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面向6G的智能反射面无线通信综述.docx
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2022-07-06
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面向6G的智能反射面无线通信综述.docx
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【摘 要】不同于以往的无线通信技术,智能反射面可以通过智能控制传输环境来
提高系统频谱效率和能量效率,并具有低成本、易部署的优势,有望在未来 6G 通
信网络中发挥特别重要的作用。鉴于此,首先阐述 IRS 出现的背景、特点和优势,
然后综述 IRS 研究动态,并详细介绍 IRS 在性能分析、优化设计、信道估计以及
毫米波通信应用四个方面的研究进展,最后讨论 IRS 未来值得进一步探讨的研究
课题。作为即时的 IRS 总结,将会引起 IRS 研究人员的兴趣并取得更多的研究成
果。
【关键词】智能反射面;6G;无线通信;毫米波通信
0 引言
随着 5G 标准颁布,5G 网络开始在全球商用。可以预计,5G 移动通信系
统将支撑未来十年信息社会的无线通信需求,成为有史以来最复杂、最
庞大的通信网络,并将在多方面深刻影响社会发展及人类生活
[1-3]
。尽管
5G 尚处于规模商用起步阶段,相关技术特性还需要继续增强完善,但是
也有必要同步前瞻未来信息社会的通信需求,启动下一代移动通信系统
(6G)技术的研究。就像从十年前看 5G 技术一样,未来 6G 技术似乎也
只是当前 5G 的延伸。但是,新的用户需求、新的应用场景以及新的网络
趋势将会带来更具挑战性的通信工程问题,因此需要全新的通信模式,
尤其是在物理层。6G 目标是满足十年后的信息社会需求,所以 6G 愿景
应是现有 5G 不能满足而需要进一步提升的需求
[3-4]
。
5G 的目标实现离不开大规模 MIMO、毫米波通信与超密集网络这三个关键
技术的强力支持
[1-2]
。然而,这些技术面临着两个主要的实际限制:一是
它们消耗大量的能量,这是实施中的一个关键问题;二是由于缺乏对无
线传播信道的控制,它们难以在恶劣的传播环境中为用户提供不间断的
连接和令人满意的服务质量。例如,为使网络密集化,需要增密基站,
从而造成网络的总能耗线性增加。一个射频链通常包括多个有源部件,
如数模转换器和低噪声放大器,因此当大规模 MIMO 天线阵列中的每个有
源天线元件连接成一个射频链时,系统的总成本和能量消耗非常高。此
外,当无线传播环境表现出很差的散射性时,大规模 MIMO 性能会受到严
重影响。虽然毫米波频带很宽,但毫米波信号传播路径损耗相当大,且
容易被物体阻挡。
上述两个实际限制促使未来需要发展出既可控制传播环境又可持续发展
的绿色通信网络,最近一种崭新的技术引起了无线通信领域的普遍关注:
智能反射面(IRS, Intelligent Reflecting Surface)。IRS 能够突破
这两个实际限制,已被列入 6G 潜在关键技术。
1 智能反射面介绍
IRS 也称可重构智能面(RIS, Reconfigurable Intelligent Surface)、
大型智能面(LIS, Large Intelligent Surface)、软件定义面(SDS,
Software-Defined Surface)。根据研究领域和角度不同,IRS 还有其它
多种多样的称号
[5-10]
。
IRS 是由很多个低成本、无源反射单元构成的表面,其所用电磁材料可
以是先进的超材料
[5]
。IRS 既可以安放在建筑物表面上或街道路灯柱、
广告板上,也可以安放在室内棚顶、墙壁上,甚至还可以灵活地安放在
家具、衣物等上。其每个反射单元可以控制入射信号,可以改变的参数
有相位、幅度、频率,甚至极化方向。目前讨论最多、最便于实践的是
改变相位
[6]
。如图 1 所示,即使在直线链路很不畅通的情况下,IRS 通
过智能重构传播环境也可以形成良好的传播途径,从而显著提高无线网
络的传输性能。
IRS 通过控制传播环境能够扩展无线网络覆盖范围,提升无线网络频谱
效率和能量效率。除了智能改善无线传输环境外,IRS 通信技术其它的
一些突出优点可归纳如下
[7-9]
:
(1)IRS 器件可以很方便地部署在室内、室外任何地方;
(2)IRS 只控制反射,耗能少、电磁污染小,符合未来绿色通信要求;
(3)IRS 可以提高定位精度,增强物理层安全,支持全双工、全频带传
输技术;
(4)IRS 低成本、易实现,便于应用在各种无线网络中,如物联网、车
联网等。
IRS 与快速发展中大规模 MIMO 技术密切相关,特别是与传统 MIMO 技术
相结合,就可以形成一种富有发展前景的大规模 MIMO 2.0
[9,11]
。另一方
面,从信号处理和数学描述上看,IRS 辅助无线系统类似于协作中继系
统;但是从物理实现上看,两者则有明显区别,协作系统的中继要配有
源天线元件才能产生新的中继信号
[6,12]
。
尽管当今 5G 无线通信可以具有动态调整的能力,但其对应的无线传播环
境是随机的、不可控的,而 IRS 技术则相反,可以智能控制无线传输环
境。基于 IRS 的智能无线通信是一项革新的技术,由于该技术具有从根
本上改变当今无线网络设计和优化方式的潜力,所以会在未来 6G 通信网
络中发挥特别重要的作用
[9-11]
。鉴于此,国内外很多高校、研究机构纷
纷开展了 IRS 研究。2021 年初国家自然科学基金委信息科学部还将“智
能反射面辅助的移动通信理论与技术”研究列入重点项目立项领域,下
面将详细介绍 IRS 研究进展情况。
2 智能反射面研究进展
2.1 国内外研究概述
IRS 技术属通信技术、电子技术、智能科学、物理学以及材料科学的交
叉研究领域。IRS 是由超材料构成的超表面,对于无线网络的 IRS 应用,
超表面的可重构特性是基本的要求,以便根据无线环境的变化来调整自
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资源评论
- zdd_df2023-01-05简直是宝藏资源,实用价值很高,支持!
- bujideyuhefeng2023-02-19资源很赞,希望多一些这类资源。
- 2301_769758662023-06-15资源很受用,资源主总结的很全面,内容与描述一致,解决了我当下的问题。
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