非正交多址接入的同步透射反射智能超表面信号增强算法

针对传统智能超表面无法透射信号的问题,利用同步透射反射智能超表面,提出了一种基于非正交多址接入的信号增强算法。同步透射反射智能超表面具有全向性的特点,可同时服务两侧的非正交多址接入用户。所提算法将同步透射反射智能超表面的信号与通信信号相干叠加,利用黎曼共轭梯度算法求解优化问题,理论上可大幅增强用户的信号功率,降低中断概率,提高频谱效率性能。由仿真结果可知,与不使用同步透射反射智能超表面相比,随机相位的同步透射反射智能超表面可以提高约3.6 bit/(s·Hz)的系统频谱效率。利用黎曼共轭梯度算法优化后,可进一步提高约2.3 bit/(s·Hz)的系统频谱效率,该结果验证了所提算法的优越性。

智能超表面辅助的通感一体化性能优化

为了解决因障碍物等遮挡导致的覆盖空洞和探测精度下降问题,提出了一种基于栅格化的智能超表面辅助的通感一体化优化方法。首先,建模了最小化均方位置误差问题,将弱通感区域和RIS可能部署区域栅格化以降低计算难度,并采用粒子群优化算法和交替优化算法联合优化智能超表面期望反射角角度和部署位置。最后,引入探测需求因子,建模通感性能联合优化问题,并分析了探测需求因子对系统通感性能的影响。仿真结果显示:(1)相较于仅优化期望反射角,联合优化智能超表面的期望反射角和部署位置的方案,在平均信噪比仅有略微下降的情况下,可显著降低平均均方位置误差,平均均方位置误差降低10倍左右;(2)不同尺寸大小的智能超表面会对其最佳部署位置有影响;(3)联合优化智能超表面的期望反射角和部署位置提高了探测精度,最大化了通感整体性能。

基于石墨烯的多功能超表面设计

为实现机载天线罩吸波/透射波/反射波功能一体化,设计了一种基于石墨烯和光电二极管(PIN)的宽带吸波/反射波/透射波多功能超表面。当PIN正向导通时,超表面对入射电磁波的透过率接近于0,反射率可以通过改变石墨烯的费米能级进行调节;当石墨烯的费米能级为0.3 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的吸收率超过了90%;当石墨烯能级为0 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的反射系数高达45%。当PIN反向截止时,超表面在4.76 GHz处出现了一个透射峰,石墨烯费米能级为0.3 eV和0 eV时的透射系数分别为61%和71%。设计的超表面具有结构简单、宽带吸波/反射波/透射波多功能等优点,在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景。

透射反射双功能RIS辅助的SWIPT系统研究

研究了一种透射反射双功能可重构智能表面(Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface,STAR-RIS)辅助的无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)系统。部署STAR-RIS以辅助从多天线接入点(Access Point,AP)到多个单天线信息解码接收器(Information Decoding Receiver,IDR)和能量收集接收器(Energy Harvesting Receiver,EHR)的信息或功率传输。目标是通过联合优化其发射预编码矩阵及STAR-RIS的反射和透射系数矩阵,在IDR可实现通信速率和EHRs的能量收集量约束下,使AP的发射功率最小化。然而,这个优化问题是非凸的,变量之间有着复杂的耦合。为了解决这一问题,采用交替优化算法解耦耦合的变量,对发射预编码矩阵及STAR-RIS的反射和透射系数矩阵可以分别使用半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)算法和基于惩罚的算法进行优化。仿真结果表明,STAR-RIS系统方案可以获得比传统的仅反射或仅透射RIS更好的性能。

基于超表面的透-反阵列天线综述

基于超表面技术设计的透-反阵列天线能够在不增加额外设计复杂度及器件整体尺寸的前提下,实现全空间范围内的电磁覆盖。该技术突破了传统透射阵和反射阵的覆盖极限,可提供更多区域、更大范围内的信号覆盖,推动物联网发展。为阐述透-反射阵列天线的工作机理,对基于超表面的透-反射阵列天线技术进行了综述,归纳了天线实现全空间辐射的设计方法,分析了不同设计方法的优势和不足,为透-反射阵列天线的发展方向提供思路,旨在为具有全空间电磁覆盖的超表面天线设计提供理论指导。

一种应用于无线网络通信智能超表面的设计

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为未来无线通信关键技术之一,在无线通信网络中发挥着重要的作用。在基站与终端的无线环境中引入智能超表面,对无线环境进行可编程,能够显著提高网络覆盖区信号强度、用户速率以及网络容量。介绍了智能超表面单元模型及PIN管相应的等效电路,设计了一种与现有基站极化方向相匹配的各单元独立可调的反射式智能超表面,通过仿真设计,每个智能超表面单元可以实现1 bit调相。在此基础之上,根据阵列智能超表面单元的散射场理论以及每个单元状态矩阵,通过算法优化,可以得出实现不同角度反射电磁波的码本(每个基本单元需要控制PIN的状态),并且通过工程实践以及实测,不同的码本能够实现不同角度的反射电磁波出射,工程上验证了反射式智能超表面具有对电磁波进行波束控制调整的能力,能够实现对无线环境的传输信道优化。

基于极化旋转的金属菱形结构超表面

一种基于金属菱形结构的宽频段可重构智能超表面RIS被提出。利用极化旋转超表面原理,通过金属菱形结构的方向变化,在4-33 GHz宽频段内,获得了一个高极化转换效率、反射相位在0°和180°之间的单元结构。根据远场散射原理,按照设定的编码序列对该单元结构有序排列可实现电磁波不同波束的远场散射。设计的超表面在未来的6 G中有潜在的应用价值。

新型可重构分布式天线与反射面:性能分析与原型验证

可重构分布式天线与反射面(Reconfigurable Distributed Antenna and Reflecting Surface, RDARS)作为一种新型的无线通信架构,可以为无线通信系统带来显著的性能增益。基于智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)可改变电磁特性,重构了无线传播环境,为系统引入“反射增益”的设计思想,将此设计理念融入分布式天线系统(Distributed Antenna System, DAS),提出了为DAS的射频远端单元(Remote Radio Unit, RRU)赋予反射功能的新型RDARS架构。利用控制电路,RDARS中的每个单元可灵活切换“反射态”与“连接态”。低功耗的“反射态”单元反射信号为无线网络引入“反射增益”,“连接态”单元发射或接收信号获得“分布式增益”。基站与RDARS的联合设计可适配不同的通信需求,实现性能与功耗之间的平衡并显著提升系统性能。通过理论分析、仿真与原型验证,结果验证了RDARS能显著提升系统性能,在未来6G无线通信系统中具有巨大应用前景。

集成石墨烯的太赫兹波束成形智能超表面

提出了一种基于石墨烯的太赫兹智能超表面(RIS)。通过调节化学势能,该智能超表面能够实现对线极化太赫兹波的反射相位动态控制,进而实现太赫兹波束成形。为了获得超单元360°的反射相位调控范围,设计了工字形金属谐振器集成石墨烯的超单元结构,这种集成结构加强了超表面的局部电场,拓展了反射相位动态调控范围。基于异常反射和编码超材料原理,该智能超表面可具备近场波束偏转和远场波束分裂等波束成形功能,为灵活调控太赫兹波提供了新的思路,有望运用到6G无线通信、太赫兹遥感、空间态势感知等领域。

超表面吸收特性的研究进展

超表面是对电磁波调控的周期性亚波长二维超材料.高吸收超表面是一种新型的吸波材料具有广泛的应用前景,其在光学隐身技术,热光伏电池,热发射器和其他光电子器件中有重要的应用.介绍了超表面概念和分类,简述了吸收超表面发展历程,并对目前面临的问题及发展趋势进行了探讨.

同步辐射超光滑X光学元件的加工工艺及检测技术的研究

综述了该领域的研究现状，发展水平，以及同步辐射光学元件的特点；对超光滑表面的加工工艺及检测技术进行了归纳总结；详细阐述了本人所承担的中国科学院高能物理所同步辐射光束线的关键部件一超环面反射镜的加工与检测的研究。用户反馈的信息表明其性能优于美国生产的同类产品，标志着在该领域，我们已接近或达到国外先近水平。

石墨烯超表面光学性质研究进展

超表面是具有亚波长尺度周期性人造结构的一种二维超材料,通过结构设计,对入射电磁波进行控制,在各类器件上有非常广泛的应用前景.石墨烯具有独特的电学、光学、热学和机械特性,石墨烯超表面受到了越来越多的关注.利用外部电压改变石墨烯的电导率可以灵活地设计出不同功能的器件.介绍了超表面的基本概念,根据超表面的分类简述了各类石墨烯超表面的发展进程,并对目前问题和未来发展趋势进行了讨论.

STAR-RIS辅助的NOMA系统物理层安全性能优化

针对实际通信场景中非理想信道状态信息以及非理想串行干扰删除等非理想因素的强耦合特性使可同时反射和透射的可重构智能超表面(STAR-RIS)辅助的非正交多址接入(NOMA)传输系统安全性能无法准确衡量的问题,提出了基于惩罚对偶分解(PDD)和块坐标下降(BCD)的融合算法,联合优化基站的波束成形矢量和STAR-RIS相移系数,实现系统最低安全传输速率的最大化。结果表明,所提融合算法相比BCD算法可以明显增加最低安全传输速率,性能至少提升10%。

STAR-RIS辅助通信感知一体化系统联合波束成形设计

提出同时将透射和反射可重构智能表面(Simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces,STAR-RIS)与通信感知一体化(Integrated sensing and communication,ISAC)系统结合,以实现全空间的通信与感知。同时在STAR-RIS上应用一种低成本的传感器实现了在STAR-RIS上进行目标感知,解决了雷达感知的严重路径损耗问题。基于此,本文研究了STAR-RIS辅助位于STAR-RIS两侧的多用户多输入单输出(Multi-usermulti-input single-output,MU-MISO)以及一个位于STAR-RIS透射侧的目标的ISAC系统,旨在联合优化STAR-RIS的被动波束成形矩阵和ISAC基站处的主动波束成形矩阵,以最大化用户的通信和速率,同时满足目标感知的最低信噪比要求。为了解决优化过程中的非凸问题,提出了一种基于分式规划的块坐标上升算法,将优化变量分为几个块变量交替优化。在迭代优化后续波束成形问题上,应用了连续凸逼近和半正定松弛算法。与传统的可重构智能表面相比,仿真结果验证了在ISAC系统中部署STAR-RIS的优点。同时将所提的基于分式规划的算法与基于加权最小均方误差的算法进行了对比并验证了所提算法在提高通信和速率上的优势和有效性。

基于STARS的安全认知无线电联合波束成形优化算法

基于可重构智能表面(RIS,reconfigurable intelligent surface)的安全认知无线电(SCR,secure cognitive radio)系统均假设次用户(SU,secondary user)和主用户(PU,primary user)在基站(BS,base station)的同一侧,仅能够实现通信区域的部分覆盖,限制了RIS部署的灵活性和有效性。为了解决上述问题,提出了一种新的基于同时透射和反射表面(STARS,simultaneously transmitting and reflecting surface)的SCR系统。在该系统中,STARS能够实现通信区域的全覆盖,利用透射波束成形向量提高SU的接收信号强度,同时利用反射波束成形向量降低SU对PU的干扰,为SCR系统的设计提供了新的优化自由度(DoF,degree of freedom)。考虑SU保密率约束、PU干扰功率约束(IPC,interference power constraint)和STARS透射/反射参数约束,从降低系统总功耗角度出发,以最小化BS发射功率为目标,构建BS主动波束成形向量和STARS透射/反射波束成形向量联合优化问题。这一最小化问题是变量耦合非凸问题,很难直接求解,提出了基于凸差松弛(DCR,difference-of-convex relaxation)方法和顺序秩一约束松弛(SROCR,sequential rank-one constraint relaxation)方法的交替优化(AO,alternating optimization)算法,联合设计BS主动波束成形向量和STARS透射/反射波束成形向量。仿真结果表明,所提算法具有良好的收敛性能,能够有效降低SU对PU的干扰,且与传统RIS、随机相位、最大比传输(MRT,maximum-ratio transmission)和等能量分裂(Equal ES,equal energy splitting)方案相比,BS发射功率分别降低了8.3%、15.4%、5.9%和5.3%。

基于压缩感知的STAR-RIS辅助毫米波系统信道估计

一种可同时透射和反射的可重构智能表面(simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface,STAR-RIS)可以同时辅助位于其两侧用户的无线通信。针对STAR-RIS辅助下的双用户毫米波通信系统的上行链路信道估计问题进行了研究,并对两用户在角度域的联合稀疏特性进行了探究。基于级联信道的联合稀疏特性和压缩感知理论,将级联信道估计问题转化为稀疏信号恢复问题,并提出了一种位置判决正交匹配追踪(position-judgment orthogonal matching pursuit,PJ-OMP)算法以减少导频开销。仿真结果显示,与传统的正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit,OMP)算法相比,所提出的算法能够减少信道估计的导频开销,即使在某一侧用户所分配的能量较少时也能够准确地估计信道。

STAR-RIS辅助多载波通信感知一体化系统的资源优化

针对频谱资源短缺和传统的智能反射面无法实现全空间覆盖的问题,研究了同时透射和反射的可重构智能表面(simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface, STAR-RIS)辅助通信感知一体化系统。通过分配功率和子载波资源并优化STAR-RIS系数矩阵,使得在保证感知功能的前提下,最大化通信和速率。设计了一种交替优化算法,将多变量之间相互耦合的非凸问题解耦转化为3个凸的子问题。首先,松弛子载波选择变量后使用惩罚函数和逐次凸逼近算法;然后,直接求解功率分配变量的凸子问题;最后,使用半正定规划并把秩一约束改写为核范数与谱范数之差,将其作为惩罚函数,使用逐次凸逼近以优化STAR-RIS系数矩阵。仿真结果表明,与传统RIS相比,所提方案的性能取得了显著提升。

STAR-RIS辅助ISAC系统波束赋形优化方法

本文提出了将通信感知一体化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)系统与同时透射和反射可重构智能表面(Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surfaces,STAR-RIS)相结合的系统模型,解决了传统可重构智能表面RIS不能实现全空间通信与感知的问题;同时考虑在STAR-RIS上安装低成本的专用传感器以实现ISAC系统在STAR-RIS上执行目标感知的一种新颖有源架构,解决了雷达感知的严重路径损耗问题.本文旨在联合优化ISAC基站处的波束赋形和STAR-RIS的无源波束赋形,以最大化通信用户的加权和速率(Weighted Sum Rate,WSR),同时保证感知性能的最低信噪比(signal-to-noise ratio,SNR).为了解决该复杂非凸优化问题,交替优化基站波束赋形及STAR-RIS无源波束赋形.针对所提的满足雷达感知SNR最低要求下最大化WSR问题,基站处波束赋形的优化子问题等价为加权最小均方误差(Weighted Minimum Mean Square Error,WMMSE)问题,STAR-RIS处无源波束赋形优化子问题等价为分式规划(Fractional Programming,FP)问题.进一步,分别将优化的非凸子问题转化为二次约束二次规划(Quadratic Constraint Quadratic Programming,QCQP),并使用半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)技术将它们分别转化为凸的半正定规划(Semidefinite Programming,SDP)子问题进行迭代求解.仿真结果验证了所采用新型STAR-RIS辅助ISAC方案的优点和所提算法在提高WSR性能上的有效性.

一种面向多RIS的LMMSE信道估计方法

在智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助的无线通信系统中,信道状态信息(Channel Situation Information,CSI)是RIS反射相位矩阵优化的前提和基础。为了获得精准的CSI,针对多RIS辅助的多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)通信系统,提出了一种训练序列优化和线性最小均方误差(Linear Minimum Mean Squared Error,LMMSE)方法相结合的信道估计方法。该方法使用LMMSE方法估计级联信道的CSI;在所得CSI的基础上,对RIS的反射矩阵和基站(Base Station,BS)发射的训练序列进行了联合优化,最小化原本信道估计的均方误差(Mean Squared Error,MSE),进一步提高了信道估计的精度。仿真结果验证了所提信道估计方法和双RIS联合训练反射矩阵与训练序列优化设计的有效性。与各种基准方法进行比较,具有更高的CSI估计精度。

双STAR-RIS辅助下行NOMA系统中最大化和速率的方法

对于两个同时透射和反射的智能可重构表面(STAR-RIS)辅助的下行非正交多址接入(NOMA)系统,该文提出一种最大化和速率的方法。首先构建最大化和速率的优化问题,优化参数为STAR-RIS相移、功率分配和时间分配;然后用半正定规划法(SDP)优化双STAR-RIS相移;最后,用迭代的方法交替优化功率分配和时间分配,在每次迭代过程中分别用拉格朗日对偶分解法优化功率分配和函数极值法优化时间分配。仿真结果显示,双STAR-RIS辅助的NOMA系统的和速率高于单STAR-RIS辅助的NOMA系统。