[论文解读] Present and Future of Reconfigurable Intelligent Surface-Empowered Communications

Ertuğrul Başar, H. Vincent Poor|arXiv (Cornell University)|May 3, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 12

一句话总结

本文提出了一种面向6G无线网络的先进可重构智能表面（RIS）架构，将有源、无源、透射、反射和吸收模式整合于单一混合系统中。结果表明，有源RIS可克服无源RIS的双重路径损耗，实现接收信噪比（SNR）与 $ N \frac{P_T P_A}{P_A \sigma_v^2 d_{SR}^2 + \sigma^2 d_{RD}^2 + \sigma^2 \sigma_v^2 d_{SR}^2 d_{RD}^2 / N} $ 成正比，从而在长距离和室外场景中显著提升性能。

ABSTRACT

Signal processing and communication communities have witnessed the rise of many exciting communication technologies in recent years. Notable examples include alternative waveforms, massive multiple-input multiple-output (MIMO) signaling, non-orthogonal multiple access (NOMA), joint communications and sensing, sparse vector coding, index modulation, and so on. It is inevitable that 6G wireless networks will require a rethinking of wireless communication systems and technologies, particularly at the physical layer (PHY), considering the fact that the cellular industry reached another important milestone with the development of 5G wireless networks with diverse applications. Within this perspective, this article aims to shed light on the rising concept of reconfigurable intelligent surface (RIS)-empowered communications towards 6G wireless networks. Software-defined RISs can manipulate their impinging signals in an effective way to boost certain key performance indicators. We discuss the recent developments in the field and put forward promising candidates for future research and development. Specifically, we put our emphasis on active, transmitter-type, transmissive-reflective, and standalone RISs, by discussing their advantages and disadvantages compared to reflective RIS designs. Finally, we also envision an ultimate RIS architecture, which is able to adjust its operation modes dynamically, and introduce the new concept of PHY slicing over RISs towards 6G wireless networks.

研究动机与目标

• 为解决无源RIS通信中固有的路径损耗限制，特别是导致远距离性能下降的 $ d_{SR}^2 d_{RD}^2 $ 双重路径损耗问题。
• 探索并比较先进RIS架构——有源、发射型、透射-反射型及独立RIS——突出其优势与局限性。
• 提出一种终极RIS架构，结合无源与有源元件，支持多种工作模式（反射、透射、吸收），并实现针对多样化应用的实时重构。
• 引入物理层（PHY）切片的新概念，通过动态子表面划分，实现单个物理表面上同时支持多种服务（如数据、安全、充电）。
• 激发未来对RIS部署、控制、成本效益及电磁暴露等问题的研究，尤其与中继和小基站进行对比。

提出的方法

• 将RIS单元建模为可编程散射体，其相位 $ \phi_n \in [0, 2\pi) $ 和幅度 $ p_n \in [0,1] $ 可调，输入输出关系为无源RIS的 $ y_n = p_n e^{j\phi_n} x_n $。
• 通过引入放大因子（$ p_n > 1 $）和噪声放大（$ v_n \sim \mathcal{CN}(0, \sigma_v^2) $），将模型扩展至有源RIS，推导出式（2）中的信噪比（SNR）表达式。
• 提出一种混合RIS架构，包含多个子表面：无源、有源、透射、反射和吸收，支持动态模式切换。
• 集成稀疏传感器实现实时信道获取，并支持传感数据的即时调制传输。
• 提出PHY切片作为一种新范式，将RIS在逻辑上划分为子表面，以支持数据传输、无线充电和物理层安全等并发应用。
• 通过SNR对比分析RIS设计的权衡，表明有源RIS可缓解 $ d_{SR}^2 d_{RD}^2 $ 路径损耗惩罚，在远距离场景中显著提升性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 有源RIS能否克服无源RIS固有的双重路径损耗问题？接收信噪比（SNR）提升幅度如何？
• RQ2 在性能、成本和部署灵活性方面，有源、发射型、透射-反射型及独立RIS架构之间有何差异？
• RQ3 支持多种工作模式（反射、透射、吸收）并具备动态重构能力的混合RIS架构的最优配置为何？
• RQ4 能否通过RIS上的物理层（PHY）切片实现单个物理表面上多种应用（如数据、安全、能量传输）的并行支持？
• RQ5 RIS部署中的关键挑战有哪些，包括功耗、电磁暴露、成本及网络控制问题，尤其与中继和小型基站相比？

主要发现

• 有源RIS通过信号放大显著提升了接收信噪比（SNR），其SNR与 $ \gamma_a \propto N \frac{P_T P_A}{P_A \sigma_v^2 d_{SR}^2 + \sigma^2 d_{RD}^2 + \sigma^2 \sigma_v^2 d_{SR}^2 d_{RD}^2 / N} $ 成正比，有效缓解了双重路径损耗影响。
• 无源RIS的最大SNR与 $ N^2 / (d_{SR}^2 d_{RD}^2) $ 成正比，随距离迅速下降，因此在长距离或非视 Line-of-Sight（LoS）场景中效果较差。
• 发射型RIS通过省去射频链路，为物联网（IoT）应用提供低复杂度解决方案，实现简单、低成本的信号传输，硬件开销极小。
• 透射-反射型RIS可将室外信号覆盖扩展至室内用户，显著提升非视 Line-of-Sight（NLoS）及混合传播环境下的性能。
• 所提出的终极RIS架构支持五种工作模式——有源反射、有源透射、无源反射、无源透射和吸收，可实现干扰抑制与安全性能增强。
• PHY切片支持RIS子孔径的动态、实时分配，使单个RIS表面可同时支持数据传输、无线充电和物理层安全等多样化服务。