[论文解读] RIS-Enhanced Information-Decoupled Symbiotic Radio Over Broadcasting Signals

Shu Cai, Ya-Feng Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2026

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 0

一句话总结

论文提出在广播信号上的 RIS 增强信息解耦共生无线系统（ID-SR），其中基于 RIS 的反射设备发送次要数据，而主信道发射器向多个主接收端广播一个公共速率；它提出一种基于惩罚的块坐标下降算法，在公共速率与 BER 约束下最小化发射功率，并显示相较基线具有快速收敛和功率节省。

ABSTRACT

This paper studies a reconfigurable intelligent surface (RIS)-enhanced decoupled symbiotic radio (SR) system in which a primary transmitter delivers common data to multiple primary receivers (PRs), while a RIS-based backscatter device sends secondary data to a backscatter receiver (BRx). Unlike conventional SR, the BRx performs energy detection and never decodes the primary signal, thereby removing ambiguity and preventing exposure of the primary payload to unintended receivers. In this paper, we formulate the problem as the minimization of the transmit power subject to a common broadcast rate constraint across all PRs and a bit error rate (BER) constraint at the BRx. The problem is nonconvex due to the unit-modulus RIS constraint and coupled quadratic forms. Leveraging a rate-balanced reformulation and a monotonic BER ratio characterization, we develop a low-complexity penalty-based block coordinate descent algorithm with closed-form updates. Numerical results show fast convergence of the proposed algorithm and reduced power consumption of the considered RIS-enhanced information-decoupled SR system over conventional SR baselines.

研究动机与目标

• 通过 RIS 反向散射在不解码 BRx 的主信号的前提下，实现能效高、机密性强的次要传输。
• 将所有 PRs 的公共速率约束与 BRx 的 BER 约束下的发射功率最小化问题建模。
• 开发具有与 RIS 尺度线性相关的闭式更新的低复杂度优化算法。
• 通过仿真实验展示 RIS 增强的 ID-SR 相较于传统 SR 基线的性能提升。

提出的方法

• 建立具有多天线 PTx、多个 PRs、RIS-BDx 和 BRx 的广播 ID-SR 模型。
• 通过速率平衡约束和 BER 比率方法对非凸约束进行改写。
• 引入带辅助变量的惩罚基（PBCD）方法以实现问题的解耦。
• 在每次迭代中给出主波束形成向量和 RIS 相位的闭式更新。
• 通过迭代地增大惩罚参数以强化约束满足并实现收敛。
• 证明 RIS 更新的尺度随 RIS 元件数量线性增加。

Fig. 1 : The RIS-Enhanced ID-SR (RIS-ID-SR) over broadcasting signals.

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS 和反射设备如何在不解码 BRx 的主信号的前提下传送次要数据，同时保持主方 QoS？
• RQ2 在所有 PR 的公共速率约束和 BRx 的 BER 约束下，哪种发射波束形成与 RIS 配置能实现最小功率？
• RQ3 在此 RIS-ID-SR 广播设定下，是否能用闭式更新的低复杂度算法实现快速收敛？
• RQ4 在需要的发射功率方面，RIS 增强的 ID-SR 与 WORIS、WOBRx 及传统 SR 基线相比表现如何？

主要发现

• 所提 PBCD 算法收敛快速，在约束等式残差大约 10 次迭代内降至小于 1e-4。
• RIS 支撑的 ID-SR 相较传统 SR 基线在多种部署场景中实现了较低的发射功率。
• RIS 增强系统的发射功率在 PR 的数量 K 增长接近 Nt 时收敛到一个共同点，显示出相同广播下额外 PR 的边际成本在降低。

Fig. 2 : Symbols in the RIS-ID-SR system, where one secondary symbol period comprises $T$ primary symbols. Due to the weak power of the backscattered signal, the achievable rate at the BRx is lower than that at the PRx.