智能超表面近场通信的机遇与挑战

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。     

基于大规模可重构智能表面的近远场混合信道模型

近来,可重构智能表面(RIS)作为一种全新的革命性技术引起了学术界和工业界的广泛关注。随着通信频率的提高以及RIS孔径的增大,RIS辅助无线通信的工作条件逐渐靠近天线的近场辐射模式,而非仅仅存在传统意义中的远场辐射。单独考虑远场或者近场的信道模型均无法准确刻画RIS辅助无线通信的传输特性,造成性能损失。针对此问题,该文梳理了大规模RIS辅助通信近场和远场信道模型,通过引入权重因子,构建了大规模RIS辅助无线通信场景下近远场混合信道模型。在此基础上,推导了近远场混合信道模型下系统的增益与损耗,并进行鲁棒性分析,仿真结果表明该混合模型带来的系统增益与模型鲁棒性均显著提升。     

一种应用于无线网络通信智能超表面的设计

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为未来无线通信关键技术之一,在无线通信网络中发挥着重要的作用。在基站与终端的无线环境中引入智能超表面,对无线环境进行可编程,能够显著提高网络覆盖区信号强度、用户速率以及网络容量。介绍了智能超表面单元模型及PIN管相应的等效电路,设计了一种与现有基站极化方向相匹配的各单元独立可调的反射式智能超表面,通过仿真设计,每个智能超表面单元可以实现1 bit调相。在此基础之上,根据阵列智能超表面单元的散射场理论以及每个单元状态矩阵,通过算法优化,可以得出实现不同角度反射电磁波的码本(每个基本单元需要控制PIN的状态),并且通过工程实践以及实测,不同的码本能够实现不同角度的反射电磁波出射,工程上验证了反射式智能超表面具有对电磁波进行波束控制调整的能力,能够实现对无线环境的传输信道优化。     

多个可重构智能表面辅助的双向通信系统中断概率分析

可重构智能表面(RIS)可以智能地改变无线传播环境来显著提高通信性能,被视为6G的潜在关键技术之一。为了进一步提升RIS辅助通信系统的性能,该文提出一种双向RIS选择方案,通过引入全双工技术和自干扰消除技术,有效提高了系统传输效率。研究了所提方案在瑞利衰落信道下的中断性能,推导了所提系统的中断概率的闭合表达式,得到了系统中断概率与系统中RIS反射单元的数量、RIS个数等系统参数之间的函数关系。最后,蒙特卡罗仿真验证了推导的准确性和所提方案的性能优势。     

TD-SCDMA系统混合业务下的无线资源管理算法研究

给出了智能天线技术在系统级研究的理论模型，推导了采用多用户检测和自适应智能天线技术后的容量和负载评估理论模型。基于该模型，给出了一种新的接入控制算法，并为实时多媒体业务提出了一种先进的动态信道分配算法。仿真结果表明，提出的理论模型和无线资源管理算法适用于TD-SCDMA系统，能够显著提高系统性能，用于实际TD-SCDMA网络的规划优化。     

基于RIS的室内无线通信信号增强系统

利用可重构智能表面（RIS）对电磁波反射特性的动态调控能力,构建了室内无线通信信号增强系统,可以实现室内信号弱覆盖盲区的接收端信号增强。首先,设计了具有动态可调相位特性的RIS单元,通过2个开关二极管的通断组合实现了2 bit反射相位的动态变化。然后,实验验证了RIS对出射电磁波束方向的动态调控。最后,通过上位机和现场可编程门阵列（FPGA）实现了RIS编码的智能调控,并利用RIS口径上的反射相位分布实现了出射波束的动态改变,同时结合遍历预编码的优化方法,实验证明了室内接收信号功率的增强效果。仿真分析及实验结果均表明,所设计的RIS系统能够有效动态提升室内无线信号覆盖质量,其接收信号功率平均提升8.9 dB,最大可达22 dB,有望为5G及新一代通信网络优化提供基础硬件技术支撑。     

仓储场景中基于无线标签的三维定位方法

仓储行业在面向智能化发展中面临因无法获取物资的室内位置信息而导致出库、入库难等问题，为实现对物资准确定位，该文提出一种基于无线标签的目标3维定位方法。设计的无线标签安置在待定位物资上，将来自发射机正交频分复用(OFDM)信号反射到具有均匀面阵(UPA)天线阵列的接收机，进行多通道的信道估计后，利用分步的稀疏恢复算法实现高维无线信道参数估计，并结合发射机、标签和接收机的空间几何位置，建立标签位置的优化问题，最后采用群智能算法搜索得到目标准确的3维位置。为验证系统，实现了标签及收发机原型，实测结果表明，目标的中值3维定位精度达到0.53 m。     

智能反射面赋能的联邦边缘学习及其在车联网中的应用

针对无线链路和数据分布的异构性导致在FEEL训练中很难实现无线通信和模型精度的最佳权衡的问题，提出了一种智能反射面（RIS）赋能的空中联邦边缘学习系统，其利用智能反射面的信道可重构性自适应地配置信号传播环境，并利用空中计算实现联邦边缘学习模型的快速聚合。具体来说，首先刻画无线信道和数据异构影响下的联邦优化算法收敛行为，并以此构造统一的无线资源优化问题，通过联合设计收发端波束成形方案和RIS相移来优化学习性能。仿真结果验证了所提方案的有效性，并证明RIS可以在数据异构前提下提高空中联邦边缘学习系统准确性。最后，探讨了其在车联网中应用的可能性。     

智能天线系统中动态信道分配算法性能研究

在讨论了智能天线技术对动态信道分配算法性能影响的基础上,通过对智能天线系统下的动态信道分配算法进行仿真研究,与没有利用智能天线技术时的动态信道分配算法比较,两种情况在接收端误比特率的分析,说明采用智能天线技术时,能够在很大程度上改善系统在接收端的误比特率指标。     

新型可重构分布式天线与反射面：性能分析与原型验证

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。     

基于强化学习的智能超表面辅助无人机通信系统物理层安全算法

该文从物理层安全的角度出发研究了智能超表面(RIS)辅助的无人机(UAV) 3D轨迹优化。具体地说,当RIS辅助的UAV向地面用户进行无线传输时,通过联合优化RIS相移和UAV的3D轨迹来最大化物理层安全速率。然而,由于目标函数是非凸的,传统的优化技术很难直接求解。深度强化学习能够处理无线通信中动态复杂的优化问题,该文基于强化学习双深度Q网络(DDQN)设计一种联合优化RIS相移和无人机3D轨迹算法,最大化可实现的平均安全速率。仿真结果表明,所设计的RIS辅助UAV通信优化算法可以获得比固定飞行高度的连续凸逼近算法(SCA)、随机相移下的RIS算法和没有RIS的算法有更高的安全速率。     

基于智能超表面的6G近场网络构建

近年来,近场传播特性的研究备受关注,尤其是基于RIS的近场技术成为研究的热点。目前尚缺乏对基于RIS的近场技术进行全面梳理的文献。首先简要概述了近场技术的基本概念,然后分别从三个方面系统地梳理了基于RIS的近场技术研究进展及挑战,包括RIS构建泛在的近场无线传播环境、使能6G网络的近场新范式以及基于RIS的近场技术面临的挑战等。通过技术梳理,期望对RIS和近场技术研究工作起到推进作用。     

基于自适应噪声抵消的无线传感网络信道优化

无线传感器网络通信技术广泛应用在物联网近场通信、水声通信等领域。无线传感网络通信信道受到多途干扰,导致信道失衡,需要进行信道均衡模型设计。提出一种基于自适应噪声抵消的无线传感器网络通信信道优化技术,首先构建了无线传感器网络通信的信道模型,对无线传感器网络信道传播过程中衰减损失和各条路径的信号进行重组,采用自适应噪声抵消算法进行信道的多途干扰滤波,结合最小二乘（ RLS）准则算法进行无线传感器网络通信信道均衡设计。仿真结果表明,采用该通信信道均衡技术能有效提高无线传感器网络通信的信道质量,降低通信传输失真和误比特率,实现信道自适应均衡,提高通信的抗干扰能力。     

基于TDOAs与GROAs的多信号源被动定位

为提高感知节点位置模糊条件下多目标被动定位结果精度,提出基于TDOAs与GROAs的混合定位代数闭式解算法,该算法联合估计未知信号源位置与带误差感知节点位置,利用TDOAs与GROAs所包含的相同感知节点位置误差信息提升定位精度,并推导得到基于TDOAs与GROAs多目标混合定位的克拉美罗下界(CRLB),仿真结果表明,所提算法能较好的达到CRLB,并且GROAs信息的引入给多目标定位精度带来明显性能提升.     

基于智能天线和资源预留的抗基站间干扰DCA分配算法

本文针对TD-SCDMA系统在次叉时隙间快速动态信道分配算法的不足,提出了一种基于智能天线和优级信道预留的快速动态信道分配算法。该算法在进行资源整合的基础上将信道条件较好的用户分配于交叉时隙,同时尽量分配多址干扰小的时隙给用户,从而达到减少交叉时隙干扰,提高频谱效率的目的,仿真结果表明该算法能够有效增加系统容量,改善系统性能。     

TD-SCDMA无线定位虚拟线阵修正MUSIC算法的研究

TD-SCDMA无线定位的智能天线圆-角定位技术中,DOA算法为其核心。本文针对基于TD-SCDMA智能天线预处理后的虚拟均匀线阵MUSIC算法不适用于相关信号源的DOA估计的特点,提出了基于模式空间虚拟均匀线阵修正MUSIC算法,解决了相关信号源DOA估计的问题,并分析了其性能。     

智能超表面技术于通信系统中的应用研究

智能超表面(RIS)技术是一种新兴的无线通信技术,RIS是由许多微小反射元件组成的表面,这些元件可以根据通信需求来重新配置和调整,旨在改善和优化射频信号传输。文章主要论述了无线通信现有技术面临的问题和智能超表面技术的应用前景。探讨了RIS在室内通信、城市环境等情况下的应用优势以及RIS所面临的技术挑战。未来,RIS技术在信道建模、信道估计和网络部署等方面的潜在研究将推动智能超表面技术的发展,并为无线通信系统的优化和创新提供更多的可能性。     

TD-LTE基站智能天线性能分析

多天线技术是移动通信技术发展的重要趋势,是实现移动通信系统高容量、高频谱效率的重要手段.LTE系统引入了多向多天线技术,并定义了多种多天线的工作模式,其中基于非码本预编码的智能天线是TD-LTE的核心技术,可以充分利用TDD的上下行信道互易性,显著提升系统的吞吐量和频谱效率.本文从理论上给出了2天线及8天线在TD-LTE系统性能上的差异,并且分析了8天线智能天线技术在实际应用中可能面临的挑战,从广播信道的无功率加权、下行链路质量估计补偿、SRS协调发送、多用户配对算法优化、接收机性能增强等角度对智能天线的产品实现进行优化,可提升性能10％～30％.     

IRS辅助的共生无线电系统鲁棒优化算法设计

共生无线电技术可用于提高频谱效率与能量效率,但其中物联网接收机的接收信号强度较弱,在共生无线电系统中部署智能反射表面是针对该问题的一种有效解决方案。首先,在完美信道状态信息可知时,考虑基站信息速率要求、反射单元相移的约束、反向散射设备的解码顺序与反射系数的约束,联合优化无源波束赋形与反向散射设备的反射系数来最大化所有反向散射设备中最小的吞吐量。然后,考虑到系统中的实时完美信道状态信息很难获得的问题,提出了针对不完美信道状态信息的鲁棒优化算法。仿真结果验证了智能反射表面可使共生无线电系统性能大幅提升,相较于保守方法,所提的鲁棒优化算法可降低不完美信道状态信息造成的性能下降。     

全双工主动窃听非正交多址接入系统智能超表面辅助物理层安全传输技术

针对全双工被动窃听和主动干扰攻击下的多用户非正交多址接入(NOMA)系统,该文提出一种智能超表面(RIS)辅助的鲁棒波束赋形方案以实现物理层安全通信。考虑在仅已知窃听者统计信道状态信息的条件下,以系统传输中断概率和保密中断概率作为约束,通过联合优化基站发射波束赋形、RIS相移矩阵、传输速率和冗余速率,来最大化系统的保密速率。为解决上述多变量耦合非凸优化问题,提出一种有效的交替优化算法得到联合优化问题的次优解。仿真结果表明,所提方案可实现较高的保密速率,且通过增加RIS反射单元数,系统保密性能更佳。