可重构智能表面辅助的通信信号处理技术

可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)通过在平面上集成大量低成本无源反射元件,实现对无线传输环境的智能配置,从而显著提高无线通信网络的性能。具体来讲,RIS上的不同反射元件可以通过控制振幅和/或相位来独立反射入射信号,从而协同实现三维波束赋形,实现信号的增强或减弱。与其他类似技术形成鲜明对比的是,RIS通过高度可控地智能信号反射主动修正无线传输信道,来增强期望信号功率,或减小信道干扰,为进一步提升无线通信网络的性能提供了全新优化自由度。此外,RIS重量轻、体积小,很容易在墙壁、天花板、建筑物表面等实现安装、移除,具有可重复利用性;RIS的硬件结构通常比小型有源基站和中继简单,因此易于进行低成本快速部署。最后,RIS是一种补充设备,将其部署在现有无线系统中不需要更改相应标准和硬件,仅需对通信协议进行必要修改。基于以上优势,RIS引起了广泛关注,工业界、学术界对其开展了大量研究工作,包括传输协议设计、系统容量分析、能量/频谱效率分析、物理层安全、调制/编码方案设计等。尽管优点众多,但实现RIS与现有无线通信系统的完美融合,依然面临诸多挑战。首先,在RIS辅助的无线通信系统中,基站和RIS的主被动联合优化波束赋形是保证系统性能的基础。RIS由于结构特殊,无法对入射信号进行处理,只能被动的反射入射信号,此外,RIS反射元件数量巨大,导致发射机主动波束成形和RIS被动反射设计的联合优化非常复杂、耗时。因此,RIS辅助的无线通信系统设计面临两大亟需解决的关键问题:(1)如何设计低复杂度优化方法以实现基站和RIS主被动波束赋形的联合设计;(2)在RIS辅助的无线通信系统中,如何设计合理的协作传输方案,以实现系统性能的最优化。本文针对以上问题,着重探讨了RIS辅助的无线通信系统低复杂度信号处理技术,从单RIS辅助无线通信场景扩展到多RIS辅助协作通信场景,探讨适合大规模RIS辅助系统的低复杂度设计方法,推动RIS在实际场景中的部署应用。