闻道洛阳花正好，家家遮户春风。道人饮处百壶空。年年花下醉，看尽几番红。
此拐又从何处去，飘蓬一任西东。语声虽异笑声同。一轮清夜月，何处不相逢。
---- 临江仙·与刘拐
更多精彩内容请关注微信公众号 “优化与算法”
摘要
(~~~~~~)智能反射面（IRS）是一种全新的革命性技术，它可以通过在平面上集成大量低成本的无源反射元件，智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能。具体地说，IRS的不同元件可以通过控制其幅度和/或相位来独立地反射入射信号，从而协同地实现用于定向信号增强或零陷的精细的三维（3D）无源波束形成。在本文中，我们概述了IRS技术，包括其在无线通信中的主要应用、与现有技术相比的竞争优势、硬件架构以及相应的新的信号模型。与仅由有源元件组成的传统网络相比，我们着重讨论了在设计和实现新的IRS辅助的混合（包括有源元件和无源元件）无线网络方面的关键挑战。数值计算结果表明，IRS在典型的无线网络中的应用大大提高了系统的性能。
1 引言
(~~~~~~)得益于诸如超密网络（UDN）、大规模多输入多输出（MIMO）、毫米波（mmWave）通信等各种关键技术的支持，即将到来的第五代（5G）无线网络已实现了1000倍网络容量增加和至少1000亿个设备的普遍无线连接目标。然而，所需的高复杂度和硬件成本以及增加的能耗仍然是关键问题，仍然没有解决。例如，在UDN中密集部署基站（BSs）或接入点（AP）不仅会增加硬件开销和维护成本，而且还会加剧网络干扰问题。此外，如何为UDN提供可靠的、可扩展的回程传输是一项具有挑战性的工作，尤其是在没有完全光学覆盖的室内部署中。此外，将大规模MIMO从低于6 Ghz扩展到mmWave频带通常需要更复杂的信号处理以及更昂贵和能耗更高的硬件（例如，射频（RF）链）。因此，研究如何为未来/5G以外的无线网络找到创新、频谱和节能且经济高效的解决方案仍然势在必行。
(~~~~~~)此外，虽然5G物理层技术通常能够适应空间和时间变化的无线环境，但信号传播本质上是随机的，在很大程度上是不可控制的。基于上述原因，智能反射面（IRS）被认为是一种很有前途的新技术，可以通过软件控制反射来重新配置无线传播环境[3]-[6]。具体地说，IRS是由大量低成本无源反射元件组成的平面，每个元件能够独立地诱导入射信号的振幅和/或相位变化，从而协同实现精细的三维（3D）反射波束形成。与现有的发射机/接收机无线链路适配技术形成鲜明对比，IRS通过高度可控和智能信号反射主动地修改它们之间的无线信道。这为进一步提高无线链路的性能提供了新的自由度，为实现智能可编程无线环境铺平了道路。通过适当地调整3D被动波束形成，IRS反射的信号可以与来自其它路径的信号建设性地相加，以增强接收机处的期望信号功率，或者破坏性地消除诸如同信道干扰等不期望信号。由于IRS消除了发射RF链的使用，并且只在短距离内工作，因此它可以密集部署，具有可扩展的成本和低能耗，而无需在无源IRS之间进行复杂的干扰管理。
(~~~~~~)图1示出IRS辅助无线网络的几个典型应用。在图1（a）中，用户位于死区中，在死区中，用户与其服务BS之间的直接链路被障碍物严重阻塞。在这种情况下，部署与基站和用户有明确联系的IRS有助于通过智能信号反射绕过障碍物，从而在它们之间创建虚拟视线（LoS）链接。这对于极易受室内阻塞影响的mmWave通信中的覆盖范围扩展特别有用。图1（b）示出了IRS用于改进物理层安全性的使用。当从BS到qietingqi的链路距离小于到合法用户（例如，用户1）的链路距离时，或者qietingqi位于与合法用户（例如，用户2）相同的方向时，可实现的保密通信速率高度受限（即使在后一种情况下通过在BS处采用发射波束成形）。然而，如果IRS部署在qietingqi附近，则IRS反射的信号可以被调谐以抵消来自qietingqi处的BS的（非IRS反射的）信号，从而有效地减少信息泄漏。在图1（c）中，对于同时遭受来自其服务BS的高信号衰减和来自相邻BS的严重同信道干扰的小区边缘用户，可以在小区边缘部署IRS，通过适当地设计其反射波束成形，不仅有助于提高期望的信号功率，而且有助于抑制干扰，从而在其附近形成“信号热点”和“无干扰区”。图1（d）示出了IRS用于实现大规模设备到设备（D2D）通信的使用，其中IRS充当信号反射集线器，以支持通过干扰抑制的同时低功率传输。最后，图1（e）示出了IRS在物联网（IoT）网络中实现对杂项设备的同时无线信息和功率传输（SWIPT）的应用[7]，其中，IRS的大孔径被用来补偿通过无源波束形成到附近物联网设备的远距离显著功率损失，以提高向其无线功率传输的效率。
(~~~~~~)除了上述有希望的应用之外，从实现的角度来看，IRS还具有诱人的优势。首先，IRSs通常是用低轮廓、轻重量和共形几何形状制作的，这使得很容易在墙壁、天花板、建筑立面、广告面板等上安装/移除它们。此外，由于IRS是一种补充设备 在无线网络中，将其部署在现有的无线系统（例如蜂窝或WiFi）中不需要更改其标准和硬件，而仅需对通信协议进行必要的修改即可。因此，将IRS集成到无线网络中可以对用户透明，从而提供与现有无线系统的高度灵活性和优越兼容性。因此，IRS可以以较低的成本在无线网络中实际部署和集成。
(~~~~~~)接下来，我们重点介绍与其他现有的与IRS相关的技术相比，IRS的主要差异以及竞争优势，即有源中继，反向散射通信和基于有源表面的大规模MIMO。首先，与通过信号再生和重传协助源目的地通信的有源无线中继相比，IRS不使用任何有源发射模块（例如，功率放大器），而仅将接收到的信号反射为无源阵列。此外，有源中继通常以半双工模式运行，因此其频谱效率低于以全双工模式运行的IRS。尽管全双工中继也是可以实现的，但是它需要先进的强大的自干扰消除技术，而这些技术的实现成本很高。其次，IRS与传统的反向散射通信（例如通过识别从读取器发送的反射信号与读取器进行通信的射频识别（RFID）标签）不同，IRS用于促进现有的通信链接，而不是发送其自身的任何信息。因此，反向散射通信中的读取器需要在其接收器处实现自干扰消除，以解码标签的消息[9]。相比之下，在IRS辅助的通信中，直接路径信号和反射路径信号都可以携带相同的有用信息，因此可以在接收器处相干添加以提高解码的信号强度。第三，由于IRS的阵列架构（无源与有源）和操作机制（反射与传输）不同，因此它也不同于基于有源表面的大规模MIMO。
尽管IRS辅助无线网络具有许多优点，但它同时包含主动（BS、AP、用户终端）和被动（IRS）组件，因此与仅包含主动组件的传统网络有很大不同。这促使本文对IRS的信号模型、硬件结构、无源波束形成设计、信道捕获、节点部署等方面进行了综述。特别强调了设计和实现IRS辅助无线网络的主要挑战及其潜在解决方案，以启发未来的研究。数值结果也验证了IRS在典型无线应用中的有效性。
2 硬件架构
(~~~~~~)IRS的硬件实现基于“元表面”的概念，该概念由数字可控的二维（2D）元材料构成[10]。具体地说，亚表面是由大量元素或所谓的亚原子组成的平面阵列，其电厚度按感兴趣工作频率的子波长的顺序排列。通过适当设计元件，包括几何形状（如方形或开口环）、尺寸/尺寸、方向、排列等，可以相应地修改其单个信号响应（反射振幅和相移）。在无线通信应用中，每个单元的反射系数都应该是可调的，以适应用户移动性产生的动态无线信道，从而要求实时可重构。这可以通过利用电子设备来实现，例如正内禀负（PIN）二极管、场效应晶体管或微电子机械系统（MEMS）开关。如图2所示，IRS的典型架构可以由三层和智能控制器组成。在外层，大量的金属片（元件）被印刷在介电基板上，与入射信号直接相互作用。在该层的后面，使用铜板来避免信号能量泄漏。最后，内层是一个控制电路板，负责调整每个元件的反射振幅/相移，由附在IRS上的智能控制器触发。在实践中，现场可编程门阵列（FPGA）可以被实现为控制器，它还充当网关，通过单独的无线链路与其他网络组件（例如BSs、AP和用户终端）进行通信和协调，以便与它们进行低速率信息交换。
图2中还示出了单个元件结构的一个示例，其中PIN二极管嵌入在每个元件中。通过直流（DC）馈电线路控制其偏置电压，PIN二极管可以在等效电路中所示的“开”和“关”状态之间切换，从而产生相移差。因此，通过智能控制器设置相应的偏置电压，可以独立地实现IRS元件的不同相移。另一方面，为了有效地控制反射振幅，可在元件设计中采用可变电阻负载。例如，通过改变每个元件中电阻的值，入射信号能量的不同部分被耗散，从而在[0，1]中实现可控反射振幅。在实践中，期望对每个元件的振幅和相移具有独立的控制，为此，需要有效地集成上述电路。
(~~~~~~)Massive MIMO技术的推出推动了高速无线通信系统的发展，然而，无线系统的性能仍然取决于其信道。具体的说，发射机辐射的电磁波在到达接收机之前在信道中经历反射、折射、衍射和路径损耗。在传统通信中，信道被认为是不可控制的，因此通常对信道建立概率模型。事实上，很多研究工作中提出的大部分通信技术（如波束成形、分集、信道编码）都是为了在不改变信道行为的情况下抵消或利用信道的影响而设计的。相比之下，最近提出的IRS概念建立在控制电磁波在通信信道中的传播以提高通信系统的性能的基础上。具体的说，IRS是一个由若干微面元组成的元表面，这些微面元可以控制入射信号的相位。理想情况下，被控制的相位是连续的，但是元表面使用亚波长尺寸的若干离散“元素”来近似这一点，每个“元素”引起不同的相移。这样，当信号入射时，使得所有相移的联合效应是在选定方向上的放射光束。这类似于传统的相控阵的波束成形，但主要区别在于传统相控阵的相移不是在阵列中产生的。图3 描述了元原子间的不同相移模式如何导致入射信号在不同方向上作为光束反射。
3． IRS的应用
(~~~~~~)与无小区大规模MIMO系统和协作中继不同，协作中继通常使用有源组件来改善传播环境，IRS则只需要很小的操作功率，因此适合在能量有限的系统中实现。例如，当微元的尺寸为8×8mm时，其能量消耗仅为125mW/m2，这比许多现有的无线通信设备要低很多。此外，IRS可以是很薄的材料，允许在建筑外墙、天花板等地方部署。因此，IRS很适用于机场航站楼、体育馆等场所。而且IRS与现有常规网络之间兼容性良好，即在现有网络中，可以灵活部署IRS来增强当前通信网络的性能。
(~~~~~~)在实际中，IRS在传统MIMO系统中的部署有助于图4所示的两种波束成形。在图4（a）中，在协助多天线发射机和用户之间的通信的系统中部署了一个IRS。信息信号从发射器发出，发射机和用户之间可能存在通信的直接路径，并且在发射机上进行波束成形以改善用户的信号接收。同时，由于无线信道的广播性质，信号也被IRS接收，此时IRS将反射该信号，借助于IRS控制器，可以控制反射的主方向。特别是，在所有的元表面上引入适当的相移，以建设性地创建它们各自散射的信号的相干组合，从而创建聚焦于用户的信号束，表面越大，光束就越窄，这种策略也被称为能量聚焦。另一方面，如果由于严重阴影或阻塞而不存在直接路径，则发射机应该执行相对于IRS的波束成形。然后，IRS可以充当非放大继电器，将事件信号反射并聚焦到用户，以协助端到端通信。在图4（b）中，考虑在用户2存在的情况下，多天线发射机为用户1服务的场景。我们假设这两个用户具有不同的安全许可级别，其中用户1的消息不应在用户2处被解码。在这种情况下，可以通过调整散射信号的相位来在IRS处执行破坏性反射，以使用户2处的信号为零。这种策略被称为能量置零。这两种波束形成技术有着广泛的应用，如物理层安全、干扰管理、覆盖扩展、容量改进等。
3．参考文献
[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.
更多精彩内容请关注微信公众号 “优化与算法”
