摘要: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。
东南大学副校长、首席教授、博士生导师,国家级高层次人才、国家自然科学基金杰出青年科学基金获得者、江苏省特聘教授。长期从事移动通信的教学和研究工作,围绕蜂窝移动通信理论与关键技术、物联网理论与关键技术、智能超表面技术,以及人工智能在移动通信中的应用等领域开展研究工作。在国际国内核心期刊及学术会议上发表学术论文600余篇;授权国际/国家发明专利90余项,出版专著2部,教材1本。研究成果获省部级科学技术
摘要:智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface.RIS)技术被认为是6G中很有应用前景的技术。RIS信道研究对于RIS辅助通信系统的技术创新和性能评价至关重要。综述了RIS信道的测量与建模研究进展,总结了基于矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)的频域测量和基于滑动相关的时域测量两种信道测量方法。介绍了基于时域的RIS信道测量平台,并对目前的测量活动进行了总结。分析了RIS信道中的阵元反射系数、散射方向图和级联路径损耗三个特性。总结了RIS信道统计性建模、确定性建模和混合型建模的方法,给出了一种基于现有SG标准的3D几何统计性信道模型(Geometric-Based Stochastic Model,GBSM)扩展的RIS信道建模方法,以及基于此方法的RIS信道仿真平台。展望了RIS信道测量和建模研究面临的挑战和未来的研究方向。
摘要:信道信息对于智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)辅助的通信系统十分关键。由于IRS反射单元的数量十分巨大,信道估计和信道反馈的开销一直制约着IRS辅助的通信系统的性能。为解决这一难题,介绍了IRS辅助的通信系统中信道的特性。不同用户共享同一基站(Base Station,BS)-IRS信道,而BS-IRS-用户串联信道具有很强的关联性。基于这一特有的信道特性,提出了IRS辅助的通信系统上行信道估计方法、下行信道估计和信道反馈方法;理论性地刻画了以上方法所需要的最小信道估计开销和信道反馈开销,以揭示所提方法在IRS辅助的通信系统中相对于传统信道信息获取方法的巨大优势。
摘要:构思了一种智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助去蜂窝大规模多输入多输出(Cell-freeMassive Multiple-Input Multiple-Output,CF mMIMO)通信系统,提出了一种低复杂度预编码和RIS反射相位交替优化(Alternating Optimization,AO)算法。对于传统正则化迫零(Regularized Zero Forcing,RZF)预编码算法复杂度过高的问题,利用共轭梯度(Conjugate Gradients,CG)法,提出一种低复杂度的RZF-CG预编码算法,将RZF预编码的逆矩阵转换为线性方程组最小化问题,推导算法的残差以更新搜索方向,迭代求解逆矩阵。以最大化系统用户的总频谱效率为目标,推导了RIS相位闭合表达式,基于统计的信道状态信息提出一种低复杂度的投影梯度上升(Projected Gradient Ascent,PGA)算法。仿真结果表明,所提的AO算法能有效地提升系统性能,算法复杂度降低了约73.2%。
摘要:实现无线环境的智能可控是无线通信领域研究的热门课题之一。作为6G的关键技术之一,智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)被认为是一种革命性的电磁环境调控技术。RIS以绿色、低成本的方式显著提升网络性能,通过对发射机和接收机以及传播环境的联合优化,重新定义无线系统的传播范式,构建智能可控的无线传播环境。RIS通常依赖于无源被动调控机制,但这种机制带来乘性路径损耗问题,超大规模调控单元的部署十分必要。随着阵列尺寸的扩大以及频率的提高,传统的平面波假设不再适用,近场传输不可避免。为了更精确地刻画RIS近场传输,需要研究近场球面波的传输模型及其在辐射近场区域的影响。深入分析RIS辅助的近场无线通信系统的信道模型,针对性地设计了适应性预编码方案和传输策略,旨在充分利用RIS辅助近场通信的潜在优势,提升整个无线通信系统的性能和效率。
摘要:超大规模智能反射面(Extremely Large-scale Intelligent Reflecting Surface,XL-IRS)是未来6G通信系统的一个关键备选技术,其可以通过调节信号的反射来实现无线传播环境的智能可重构,从而大幅提升未来通信系统的性能。不同于现有研究工作主要关注于远场通信的小规模IRS,考虑建模更加准确的XL-IRS辅助近场通信场景。指出XL-IRS辅助通信系统中考虑近场信道模型的重要性,介绍XL-IRS系统中的近场信道建模,指出近场信道模型下的通信性能极限。从基站波束对准、XL-IRS波束训练以及波束跟踪三方面详细阐述XL-IRS辅助通信的波束管理设计方法,针对XL-IRS辅助的通信感知一体化(Integrated Sensing and Communicatioin,ISAC)的场景,详尽讨论其在近场通信的关键设计难题以及有前景的解决办法。
摘要:覆盖增强技术包括覆盖性能增强、覆盖区域优化、信号补盲等研究方向,被广泛认为是6G网络中需要重点关注的问题。近年来,智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)因其低成本、低功耗、易于部署等特点,在覆盖增强技术方面得到广泛研究。基于现有文献中的IRS辅助覆盖增强技术,对其应用场景、问题建模及求解方案进行归纳,并按照大尺度网络覆盖优化、小尺度区域覆盖控制以及离散相位码本下的实际部署测试三种典型场景对该领域研究进展进行详细阐述。对基于IRS辅助的覆盖增强技术进行了总结与展望,旨在为该领域中覆盖增强技术的进一步研究提供新的设计思路。
摘要:作为6G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。研究RIS的方案设计在提高系统性能、扩大应用范围、提高部署灵活性等方面有重要意义。要将RIS部署到未来的无线网络中,需要前期在标准化组织,例如3GPP中进行重要的标准化研究工作。虽然许多论文都在研究如何优化RIS及其性能限制,但很少有论文研究RIS标准化方案设计。因此,介绍RIS辅助通信的方案设计,包括初始接入方案、半静态节能控制方案、码本设计方案等,为未来的RIS标准化方案设计提供一定的参考。
摘要:未来移动通信网络在满足用户个性化需求的同时将社会福祉作为网络发展的重要方向,基于对移动通信网络业务发展趋势和挑战的分析探讨,面向下一代移动通信网络泛在接入、绿色节能等发展需求,指出智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)在5G-Advanced(5G-A)和6G网络典型应用场景,并从技术能力、产业成熟度等多个角度分析RIS在信道侧和收发端等不同场景下的应用价值。面向移动通信网络设备管控需求,提出了基于网络控制、自主调控和终端控制三种RIS管控方案,并分析了三种方案的差异。
摘要:随着无线通信技术的发展,越来越多的无线终端接入到通信系统中,对通信网络造成很大的业务承载与传输压力,尤其是障碍物严重阻挡或强信道衰落情况下,使得接收机信号以及系统频谱效率下降现象日益严峻。为了解决该问题,近年来,可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为一种有效的6G候选技术被提出。RIS可以通过电磁调控方式主动改变信道传输质量,从而能够解决无线通信系统频谱效率受限、信号补盲、绕障通信等现实难题。基于此,对RIS辅助通信网络架构演进进行了研究。介绍了RIS的基本概念,并对其三种基本网络架构进行了分析与对比;根据不同的信号传输类型和传输环境,对RIS辅助通信网络架构进行了分析与设计;对当前网络架构发展所面临的挑战以及未来研究趋势进行了展望,为RIS辅助通信系统性能分析、资源分配、网络优化、RIS位置部署提供帮助。
摘要:研究了多智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助的无线系统的传输性能。在无线信道传播环境中部署多个相同几何尺寸的RIS,考虑不同RIS所关联的无线信道是独立非同分布且具有不同的分布和统计特性,基于上述系统模型提出了两种目标导向的多RIS辅助方案,即穷举式(Exhaustive RIS-Aided,ERA)和机会式(Oppor-tunistic RIS-Aided,ORA)方案。利用基于矩量法的端到端信道数学模型,可以将端到端信道系数近似为伽马分布,从中断概率(Outage Probability,OP)和各态历经容量(Ergodic Capacity,EC)两种性能指标分别对两种方案的性能进行评估。通过研究EC的上下界,提供了快速估算可达传输速率的方法。结果表明ORA方案可以优化能量效率,ERA方案在OP和EC方面优于ORA方案。
摘要:未来的6G系统需要同时满足多维性能需求,实现从万物互联到万物智联,因此,深度融合了传统定位、探测、成像等无线感知功能和无线传输功能的通信感知一体化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)技术是未来6G网络的一个重要发展趋势。智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)凭借其可以通过编程来智能调控电磁波传输环境且低成本、低功耗等优势成为6G的关键性使能技术,并催生了使用RIS辅助毫米波ISAC的新研究方向,其有望从底层架构到完整系统层面上解决6G新场景中的诸多难题、挑战。阐述了RIS辅助毫米波ISAC的起源与发展过程,介绍了其研究背景与国内外研究现状,指出并讨论了RIS辅助毫米波ISAC研究中的一些关键技术,分析了该领域已有的一些研究成果,进而展望了RIS辅助毫米波ISAC未来发展和面临的挑战。
摘要:随着无线通信技术的发展,智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface.RIS)辅助通感一体化(IntegratedSensing and Communication,ISAC)技术越来越受到关注。针对RIS辅助ISAC系统中基站获取瞬时信道状态信息(Channel State Information,CSI)开销过大的问题,提出了一种利用统计CSI的联合波束成形设计方案。利用统计信道状态信息,分析了系统遍历速率的确定性等价式;在感知性能约束下,通过最大化该确定性等价式,提出了一种设计最优基站发送协方差矩阵和RIS对角相移矩阵的交替优化算法;仿真结果验证了所提方案的有效性,并揭示了通信与感知性能之间的折中关系。
摘要:随着更大带宽、更高频段和更大规模天线阵列的使用,现代无线通信系统展现出了越来越强的空间辨识能力,表明了通信与感知融合的巨大潜力。立足于智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助通信感知一体化(Integrated Senslng and Communication,ISAC)技术,考虑通信感知性能边界,从信息论角度提出通感性能权衡方法,并结合多种通信、感知性能指标,构建ISAC网络完备的性能权衡理论体系。结合RIS辅助通信硬件结构特征,设计高精度、低复杂度的通信感知传输技术。设计通信感知多载波发射波束,采用RIS实现高低频协作大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)通信感知波束优化,协同控制功率和调度无线资源,实现通信感知资源最优部署。旨在形成新型的RIS辅助通信感知增强框架,提升网络整体性能。
摘要:联合雷达与通信系统(Joint Radar and Communication System,JRCS)是解决6G网络频谱资源紧缺的有效技术之一。受智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)研究的启发,提出了一种RIS辅助JRCS的技术,能够有效提高用户的加权和速率(Weighted Sum Rate,WSR)以及探测性能。利用加权最小均方误差分式规划(Weighted MinimumMean-Square Error Fractional Programming,WMMSE_FP)算法进行求解,并通过迭代求解找到最优解,构建了用户的WSR以及探测性能最大化的优化模型。仿真结果表明,RIS辅助JRCS较RIS辅助分离雷达与通信系统,在最大化WSR及提高目标探测性能方面表现更佳;系统的最大化WSR提高到8.52bit/s/Hz,比分离雷达与通信系统提高了2.11bit/s/Hz,主瓣波峰值可以达到32.04dBm。
摘要:当今移动通信和计算领域移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)已成为提高性能和用户体验的关键技术之一,利用智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)和无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技术辅助的MEC系统,在网络性能提升、时延降低、计算和通信资源分配优化以及适应性方面具有显著优势,引起了学术界和工业界的广泛关注。系统地讨论了RIS辅助的UAV MEC(RIS-assisted UAV MEC,RU-MEC)系统中的协作方式,梳理了RU-MEC系统在设计过程中需要考虑的关键问题以及可采取的解决方法,阐述了未来的研究方向,包括RIS和UAV技术的进一步创新、系统安全性和可靠性增强,以及在各种场景中的广泛应用。
摘要:智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为未来无线通信系统中最受关注的物理层技术之一,开创了由适应环境到重构电磁传播环境的全新通信范式。然而由于“乘性衰落”效应,RIS在典型的通信场景中只能实现微不足道的容量增益,而这在许多现有工作中被广泛忽视。针对上述现象,有源RIS可以通过主动放大反射信号,有效克服“乘性衰落”的高路径损失。为此提出了一种基于端到端(End-to-End,E2E)学习策略的有源RIS辅助的通信系统。通过深度学习网络,可以联合优化基站(Base Station,BS)以及RIS处的预编码与功率分配,以及用户(UserEquipment,UE)的合并矩阵设计,避免了传统方案交替优化带来的高复杂度。具体来说,利用三个深度神经网络(DeepNeural Network,DNN)分别实现BS的预编码矩阵,BS与RIS处功率分配以及UE端的合并矩阵设计,并利用一个可学习参数向量表征RIS中的相位设置。仿真结果表明,所提出的基于深度学习的有源RIS传输方案相对于传统的无源RIS通信方案与无RIS方案,实现了更优的误比特率(Bit Error Rate,BER)性能。
摘要:无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)为无线通信系统提供了具有高成本效益的解决方案。进一步地,提出了一种新颖的智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)增强多UAV语义通信系统。该系统包括配备IRS的UAV、移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)服务器和具有数据收集与局部语义特征提取功能的UAV。通过IRS优化信号反射显著改善了UAV与MEC服务器的通信质量。所构建的问题涉及多UAV轨迹、IRS反射系数和语义符号数量联合优化,以最大限度地减少传输延迟。为解决该非凸优化问题,本文引入了深度强化学习(Deep Reinforce Learn-ing,DRL)算法,包括对偶双深度Q网络(Dueling Double Deep Q Network,D3QN)用于解决离散动作空间问题,如UAV轨迹优化和语义符号数量优化;深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)用于解决连续动作空间问题,如IRS反射系数优化,以实现高效决策。仿真结果表明,与各个基准方案相比,提出的智能优化方案性能均有所提升,特别是在发射功率较小的情况下,且对于功率的变化,所提出的智能优化方案展示了良好的稳定性。
摘要:智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)因其对电磁波的灵活调控特点,广泛应用于新型无线通信网络系统中,满足了6G移动通信对低成本、低剖面、易布局、低能耗、多功能器件的要求。然而,现有超表面器件往往局限于单极化的调控,且工作带宽较窄,极大限制了其在新一代无线通信系统中的应用。提出了一种新型的双线极化宽带1-bit可编程RIS,通过接收贴片、可重构缝隙和辐射贴片的形式,在完成双线极化电磁波极化转换的同时,实现3.5GHz附近的1-bit相位调控,设计的超表面单元-3dB带宽为2.98-4.6GHz,相对带宽达到42.7%,所设计单元也可以实现圆极化的波束调控;通过平面波角谱理论,对该单元所建超表面进行分析综合;建立的16x16阵列可以实现多功能电磁波调控,包括波束扫描、聚焦以及涡旋波束生成等,可以在二维平面±60°内实现高增益波束扫描,-3dB相对带宽达到36.7%。
摘要:智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface.RIS)作为第六代移动通信系统的核心技术之一,能够以可编程的方式对空间电磁波实时调控,打破了传统信道不可控的桎梏,重构无线传输环境。在实际应用场景中,应当考虑RIS的极化特性以及斜入射特性。设计了一种双极化1-bit相位调控超表面单元,其上加载两个二极管,用于独立控制两个极化方向上的相位响应。仿真验证了该单元在两个极化方向下的1-bit相位调控能力及电磁波斜入射下的1-bit相位调控能力。将所设计的单元排列成规模为10 x10的阵列,并验证了其波束调控能力。结果表明,该RIS可以为下一代移动通信系统的发展提供有效的技术指导与支持。
摘要:针对传统相控阵天线设计复杂、成本高昂等问题,提出了基于智能超表面(Reconfigurable IntelligentSurface,RIS)的空间馈电二维相扫天线。该天线通过RIS技术对来自馈源的电磁波进行相位操纵,实现了天线高增益和天线波束的可重构。与传统相控阵天线相比,该天线具有结构简单、成本低廉、剖面极低等特点。天线原型由一块含有1024个单元的超表面阵列、驱动模块及自支撑馈源组成,其中超表面阵列通过现场可编程门阵列(Field Program-mable Gate Array,FPGA)来实时控制以满足天线波束快速切换、方向图二维实时重构等需求。超表面单元两种调控状态在6.5~10.0GHz具有低于0.5dB的幅度损耗,在7~10GHz频带范围内反射相位差在180°+5°以内。天线原型在7.7、8.0、8.3 GHz的测试增益为24. 72、24. 92、25.06dBi。天线±60°扫描增益滚降低于4dB。
摘要:波束扫描是一种广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信和其他相关领域的技术,它允许无线信号或射线束在空间中定向、聚焦。近年提出的智能超表面时空编码方式拓展了超表面在物理维度上的自由度,使得其可以在单音波激励下完成多个频点的波束扫描,但仍然面临着增益低、波束副瓣大等一系列问题。针对这些问题,提出了一种基于超表面的谐波波束扫描方法。设计并加工了一种在E面可以达到斜入射60°的角度不敏感2bit超表面单元并组建32x32阵列。针对单元谐波状态做出精确的3bit相位量化。通过针对不同的初始参考相位,使用多目标遗传算法进行优化,将正一阶谐波的波束副瓣压低在了-15dB水平,完成了时空编码超表面在E面60°波束扫描,为未来在超表面时空编码谐波波束赋形提供了充分有力的方案。
摘要:可重构分布式天线与反射面(Reconfigurable Distributed Antenna and Reflecting Surface,RDARS)作为一种新型的无线通信架构,可以为无线通信系统带来显著的性能增益。基于智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)可改变电磁特性,重构了无线传播环境,为系统引入“反射增益”的设计思想,将此设计理念融入分布式天线系统(Distributed Antenna System,DAS),提出了为DAS的射频远端单元(Remote Radio Unit,RRU)赋予反射功能的新型RDARS架构。利用控制电路,RDARS中的每个单元可灵活切换“反射态”与“连接态”。低功耗的“反射态”单元反射信号为无线网络引入“反射增益”,“连接态”单元发射或接收信号获得“分布式增益”。基站与RDARS的联合设计可适配不同的通信需求,实现性能与功耗之间的平衡并显著提升系统性能。通过理论分析、仿真与原型验证,结果验证了RDARS能显著提升系统性能,在未来6G无线通信系统中具有巨大应用前景。