[论文解读] STAR-RISs: Simultaneous Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surfaces

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新型RIS架构——同时发射与反射可重构智能表面（STAR-RIS），通过独立调控透射与反射信号，实现360°全覆盖。作者建立了通用硬件模型及两种信道模型——近场与远场模型，证明STAR-RIS在两侧均实现全分集增益，显著优于传统仅反射型RIS在覆盖范围与可靠性方面的表现。

ABSTRACT

In this letter, simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) are studied. Compared with the conventional reflecting-only RISs, the coverage of STAR-RISs is extended to 360 degrees via simultaneous transmission and reflection. A general hardware model for STAR-RISs is presented. Then, channel models are proposed for the near-field and the far-field scenarios, base on which the diversity gain of the STAR-RISs is analyzed and compared with that of the conventional RISs. Numerical simulations are provided to verify analytical results and to demonstrate that full diversity order can be achieved on both sides of the STAR-RIS.

研究动机与目标

• 为解决传统仅反射型RIS受限于180°覆盖范围的问题，即用户仅能位于与发射机同侧的区域。
• 构建一个物理上合理且数学上可处理的STAR-RIS硬件模型，实现对透射与反射系数的独立控制。
• 提出近场与远场信道模型，准确刻画STAR-RIS辅助系统中的信号传播特性。
• 分析并比较STAR-RIS与传统RIS的分集增益，证明其性能优越性。
• 通过数值仿真验证分析模型，涵盖覆盖范围、信道增益与中断概率。

提出的方法

• 基于场等效原理建立通用硬件模型，通过等效电与磁表面电流对每个STAR-RIS单元进行建模。
• 透射与反射系数表示为 $ T_m = \beta_m^T e^{j\theta_m^T} $ 与 $ R_m = \beta_m^R e^{j\theta_m^R} $，并满足能量守恒约束 $ |T_m|^2 + |R_m|^2 \leq 1 $。
• 利用等效电流法推导近场信道模型，引入距离相关倾斜因子 $ F(\theta) = (1 + \tan\theta)/2 $ 以考虑球面波前特性。
• 基于远场近似建立远场信道模型，假设平面波前，简化路径损耗与相位项。
• 采用矩母函数（MGF）方法推导渐近中断概率，实现分集增益分析。
• 通过数值仿真比较相同配置下STAR-RIS与传统RIS的辐射图、信道增益与中断概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种可重构智能表面，实现信号的同时发射与反射，从而将覆盖范围扩展至360度？
• RQ2 如何构建一个通用硬件模型，实现对透射与反射系数的独立控制，同时保持能量守恒？
• RQ3 STAR-RIS在近场与远场区域的信道行为有何关键差异？如何进行数学建模？
• RQ4 与传统RIS相比，STAR-RIS的分集增益如何？其在透射与反射两侧是否均实现全分集增益？
• RQ5 所提出的信道模型如何影响系统性能，特别是在中断概率与波束成形方向性方面？

主要发现

• STAR-RIS在透射与反射两侧均实现 $ M+1 $ 的全分集增益，其中 $ M $ 为单元数量，显著优于传统RIS。
• 引入倾斜因子 $ F(\theta) = (1 + \tan\theta)/2 $ 的近场信道模型能准确捕捉距离相关的增益变化，而远场模型在靠近表面时出现偏差。
• 数值结果表明，当距离STAR-RIS超过几个波长时，远场模型能良好逼近近场模型。
• STAR-RIS表现出类似波束的辐射图，在目标角度（如 $ 7.6^\circ $ 与 $ 16.6^\circ $）具有更高增益，而传统RIS的波束更发散且增益更低。
• 中断概率仿真结果与分析所得渐近结果完全一致，证实STAR-RIS与传统RIS均达到其预测的分集增益。
• 仿真验证了所提信道模型的有效性，表明STAR-RIS可实现表面两侧的全覆盖，并在近场条件下仍保持高可靠性。