研究背景
從1G到5G，無線信道通常被認(rèn)為是無線通信系統(tǒng)中不可調(diào)控的部分。近年來，隨著超材料技術(shù)的快速發(fā)展，智能超表面技術(shù)（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）因其具有調(diào)控?zé)o線信道的能力，為通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的范式，是未來6G中頗有前景的關(guān)鍵技術(shù)之一。
圖1. 部署智能超表面（RIS）改變無線信道
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問題與挑戰(zhàn)
智能超表面技術(shù)在理論上帶來與表面單元數(shù)的平方成正比的信噪比增益（對應(yīng)更高的系統(tǒng)容量），比大規(guī)模MIMO可實(shí)現(xiàn)的信噪比增益更高，這也是該技術(shù)備受關(guān)注的主要原因之一。然而，該技術(shù)同時(shí)也引入了“乘性衰落”效應(yīng)，即RIS反射路徑的衰減與基站到RIS以及RIS到用戶這兩段路徑長度的乘積（而不是其加和）的平方成正比，這將嚴(yán)重“吃掉”RIS帶來的增益。因此，RIS只能在直射徑被遮擋的非典型通信場景下獲得可觀的容量增益，而在直射徑較強(qiáng)的典型通信場景中，現(xiàn)有的無源RIS能夠帶來的實(shí)際容量增益是微不足道的（如圖2所示，非典型場景下的容量增益為65%，但典型場景下的增益只有3%）。現(xiàn)有絕大部分研究都忽略了這一制約RIS廣泛應(yīng)用的基本問題（比如通常假設(shè)直射路徑不存在，或者其衰減因子明顯高于RIS反射路徑）。
圖2. 現(xiàn)有的無源RIS難以在典型場景下獲得可觀的增益
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創(chuàng)新方法
為解決上述制約RIS廣泛應(yīng)用的基本問題，我們提出了有源RIS這一新概念及其對應(yīng)的信號模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。如圖3所示，與現(xiàn)有的無源RIS只能被動(dòng)地反射信號而不能對其進(jìn)行放大不同，有源RIS通過在每個(gè)（或者部分）RIS單元上集成額外的反射式功放，從而對反射信號進(jìn)行調(diào)控的同時(shí)，還能對其進(jìn)行高增益的放大。
圖3. 無源RIS vs. 有源RIS
對于有源RIS，由于其引入了有源器件，其引入的噪聲不再像無源RIS那樣可忽略，故其信號模型與無源RIS也明顯不同。為此，我們構(gòu)建了包含有源噪聲將被如何放大的有源RIS信號模型。為了驗(yàn)證這一信號模型的正確性，我們研制了一個(gè)工作于現(xiàn)有5G主流頻段3.5GHz的64單元有源RIS（見圖4），并搭建了測試平臺（見圖5），通過實(shí)測數(shù)據(jù)對信號模型進(jìn)行回歸分析和驗(yàn)證。測試結(jié)果表明（見圖5），有源RIS能以一定功耗為代價(jià)，對反射信號進(jìn)行高達(dá)25dB的放大，同時(shí)由于有源器件的引入，有源RIS也會引入并放大噪聲，從而驗(yàn)證了我們構(gòu)建的有源RIS信號模型的正確性。
圖4. 研制的3.5GHz有源RIS
進(jìn)一步，基于上述有源RIS信號模型，我們從理論上定量分析了有源RIS帶來的系統(tǒng)容量極限，并給出了有源RIS輔助的MIMO系統(tǒng)的容量最大化問題。我們也提出了一種聯(lián)合發(fā)射和反射預(yù)編碼的算法來解決這一問題。
仿真結(jié)果表明，與沒有部署RIS這一共同基線相比，現(xiàn)有的無源RIS在典型應(yīng)用場景中僅能實(shí)現(xiàn)約3%的容量增益，而我們提出的有源RIS可獲得129%的顯著容量增益，從而有效克服了RIS“乘性衰落”效應(yīng)。相比于現(xiàn)有的無源RIS，有源RIS在典型和非典型場景下均能獲得顯著的性能增益，并遠(yuǎn)高于無源RIS可獲得的性能增益，故有望在未來6G系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
