调谐以抵消来自qietingqi处的BS的（非IRS反射的）信号，从而有效地减少信息泄漏。

应用三： 当用户位于小区边缘时，本小区的基站信号衰减严重，同时还会受到邻小区的信号干扰。那么通过设计智能反射面，可以增强本小区的信号，并减弱邻小区的干扰。

应用四： 大规模设备到设备（D2D）通信的使用场景。多个装置之间互相通信，相当于多个发送端和多个接收端同时通信， 显然互相会有干扰， 通过设计智能反射面可以尽可能消除干扰信号，增强正确信号。

应用五： 展示IRS在物联网（IoT）网络中实现对杂项设备的同时无线信息和功率传输（SWIPT）的应用，其中，IRS的大孔径被用来补偿通过无源波束形成到附近物联网设备的远距离显著功率损失，以提高向其无线功率传输的效率。

智能反射面硬件架构

智能反射面的使用主要基于一种叫“meta-atoms”的元件，这个是可以被数字控制的。通过适当设计它的 形状/大小/方向/排布， 可以相应地改变它的信号响应（改变入射信号的一定的幅度相位）。实际中，通过使用PIN二极管，FETs或者MEMS switches等电子元件，实现对其响应的实时调整。

如图2所示，IRS的典型架构可以由三层和智能控制器组成。在外层，大量的金属片（元件）被印刷在介电基板上，与入射信号直接相互作用。在该层的后面，使用铜板来避免信号能量泄漏。最后，内层是一个控制电路板，负责调整每个元件的反射振幅/相移，由附在IRS上的智能控制器触发。在实践中，现场可编程门阵列（FPGA）可以被实现为控制器，它还充当网关，通过单独的无线链路与其他网络组件（例如BSs、AP和用户终端）进行通信和协调，以便与它们进行低速率信息交换。

图2中还示出了单个元件结构的一个示例，其中PIN二极管嵌入在每个元件中。通过直流（DC）馈电线路控制其偏置电压，PIN二极管可以在等效电路中所示的“开”和“关”状态之间切换，从而产生相移差。因此，通过智能控制器设置相应的偏置电压，可以独立地实现IRS元件的不同相移。另一方面，为了有效地控制反射振幅，可在元件设计中采用可变电阻负载。例如，通过改变每个元件中电阻的值，入射信号能量的不同部分被耗散，从而在[0，1]中实现可控反射振幅。在实践中，希望对每个元件的振幅和相移具有独立的控制，为此，需要有效地集成上述电路。

智能反射面波束成形原理

基于上述的智能反射面具体结构，可以通过数学表达式模拟RIS上单个反射单元的信号模型，如下式所示：

其中，

表示第n个反射单元的入射信号，

表示第n个反射单元的反射信号，

表示信号经第n个反射单元反射后振幅的调节，

表示信号经第n个反射单元反射后相位的调节，

，N为RIS上反射单元的数目，上式说明智能反射面可以改变和的值来实现对信号幅值和相位的控制。为了达到智能反射面最理想的波束成形效果，假设所有信号经反射单元反射后振幅不变，即

。对于1-Bit相位智能反射面来说，整个RIS表面的反射单元分为0单元和1单元，0单元：0°反射相位，1单元：180°反射相位，通过提高bit数可以进一步提高量化精度，对于反射信号来说，后续可以通过波束成形技术增强特定方向的信号强度。根据广义斯涅尔反射定律可得，入射信号到达RIS相邻的反射单元时，通过相位的变化可以改变反射信号方向，RIS的控制器的作用即为适实时调整每一个反射单元内部的无源器件参数，从而实现所有反射单元相位调节系数的改变。通过联合设计所有反射单元的相位调节系数，智能反射面就能完成现对入射信号的定向反射，从而能够适应信道传播环境，降低信道损耗、扩大通信范围、提高信噪比并显著提高频谱利用率。智能反射面通过设置反射系数来改变反射相位的这种设计与传统的基站发射端的波束成形原理相同，故称为被动波束成形（Passive Beamforming，PB）。当入射信号到达反射面时，每个反射单元会对信号进行独立作用，改变信号的幅度、相位、频谱和极化方式等，并将其反射出去，在本文中假设被动波束成形即为改变信号相位。

智能反射面挑战和难点

反射面的反射因子设计

第一个挑战是对于反射因子的设计， 或者说，对于上式中ϕ矩阵的设计。其中，要考虑到由于幅度和相位只有离散的可调值，这个问题会相对更加复杂。一种简单的思路是先忽略这一限制去求解，最后再对结果进行量化。但这显然会有性能损失。

不同的目标同样也能求得不同的反射矩阵。

同时，将发送的波束成形与反射矩阵进行联合设计，往往能达到更好的效果。

最后，针对多用户及宽带多载波场景，由于反射面只有一个，那么就要求该矩阵能平衡对所有用户-所有频段性能的折衷要求。

信道估计

信道估计是另一个重要难点。上一节中所说的反射因子的设计，需要建立在信道信息的基础上，而如何获取信道信息是一个大难题。编辑讨论了两种情况：

1、如果反射面上可以配备射频链路将获取的信号转换到数字信号进行信道估计处理的话，可以在智能反射面端进行信道估计，这里的方法会类似于传统的信道估计方法，但也有所挑战。

2、如果反射面本身不具备射频链路的话，可以采取不直接估计基站-反射面，或反射面-用户的信道的策略，而是间接的方式。如：在训练阶段反射面遍历既定码本中的码字，用户反馈给基站性能最好的码字的序号。则反射面沿用该码字进行数据传输，而无需直接估计信道。

来源：MWRF综合整理