面向新一代移动通信的智能超表面技术综述

智能超表面（reconfigurable intelligent surface,RIS）技术是6G的潜在关键技术之一,具有低成本、低功耗和易部署等特点。通过智能地调控空间中的电磁波,RIS 可以辅助构建智能可控的无线电磁环境,从而为移动通信的发展提供一种新范式。首先,对 RIS 的基础原理、主要技术优势和应用场景进行了分析。其次,对RIS应用于通信传输中的信道估计、波束成形等关键技术进行了探讨,并给出了相关研究建议。最后,从硬件实现、算法设计和网络部署3个方面分析了目前RIS技术在实际应用中面临的主要挑战。     

编码超表面远场散射波束调控设计

针对编码超表面远场散射波束的调控，在对相互正交方向的序列进行设计的基础上，利用加法规则，可快速得到超表面的编码序列.加法规则的利用，可减少编码个数，降低设计难度，方便实现对超表面远场散射波束的设计.论文采用金属小棒结构作为超表面单元，进行了实例分析.结果表明，提出的编码序列设计方法，可以有效融合两个正交方向编码序列的散射特性，灵活调控超表面上半空间的散射场.研究方案在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景.     

基于超表面的远场多波束调控综述

超表面作为二维的的超材料,在保留其对电磁波调控能力的同时,具有剖面低、损耗小、易与其它器件集成的优点。自广义斯涅耳定律被提出以来,传统由透镜和棱镜等光学元件沿传播路径逐渐积累的相变方式开始被离散相位取代,极大地提升了超表面设计的灵活性。通过对超表面局部幅度和相位信息进行调控,可以改变入射波的传输方向,使其朝着不同方向传播。文章首先简要概述几种实现多波束激发的超表面平台,然后介绍了基于超表面平台对远场波束多波束调控的前沿进展,并对未来发展方向进行了展望。     

应用于毫米波段的宽带波束调控超表面设计

毫米波段因其较高的数据传输速率和较大的容量而备受关注。为满足现代通信系统对宽带、波束偏转和高辐射效率等天线需求,本文提出了一种工作在88.5～94.6 GHz频带范围内的石墨烯-金属复合结构超表面。该超表面通过调节石墨烯的费米能级,对超表面单元的反射相位进行实时调控编码。调整金属层结构尺寸,可以调制不同编码状态下超表面单元的相位、幅度响应以及编码频段范围。经优化设计,在石墨烯费米能级分别为0 eV和1 eV时,编码超表面单元在88.5～94.6 GHz的宽频带内具有180°±20°的反射相位差,并且反射幅度均大于0.7。利用该单元设计了7×7的超表面,通过合理排布编码单元,可对毫米波段波束进行偏转和多波束切换等动态调控。实验结果显示,单波束最大偏转角度可达105°(-55°～50°),且可实现1～5个波束的切换。该超表面为多功能天线设计提供了新的解决方案,在高速无线局域网、车载雷达、卫星通信等领域具有潜在的应用价值,对毫米波段通信技术的发展具有重要意义。     

智能超表面性能仿真与测试

作为6 G的潜在关键技术之一,智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)通过改变电磁波的电磁特性,可以智能地重构无线传播环境.对RIS辅助通信系统在不同场景和系统参数配置条件下的性能进行了数值仿真、系统级仿真和外场测试.仿真和测试结果表明,RIS不但可以扩大用户覆盖范围,...     

电磁超表面与信息超表面

电磁超材料和超表面是物理、信息与材料领域的热点与前沿,带来了许多新奇的物理现象和突破性的应用. 信息超表面作为近些年来新兴的研究方向,通过数字编码的方式来调控电磁波,构建了由物理世界通往数字世界的桥梁. 本文首先全面总结了电磁超材料与超表面的起源与发展历程;其次重点介绍了可调超表面与可重构超表面、时空调制超表面与器件的发展现状;接着系统介绍了数字编码与可编程信息超表面的基本概念和主要应用,讨论了信息超表面存在的挑战与未来展望;最后简要对电磁超表面和信息超表面的发展趋势进行了总结.     

面向6G的信息超材料和智能超表面通信与感知技术

目前,信息超材料和智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)已经在全球范围内受到了产业界与学术界的广泛关注,在5G和未来6G网络中具有重要机遇和应用前景。针对信息超材料和智能超表面在6G时代通信和感知的需求,分析与阐述了基于信息超材料和RIS的通信与感知理论、基本算法和系统设计,并对信息超材料和RIS的进一步发展进行了展望。     

智能超表面技术5G化演进探讨

随着移动通信网络发展演进,5G网络进入规模化商用的下半场5G-Advanced时代,6G业务需求和潜在技术也逐渐成为研究热点.在梳理5G/5G-Ad-vanced网络深度覆盖、扩容提速等网络需求和6G技术演进趋势的基础上,分析6G技术在5G/5G-Advanced网络阶段先试先用的必要性和可能性,提出6G技术5G化演进...     

AI赋能的智能超表面辅助通信的波束预测

在RIS辅助的通信系统中,如何高效获取信道信息来确定最优交互矢量成为了系统面临的难题,尤其当发射机也配有大规模天线阵列时。采用深度学习技术,实现了初始时隙的群体最优天线选择和后续时隙的个体最优天线选择机制。所建议的联合波束预测方法能够将发射机和RIS的天线选择模式,以及联合波束预测网络三方进行联合优化。仿真结果表明,该方法能够通过较少的部分CSI实现高精度的联合波束预测。     

可重构智能超表面设计及其无线通信系统应用

可重构智能超表面(Reconfigurable Intelligent Metasurface,RIS)是一种新的人工电磁超材料,具有灵活调控电磁波的频率、幅度、相位、波形、极化和传播方向等特性.RIS构建起物理空间和信息空间的桥梁,具有灵活调控电磁波的能力和低成本、低能耗、低质量的优点,将为B 5 G/6 G无线通信...     

智能超表面系统的通信感知一体化：现状、设计与展望

通信感知一体化（integrated sensing and communication,ISAC）是6G的主流趋势,将ISAC引入智能超表面（reconfigurable intelligent surface,RIS）系统,具有扩展系统覆盖范围、提升通信和感知性能、降低系统成本和功耗三大优势。在概述和分析RIS系统ISAC研究现状的基础上,提出了两种非正交ISAC方法,支持盲区用户在非正交时频资源上的通信和感知,最后探讨了RIS系统ISAC的技术挑战和未来发展。     

智能反射面实现空间调制的安全系统性能分析

为了解决安全空间调制系统中合法信道增益差的问题,提出了一种用智能反射面(Intelligent Reflective Surface,IRS)实现空间调制的物理层安全传输方案。IRS接收到发射端发射的幅相调制信号后,通过选择不同的IRS反射元件序号对空域部分信息进行映射,再将信号反射到接收端,以增大窃听端获取完整信息的难度。此外,在发射端采用波束赋形和天线分集技术,提高了系统有效性和可靠性。对系统的保密速率和误比特率进行的理论分析和仿真实验结果表明,所提方案不仅可以提高系统保密速率,还可以降低合法接收端的误比特率。     

可重构全息超表面辅助卫星通信关键技术

超密集低地球轨道卫星通信网络能弥补传统地面网络频谱资源稀缺、覆盖范围有限的不足,有潜力提供全球大规模接入的高速率服务。由于卫星的高速移动性,卫星通信对天线性能,如波束控制能力和天线增益等,也提出了更为严苛的要求。因此,对一种新型的超材料天线——可重构全息超表面（reconfigurable holographic surface,RHS）辅助卫星通信展开了研究。RHS采用全息原理对超材料单元进行电控,从而实现波束成形。基于 RHS 的硬件结构和全息工作原理,提出了一种 RHS 辅助多卫星通信方案,该方案同时考虑卫星跟踪和数据传输。同时,设计了全息波束成形优化算法以最大化和速率。仿真结果验证了所提方案的有效性并表明了相较于传统相控阵天线,RHS提供了一种成本效益更高的卫星通信支持方式。     

Short packet communication in underlay cognitive network assisted by an intelligent reflecting surface

We propose short packet communication in an underlay cognitive radio network assisted by an intelligent reflecting surface (IRS) composed of multiple reconfigurable reflectors. This scheme, called the IRS protocol, operates in only one time slot (TS) using the IRS. The IRS adjusts its phases to give zero received cumulative phase at the secondary destination, thereby enhancing the end-to-end signal-to-noise ratio. The transmitting power of the secondary source is optimized to simultaneously satisfy the multi-interference constraints, hardware limitations, and performance improvement. Simulation and analysis results of the average block error rates (BLERs) show that the performance can be enhanced by installing more reconfigurable reflectors, increasing the blocklength, lowering the number of required primary receivers, or sending fewer information bits. Moreover, the proposed IRS protocol always outperforms underlay relaying protocols using two TSs for data transmission, and achieves the best average BLER at identical transmission distances between the secondary source and secondary destination. The theoretical analyses are confirmed by Monte Carlo simulations.     

IRS辅助的SWIPT系统中基于能效优先的波束成形设计与优化

以智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS)辅助的无线携能通信(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)系统为背景,研究了该系统中基于能效优先的多天线发送端有源波束成形与IRS无源波束成形联合设计与优化方法。以最大化接收端的最小能效为优化目标,构造在发送端功率、接收端能量阈值、IRS相移等多约束下的非线性优化问题,用交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers,ADMM)求解。采用Dinkelbach算法转化目标函数,通过奇异值分解(singular value decomposition,SVD)和半定松弛(semi-definite relaxation,SDR)得到发送端有源波束成形向量。采用SDR得到IRS相移矩阵与反射波束成形向量。结果表明,该系统显著降低了系统能量收集(energy harvesting,EH)接收端的能量阈值。当系统总电路功耗为−15 dBm时,所提方案的用户能效为300 KB/J。当IRS反射阵源数与发送天线数均为最大值时,系统可达最大能效。     

Cooperative beamforming and relay selection in cognitive radio systems

In this paper, a new scheme is suggested for cooperative beamforming (BF) and relay selection in CR networks, where a pair of secondary users communicates with each other assisted by some multiple antenna relay nodes. The goal of the algorithm is to maximize signal to interference plus noise ratio of secondary user receiver subject to limited interference caused for primary user receiver and power constraints of relay nodes. The relay selection and BF optimization problem is solved separately by employing convex semidefinite programming through rank‐one relaxation. It is shown that our proposed algorithm outperforms conventional relay selection and BF schemes. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于IRS辅助的SWIPT物联网系统安全波束成形设计

为满足绿色万物互联的智能信号处理部署和物理层安全的新要求,针对基于智能反射面辅助的无线携能通信物联网系统中可持续能量供应紧缺问题,提出了一种安全波束成形设计方法.考虑保密速率、发射功率和IRS反射相移约束,以最大化能量采集器采集功率为目标,联合优化基站发射波束成形矩阵和干扰机协方差矩阵以及IRS相移,将优化问题建模为具...     

智能超表面辅助低轨卫星通信技术综述

卫星通信能够提供超视距、大容量的通信服务,但在城市区域、峡谷森林等视线受遮蔽严重的区域,会出现视距衰落严重、多径效应显著等问题,影响通信质量。近年来出现的智能超表面(RIS)可以通过动态控制反射单元的电磁性质,构建可控电磁环境,为改善低轨(LEO)卫星通信质量提供新的思路。本文基于RIS基本原理与优势,对RIS用于LEO卫星通信中信道建模、信道估计、波束成形等关键技术进行探讨,最后分析了目前RIS在实际应用中面临的主要挑战,以期为LEO卫星场景下的RIS研究提供参考。     

界面电磁学的理论与应用

近年来以超构表面(metasurface)为代表的各种新型电磁表面在微波、太赫兹、光学频段不断涌现，一个新的被称为“界面电磁学”的电磁学研究领域正在逐渐浮现。文章首先对界面电磁学做了一个概述，主要明确了其学科定位和研究框架。基于其研究框架，对界面电磁学的基础理论、表面设计和系统应用三个方面逐一进行了深入介绍。相信界面电磁学的系统深入研究将会给电子信息系统带来重大的影响和变革。