智能反射表面（可重構智能表面）Large Intelligent surface 最新綜述整理

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聞道洛陽花正好，家家遮戶春風。道人飲處百壺空。年年花下醉，看盡幾番紅。
此拐又從何處去，飄蓬一任西東。語聲雖異笑聲同。一輪清夜月，何處不相逢。
---- 臨江仙·與劉拐

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摘要
\(~~~~~~\)智能反射面（IRS）是一種全新的革命性技術，它能夠經過在平面上集成大量低成本的無源反射元件，智能地從新配置無線傳播環境，從而顯著提升無線通訊網絡的性能。具體地說，IRS的不一樣元件能夠經過控制其幅度和/或相位來獨立地反射入射信號，從而協同地實現用於定向信號加強或零陷的精細的三維（3D）無源波束造成。在本文中，咱們概述了IRS技術，包括其在無線通訊中的主要應用、與現有技術相比的競爭優點、硬件架構以及相應的新的信號模型。與僅由有源元件組成的傳統網絡相比，咱們着重討論了在設計和實現新的IRS輔助的混合（包括有源元件和無源元件）無線網絡方面的關鍵挑戰。數值計算結果代表，IRS在典型的無線網絡中的應用大大提升了系統的性能。

1 引言
\(~~~~~~\)得益於諸如超密網絡（UDN）、大規模多輸入多輸出（MIMO）、毫米波（mmWave）通訊等各類關鍵技術的支持，即將到來的第五代（5G）無線網絡已實現了1000倍網絡容量增長和至少1000億個設備的廣泛無線鏈接目標。然而，所需的高複雜度和硬件成本以及增長的能耗仍然是關鍵問題，仍然沒有解決。例如，在UDN中密集部署基站（BSs）或接入點（AP）不只會增長硬件開銷和維護成本，並且還會加重網絡干擾問題。此外，如何爲UDN提供可靠的、可擴展的回程傳輸是一項具備挑戰性的工做，尤爲是在沒有徹底光學覆蓋的室內部署中。此外，將大規模MIMO從低於6 Ghz擴展到mmWave頻帶一般須要更復雜的信號處理以及更昂貴和能耗更高的硬件（例如，射頻（RF）鏈）。所以，研究如何爲將來/5G之外的無線網絡找到創新、頻譜和節能且經濟高效的解決方案仍然勢在必行。

\(~~~~~~\)此外，雖然5G物理層技術一般可以適應空間和時間變化的無線環境，但信號傳播本質上是隨機的，在很大程度上是不可控制的。基於上述緣由，智能反射面（IRS）被認爲是一種頗有前途的新技術，能夠經過軟件控制反射來從新配置無線傳播環境[3]-[6]。具體地說，IRS是由大量低成本無源反射元件組成的平面，每一個元件可以獨立地誘導入射信號的振幅和/或相位變化，從而協同實現精細的三維（3D）反射波束造成。與現有的發射機/接收機無線鏈路適配技術造成鮮明對比，IRS經過高度可控和智能信號反射主動地修改它們之間的無線信道。這爲進一步提升無線鏈路的性能提供了新的自由度，爲實現智能可編程無線環境鋪平了道路。經過適當地調整3D被動波束造成，IRS反射的信號能夠與來自其它路徑的信號建設性地相加，以加強接收機處的指望信號功率，或者破壞性地消除諸如同信道干擾等不指望信號。因爲IRS消除了發射RF鏈的使用，而且只在短距離內工做，所以它能夠密集部署，具備可擴展的成本和低能耗，而無需在無源IRS之間進行復雜的干擾管理。

\(~~~~~~\)圖1示出IRS輔助無線網絡的幾個典型應用。在圖1（a）中，用戶位於死區中，在死區中，用戶與其服務BS之間的直接鏈路被障礙物嚴重阻塞。在這種狀況下，部署與基站和用戶有明確聯繫的IRS有助於經過智能信號反射繞過障礙物，從而在它們之間建立虛擬視線（LoS）連接。這對於極易受室內阻塞影響的mmWave通訊中的覆蓋範圍擴展特別有用。圖1（b）示出了IRS用於改進物理層安全性的使用。當從BS到qietingqi的鏈路距離小於到合法用戶（例如，用戶1）的鏈路距離時，或者qietingqi位於與合法用戶（例如，用戶2）相同的方向時，可實現的保密通訊速率高度受限（即便在後一種狀況下經過在BS處採用發射波束成形）。然而，若是IRS部署在qietingqi附近，則IRS反射的信號能夠被調諧以抵消來自qietingqi處的BS的（非IRS反射的）信號，從而有效地減小信息泄漏。在圖1（c）中，對於同時遭受來自其服務BS的高信號衰減和來自相鄰BS的嚴重同信道干擾的小區邊緣用戶，能夠在小區邊緣部署IRS，經過適當地設計其反射波束成形，不只有助於提升指望的信號功率，並且有助於抑制干擾，從而在其附近造成「信號熱點」和「無干擾區」。圖1（d）示出了IRS用於實現大規模設備到設備（D2D）通訊的使用，其中IRS充當信號反射集線器，以支持經過干擾抑制的同時低功率傳輸。最後，圖1（e）示出了IRS在物聯網（IoT）網絡中實現對雜項設備的同時無線信息和功率傳輸（SWIPT）的應用[7]，其中，IRS的大孔徑被用來補償經過無源波束造成到附近物聯網設備的遠距離顯著功率損失，以提升向其無線功率傳輸的效率。
\(~~~~~~\)除了上述有但願的應用以外，從實現的角度來看，IRS還具備誘人的優點。首先，IRSs一般是用低輪廓、輕重量和共形幾何形狀製做的，這使得很容易在牆壁、天花板、建築立面、廣告面板等上安裝/移除它們。此外，因爲IRS是一種補充設備 在無線網絡中，將其部署在現有的無線系統（例如蜂窩或WiFi）中不須要更改其標準和硬件，而僅需對通訊協議進行必要的修改便可。所以，將IRS集成到無線網絡中能夠對用戶透明，從而提供與現有無線系統的高度靈活性和優越兼容性。所以，IRS能夠以較低的成本在無線網絡中實際部署和集成。
\(~~~~~~\)接下來，咱們重點介紹與其餘現有的與IRS相關的技術相比，IRS的主要差別以及競爭優點，即有源中繼，反向散射通訊和基於有源表面的大規模MIMO。首先，與經過信號再生和重傳協助源目的地通訊的有源無線中繼相比，IRS不使用任何有源發射模塊（例如，功率放大器），而僅將接收到的信號反射爲無源陣列。此外，有源中繼一般以半雙工模式運行，所以其頻譜效率低於以全雙工模式運行的IRS。儘管全雙工中繼也是能夠實現的，可是它須要先進的強大的自干擾消除技術，而這些技術的實現成本很高。其次，IRS與傳統的反向散射通訊（例如經過識別從讀取器發送的反射信號與讀取器進行通訊的射頻識別（RFID）標籤）不一樣，IRS用於促進現有的通訊連接，而不是發送其自身的任何信息。所以，反向散射通訊中的讀取器須要在其接收器處實現自干擾消除，以解碼標籤的消息[9]。相比之下，在IRS輔助的通訊中，直接路徑信號和反射路徑信號均可以攜帶相同的有用信息，所以能夠在接收器處相干添加以提升解碼的信號強度。第三，因爲IRS的陣列架構（無源與有源）和操做機制（反射與傳輸）不一樣，所以它也不一樣於基於有源表面的大規模MIMO。
儘管IRS輔助無線網絡具備許多優勢，但它同時包含主動（BS、AP、用戶終端）和被動（IRS）組件，所以與僅包含主動組件的傳統網絡有很大不一樣。這促使本文對IRS的信號模型、硬件結構、無源波束造成設計、信道捕獲、節點部署等方面進行了綜述。特別強調了設計和實現IRS輔助無線網絡的主要挑戰及其潛在解決方案，以啓發將來的研究。數值結果也驗證了IRS在典型無線應用中的有效性。

2 硬件架構

\(~~~~~~\)IRS的硬件實現基於「元表面」的概念，該概念由數字可控的二維（2D）元材料構成[10]。具體地說，亞表面是由大量元素或所謂的亞原子組成的平面陣列，其電厚度按感興趣工做頻率的子波長的順序排列。經過適當設計元件，包括幾何形狀（如方形或開口環）、尺寸/尺寸、方向、排列等，能夠相應地修改其單個信號響應（反射振幅和相移）。在無線通訊應用中，每一個單元的反射係數都應該是可調的，以適應用戶移動性產生的動態無線信道，從而要求實時可重構。這能夠經過利用電子設備來實現，例如正內稟負（PIN）二極管、場效應晶體管或微電子機械系統（MEMS）開關。如圖2所示，IRS的典型架構能夠由三層和智能控制器組成。在外層，大量的金屬片（元件）被印刷在介電基板上，與入射信號直接相互做用。在該層的後面，使用銅板來避免信號能量泄漏。最後，內層是一個控制電路板，負責調整每一個元件的反射振幅/相移，由附在IRS上的智能控制器觸發。在實踐中，現場可編程門陣列（FPGA）能夠被實現爲控制器，它還充當網關，經過單獨的無線鏈路與其餘網絡組件（例如BSs、AP和用戶終端）進行通訊和協調，以便與它們進行低速率信息交換。
圖2中還示出了單個元件結構的一個示例，其中PIN二極管嵌入在每一個元件中。經過直流（DC）饋電線路控制其偏置電壓，PIN二極管能夠在等效電路中所示的「開」和「關」狀態之間切換，從而產生相移差。所以，經過智能控制器設置相應的偏置電壓，能夠獨立地實現IRS元件的不一樣相移。另外一方面，爲了有效地控制反射振幅，可在元件設計中採用可變電阻負載。例如，經過改變每一個元件中電阻的值，入射信號能量的不一樣部分被耗散，從而在[0，1]中實現可控反射振幅。在實踐中，指望對每一個元件的振幅和相移具備獨立的控制，爲此，須要有效地集成上述電路。

\(~~~~~~\)Massive MIMO技術的推出推進了高速無線通訊系統的發展，然而，無線系統的性能仍然取決於其信道。具體的說，發射機輻射的電磁波在到達接收機以前在信道中經歷反射、折射、衍射和路徑損耗。在傳統通訊中，信道被認爲是不可控制的，所以一般對信道創建機率模型。事實上，不少研究工做中提出的大部分通訊技術（如波束成形、分集、信道編碼）都是爲了在不改變信道行爲的狀況下抵消或利用信道的影響而設計的。相比之下，最近提出的IRS概念創建在控制電磁波在通訊信道中的傳播以提升通訊系統的性能的基礎上。具體的說，IRS是一個由若干微面元組成的元表面，這些微面元能夠控制入射信號的相位。理想狀況下，被控制的相位是連續的，可是元表面使用亞波長尺寸的若干離散「元素」來近似這一點，每一個「元素」引發不一樣的相移。這樣，當信號入射時，使得全部相移的聯合效應是在選定方向上的放射光束。這相似於傳統的相控陣的波束成形，但主要區別在於傳統相控陣的相移不是在陣列中產生的。圖3 描述了元原子間的不一樣相移模式如何致使入射信號在不一樣方向上做爲光束反射。

3． IRS的應用
\(~~~~~~\)與無小區大規模MIMO系統和協做中繼不一樣，協做中繼一般使用有源組件來改善傳播環境，IRS則只須要很小的操做功率，所以適合在能量有限的系統中實現。例如，當微元的尺寸爲8×8mm時，其能量消耗僅爲125mW/m2，這比許多現有的無線通訊設備要低不少。此外，IRS能夠是很薄的材料，容許在建築外牆、天花板等地方部署。所以，IRS很適用於機場航站樓、體育館等場所。並且IRS與現有常規網絡之間兼容性良好，即在現有網絡中，能夠靈活部署IRS來加強當前通訊網絡的性能。

\(~~~~~~\)在實際中，IRS在傳統MIMO系統中的部署有助於圖4所示的兩種波束成形。在圖4（a）中，在協助多天線發射機和用戶之間的通訊的系統中部署了一個IRS。信息信號從發射器發出，發射機和用戶之間可能存在通訊的直接路徑，而且在發射機上進行波束成形以改善用戶的信號接收。同時，因爲無線信道的廣播性質，信號也被IRS接收，此時IRS將反射該信號，藉助於IRS控制器，能夠控制反射的主方向。特別是，在全部的元表面上引入適當的相移，以建設性地建立它們各自散射的信號的相干組合，從而建立聚焦於用戶的信號束，表面越大，光束就越窄，這種策略也被稱爲能量聚焦。另外一方面，若是因爲嚴重陰影或阻塞而不存在直接路徑，則發射機應該執行相對於IRS的波束成形。而後，IRS能夠充當非放大繼電器，將事件信號反射並聚焦到用戶，以協助端到端通訊。在圖4（b）中，考慮在用戶2存在的狀況下，多天線發射機爲用戶1服務的場景。咱們假設這兩個用戶具備不一樣的安全許可級別，其中用戶1的消息不該在用戶2處被解碼。在這種狀況下，能夠經過調整散射信號的相位來在IRS處執行破壞性反射，以使用戶2處的信號爲零。這種策略被稱爲能量置零。這兩種波束造成技術有着普遍的應用，如物理層安全、干擾管理、覆蓋擴展、容量改進等。

3．參考文獻
[1] Qingqing, W., & Rui, Z. (2019). Towards smart and reconfigurable environment: Intelligent reflecting surface aided wireless network. arXiv preprint arXiv:1905.00152.
[2] Zhang, J., Björnson, E., Matthaiou, M., Ng, D. W. K., Yang, H., & Love, D. J. (2019). Multiple antenna technologies for beyond 5G. arXiv preprint arXiv:1910.00092.

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