无线通信系统不断面临压力,需要提供更高的数据率、较低的延迟和更可靠的连接。 多输入多输出技术(MIMO)在发射机和接收机上都使用多天线,是这一进步的基石。 然而,即使是MIMO系统也可能因物理障碍、多路径的淡化和干扰而退化。 智能反射表面(IRS)已经成为一种新颖的方法,它为重塑无线电环境本身提供了一种成本效益高、节能的方法,可以提升MIMO信号质量而无需大规模硬件升级。 文章探讨了IRS如何运作、它与MIMO的协同关系、关键利益以及塑造未来无线网络的现实世界应用。

了解智能反射表面

智能反射表面(Intelligent Reflection Surface,又称Reconflictable Intelligent Surface,RIS)是一种由许多小型低成本被动元素组成的人造浮图结构,每个元素可以独立调整相位,振幅,或者两种事件无线电频率信号的信号. 通过软件控制器控制这些元素,表面可以将信号向理想方向反射,或者甚至结合反射,在某个特定接收器上产生建设性的干扰. IRS与传统的中继器或中继器不同,不需要主动的RF链或功率放大器,它只需要最小的电源来控制电路,这使得IRS极有效率,适合密集的部署.

核心思想是将表面本身视为一个能够"雕塑"无线通道的智能中介. IRS不把信号传播作为固定环境来对待,而是使环境可以编程. 这种能力在信号衰减严重且视线(LOS)路径经常被阻断的高频波段(如毫米波和亚THz)中特别有价值.

IRS如何提高MIMO信号质量

海事组织系统利用空间多轴和束线形成来提高能力和可靠性,海事组织的成功取决于传播环境的丰富性,具体而言,取决于能否获得多个独立的信号路径,当信道缺乏足够的散射(例如在走廊、室内办公室或体育场)时,海事组织的性能会下降,IRS直接通过人为散射和向预定接收者反映信号来弥补这一限制。

在典型的MIMO-IRS情景中,表面被放置在墙壁,天花板,甚至移动平台上. MIMO基地站发送信号否则会错过用户;IRS捕捉到这些信号,并以优化的相位转移来反映这些信号. IDO在接收器上的结合效应是更强且更集中的信号. 这一过程可以描述为被动束形[——表面在不消耗传输功率的情况下引导反射能量. IRS控制器与MIM预编码器协调,以尽量扩大每个用户的整体信号对噪声比(SNR).

主要改进措施包括:

  • 在非视线(NLOS)条件下改进了SNR:[ 通过绕障碍方向调整信号,IRS可以将弱的NLOS连接转变为强固的连接,特别是在城市峡谷和室内环境中至关重要.
  • 压制共声干扰:[IRS可以编程,以反映干扰信号远离用户,或者创建无源,减少细胞间和细胞内对密集的MIMO部署的干扰.
  • 增强自由度:[] 添加一个IRS可以有效增加可控虚拟路径的数量,即使物理天线数量有限,MIMO系统也能实现更高的空间倍增增增.

技术机制: 阶段性转移控制和通道估计

IRS援助的MIMO的性能取决于准确的信道估计和相位移优化。 由于IRS元素是被动的,它们不能处理或放大信号;它们只能反映。 这带来了一个挑战:如何估计基站、IRS和用户之间的信道? 典型的情况是,基站发送试运行信号,用户反馈被用来联合优化基站的光线成份和IRS的相位移。 算法通常涉及交替优化、梯度方法或深度学习方法。

一个关键的衡量标准是IRS提供的信号增益。 对于具有N元素的表面,反射信号功率理论上可以以N2 进行比对。 实际上,收益受到表面大小、元素间距以及相互耦合和量化错误等实际限制的限制。 尽管如此,原型演示显示,SNR在定向方向上改进了10-20 dB。

另一个重要方面是硬件架构. 每个IRS元素一般都包含一个变异二极管或PIN二极管来调整反射系数,有些设计使用液晶来进行模拟控制,元素数量可以从几十万到数万不等,总功耗还剩的量级低于活动继电器阵列的量级.

IRS在海事组织网络中的应用

5G及5G(B5G)以外部署

5G新电台(NR)包括基站高达64×64的MIMO配置。 然而,毫米波波段(24–52 GHz)受到严重阻塞。 IRS可以部署在建筑外墙、广告牌和街道灯光上,以创建虚拟的“智能反射器”将覆盖范围扩展到阴影地区。 这对信号必须穿过墙壁的户外到户外情景特别有价值。

室内无线局域网(WLANs)

在企业办公室、机场和购物中心,IMO的Wi-Fi(例如Wi-Fi 6/6E)可以与金属隔板或混凝土柱造成的死亡区进行斗争。 安装在天花板或墙上的IRS面板可以动态地引导信号为挑战性角落的用户服务,在初始实地测试中将吞吐量提高30-50%。

车辆通信(V2X)

配备IRS的路边单位可以通过在弯道、建筑物或大型卡车周围反射信号来协助海事组织装备的车辆,这提高了在高机动性环境中合作感知和安全信息的可靠性。

大型MIMO和无细胞网络

在未来的无细胞架构中,多个分布式接入点合作为用户服务. IRS可以充当低成本的空间多路x器,让较少数量的活跃天线可以模拟一个大得多的有效的MIMO阵列. 研究人员已经表明,即使是一个小的IRS(100个元素)也可以将无细胞系统的光谱效率提高一倍.

挑战和限制

虽然IRS承诺将取得显著成果,但在广泛通过之前,仍然存在若干挑战:

  • Channel Espassion Overhead: 估计级联的BS-IRS-用户通道需要时间和资源,特别是对于大表面. 压缩感知和深层学习正在调查以减少飞行员的俯仰.
  • 硬件复杂度和校准性:[ 每个元素必须精确校准,以实现连贯的反射. 制造耐受性,温度漂移,老化可以降解性能.
  • Half-Duplex Control: 由于IRS只反映而且不能扩大,因此总体联系预算可能仍然很长的距离不够,但是,将IRS与大规模MIMO结合起来就可以克服这一点。
  • 与现有协议的结合: 当前的无线标准没有在设计时考虑到IRS. 需要修改排程,束管理和反馈机制.

未来展望:智能表面作为元材料革命

展望未来,IRS预计将从简单的被动反射器演化为完全可重构 智能无线电环境[ 。这包括可以吸收、极化甚至调制信息到反射信号的表面。IRS与terahertz通信的趋同,即使有微小的障碍也会导致严重衰减,这也可以为6G解锁新的频段。

标准化机构,如ETSI和3GPP,已经开始研究关于可重构智能表面的项目,供第18版及以后使用. 工业协作也在加速: EURECCOM [和NT]演示了实时原型,而启动公司如] 枢机Comware正在部署主动的元表面天线用于固定无线接入.

最终,IRS提供了一个范式转变:我们不是对抗无线环境,而是可以重塑环境。 对于MIMO系统来说,这意味着更高的信号质量、较低的能耗和更加统一的覆盖。 随着技术的成熟,我们可以期望IRS成为无线工程师库中的标准工具,补充MIMO,提供未来十年所需要的超可靠、高容量的网络。

进一步阅读时,参考Di Renzo等人(2023)和IEEEE通信杂志关于RIS(2021)的特别期刊的综合综述,这些资源为IRS援助的MIMO系统的数学基础和实验验证提供了深度的潜入.