智能反射表面（IRS）代码-两跳

Posted 2023-04-07 IT IS OK

       智能反射平面（intelligent reflecting surfaces）是一种被动反射表面，其具有的特性是可控制反射信号的相位，而且该反射表面无需任何的能量辅助，与传统高能耗的中继系统相比，引用反射表面可大大降低能耗。所以，智能反射表面被应用于多个邻域。

       物理层安全分为有密钥的物理层安全和无密钥的物理层安全，有密钥的物理层安全是由香农最先提出，他认为只要实现传输中的信号是无法被辨认的就可以完全保证通信的安全，最安全的就是一次一密算法，但是这个算法耗费成本过大，至今没办法真正应用到加密通信方案中，方案很好，下次不要了。没有密钥的物理层安全是由Wyner首先提出的，其核心理念就是让合法信道的信道质量比窃听信道的信道质量好，就可以实现通信的绝对安全，但是这个说法已经被证明是错误的，即便如此，无密钥的物理层安全依旧被广泛研究着，人工噪声，波束成形，中继辅助等一系列的物理层方案被提出。无密钥的物理层安全不依赖于计算的复杂性就可实现物理层安全，这个和密码实现物理层安全有本质的区别和绝对的优势，所以无密钥的物理层安全的研究一直蓬勃发展。

       智能反射表面被应用于物理层安全的研究也为物理层安全注入了新鲜的活力，本文主要是想分享一下智能反射单元在物理层应用的代码实现，由于之前本人经历过找参考代码的痛苦，所以想分享一下，方便大家使用。可能语言叙述能力有待加强，如有疑问可直接向我咨询，欢迎大家交流讨论。

       首先明确IRS是可控制反射信号的相位，所以以单个智能反射单元为例，该单元可调信号的参数可表示为，由于智能反射单元是被动反射的，所以准确来说是无法控制的，在控制信号大小方面，智能反射单元是鸡肋，它顶多充当一面反射墙，，也就是说信号经过反射之后可能100%反射出去，也可能有损耗，最差的情况是一点都没反射出去。所以一般考虑最美好的状况就是，如此智能反射单元的系数就是。

      其次需要明确信号的性质，信号可以用向量表示，正是因为信号有大小和方向，大小即为信号的强度大小，方向即为信号的相位，也就是延迟。这也就是为什么只能反射面可应用于物理层的原因了吧。

说这么多，来分享一下IRS在物理层两跳反射路径的应用。所用软件为MATLAB。

应用场景：

step1:信号的生成，生成可以被计算机识别的01序列。

%场景是一个发射机，一个接收机和智能反射表面。
data = round(rand(1, N));           %产生N个随机二进制原始数据0,1

step2:信号调制

s=pskmod(data,4);%调用matlab自带的psk调制函数

step3:设置信道状态信息CSI

hAI = (randn(unit_n,1)+1i*randn(unit_n,1))/sqrt(2); %发射机和智能反射面之间的信道衰落系数
hIB = (randn(unit_n,1)+1i*randn(unit_n,1))/sqrt(2); %智能反射面和接收机之间的信道衰落系数

step4:设置智能反射单元反射系数

IRS_Phase = exp(1i.*theta_IRS);       %IRS的相位控制

step5:设置接收端的噪声

 sigma_noise = sqrt(1/2);                
 n = (sigma_noise).*(randn(1,length(s))+1i*randn(1,length(s)));   %接收端的噪声模拟

step6:接收机收到感知信号

rB = sum(hAI.*IRS_Phase.*hIB)*s + n;   %接收端接收经过衰落的已调信号s

以上就是最基础的借助IRS实现信号传输的模型，希望给刚入门的同学一些参考。

到底什么是智能超表面（RIS）？

近年来，智能超表面（RIS）技术逐渐引起了业界的广泛关注。

从外表上看，它就是一张平平无奇的薄板。但是，它可以灵活部署在无线通信传播环境中，并实现对反射或者折射电磁波的频率、相位、极化等特征的操控，从而达到重塑无线信道的目的。

这种技术，被认为是6G关键技术之一。

究竟它有什么神奇之处？让我们通过本文，一探究竟。

     RIS是何方神圣 ？

智能超表面，也叫做“可重配智能表面”，或者“智能反射表面”，英文为RIS（Reconfigurable Intelligence Surface），或者IRS（Intelligent Reflection Surface）。

本文中，我们将以RIS来称呼这项技术。

众所周知，通信的三大主体，分别是信源（发送者）、信道（传输通道）和信宿（接收者）。

无线信道中，信号经历了复杂的反射、折射、散射、绕射、穿透、干扰等一系列复杂的过程，很难做到完美传播。

为了适应无线传播环境，通信专家们最常用的手段，就是增强基站和终端的能力，或者优化组网架构。

比如采用高低频协同、增大发射功率、增加收发天线数、频选调度、多点协作、微站补盲等措施，千方百计地去克服无线信道的不确定性。

而RIS技术，换了一种思路，直接在无线传输信道上做文章。

RIS的技术基础，是一种被叫做“信息超材料”的人工材料。

下面，我们将从“什么是超材料”开始，讲述RIS的基本原理。

超材料是指一类自然界中不存在的，具有特殊性质的人造材料。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。

超材料的英文是Metamaterial。看到这里的Meta，大家可能会觉得非常眼熟。

没错，最近大火的元宇宙Metaverse的前缀也是这个Meta。这个拉丁词根，正是表示超出、另类之意。

怎么个“超”法呢？

地球上已知的物质都是由微观原子构成的，大量的原子按照一定的方式聚集起来，就形成了的宏观物体，也决定了材料的物理性质。

与此类似，如果我们能设计出亚波长大小的“人工原子”，并按照精密的几何结构排列，就能实现很多天然材料所不具备的性质。

这种超越天然材料的人工材料，理所当然地，就被称为“超材料”。

最早提出超材料概念的是前苏联的维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago），他于1965年提出了对“左手媒质负折射”材料的物理猜想。

维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）

所谓负折射材料，是指其光学性质与常见的玻璃、空气等透明物质的性质不同，其入射和折射光位于法线同侧，和常规折射的方向相反，也就是折射角为负。

1996年，英国的约翰·彭德里（John Pendry）爵士从理论上论证了负折射材料的存在。

约翰·彭德里（John Pendry）

2001年，美国的戴维·R·史密斯（David R. Smith）通过实验验证了负折射现象，证实了超材料技术的可行性。

戴维·R·史密斯（David R. Smith）

2006年，约翰·彭德里和戴维·R·史密斯两人强强联合，提出了变换光学，并成功设计出了世界上第一款隐身衣。

隐身衣原理示意

隐身衣实际效果

2011年，意大利科学家费德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面广义定律。

费德里科·卡帕索（Federico Capasso）

2013年，在美国国防部公布的“六大颠覆性基础技术”中，超材料赫然位于榜首。这表明，美国军方对该技术前景的态度非常乐观。

随着相关理论和技术的成熟，在过去的十几年中，超材料被广泛用于操纵电磁波，实现了许多激动人心的物理现象，如负折射、电磁黑洞和幻觉光学等等。

早期的超材料功能单一，只能按照固化的模式工作，不能实时调控电磁波，因此我们将其称之为模拟超材料。

后来，超材料可通过数字编码实现对里面人工原子状态的动态控制，从而实时操控电磁波，就叫做“信息超材料”。

信息超材料的基本结构如下图所示，每一个人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏压二极管的微电路组成，在不同的电压下可以实现“ON”或者“OFF”等不同状态，对电磁波的响应也是不同的。

实际实现时，人工原子也可以采用PIN管、三极管、MEMS、石墨烯、温敏器件、光敏器件等其他材料。

“ON”和“OFF”这两种状态，正好可以对应到信息世界的0和1，通过把这些单元配置为0或者1，超材料也就具备了动态编码的能力。

如上图所示，在不同的编码下，信息超材料可以通过反射形成不同形状的电磁波束，从而实现动态操控电磁波的目的。

通过对信息超材料的深度设计，可以实现对入射电磁波多个维度的操控，包括频谱、相位、幅度、极化等等，这就为将其在移动通信中的应用创造了条件。

     RIS有何能耐 ？

那么，RIS到底是怎样重塑无线信道的呢？我们来看看下面这几个典型的场景。

1.  覆盖盲区消除。

当基站和终端之间有不可逾越的障碍物时，它们之间就是非视距信道，如果信号传播环境单一，缺乏反射径的话，终端所能接收到的信号是非常微弱的。

有了RIS，可以操控反射波束，对准位于盲区的终端并动态跟踪，这就相当于创建了虚拟的视距路径，扩展了小区的覆盖范围。

2.  物理层辅助安全通信。

当网络探测到窃听者或者非法用户时，可以利用调控RIS的反射信号的相位，让其和直射信号在接收时进行抵消，从而减少信息泄露。

3.  多流传输增秩。

当信号传输的环境较为简单时，往往缺乏独立的多径，难以实现足够的多流传输。通过RIS的反射，可以人为增加信号传播路径，更好地实现多流传输，提升热点用户的吞吐量。

4.  边缘覆盖增强。

当终端（下图中的终端1）位于小区边缘时，使用RIS动态操控服务小区和邻区的反射信号，使服务小区的信号同相叠加增强，来自邻区的信号则反相叠加抵消，从而有效消除邻区干扰。

5.  大规模D2D通信。

RIS可以通过对多路信号的智能反射，可以起到干扰抑制的作用，并同时进行低功率传输，有助于实现大规模的D2D通信。

6.  物联网中无线功率和信息的传输。

无线携能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技术可以同时传输信号和能量，即在与无线设备进行信息交互的同时，为无线设备提供能量。RIS可以起到类似中继的作用，通过无源波束来补偿长距离传输带来的巨大能耗，帮助充电区域提高无线传输功率。

7.  室内覆盖。

要解决室内覆盖，可以通过室外基站信号穿透建筑外墙或者窗户，也可以部署专业的室分系统（蘑菇头天线或者有源室分）。这两种方式都有RIS的用武之地。

对于室外穿透室内这种方式，可以在建筑窗户的玻璃表面部署透明的RIS板，操控信号入射室内，并能实现一定的增益。

此外，在室内覆盖场景，可通过RIS来操控室分系统的反射信号，从而增加额外链路，提升系统容量及可靠性。

8.  新型收发信机。

除了可重塑无线信道之外，通过RIS还可以实现信号发射机或者接收机的功能。这是怎么实现的呢？

既然RIS是可实时编码的，那么我们将基带信号以编码的形式导入到RIS控制器，再将目标频段的射频载波发射到RIS上，通过反射就可以将基带信号调制到载波之上了。

这种架构的发射机可省去复杂而低效的射频链，节省高耗能的混频器、功放等器件，从而显著降低发射机的成本和功耗。

     RIS离我们有多远 ？

RIS这种创新技术，给我们带来了诸多激动而心而充满想象力的应用前景。那它目前实际测试的效果如何，技术是否成熟，研发处于什么状态，我们什么时候可以用上RIS呢？

目前学术界和产业界正在积极探索RIS实际部署的性能，以期采用它来解决5G毫米波的覆盖难题，并在未来也在太赫兹频段中应用。

IEEE ComSoC在2020年8月份成立了独立的RIS-ETI工作组，IEEE JSAC等权威期刊已将RIS列为6G潜在技术，加以研究。

今年，3GPP对5G下一阶段演进：5G-Advanced的标准化正式提上日程，RIS也正是R18协议重点的研究课题之一。

大量测试结果表明，RIS的部署可以将用户吞吐量提升1~2倍，室外小区边缘覆盖提升3~4倍，室内覆盖提升约10dB。可见，RIS可带来的增益是非常明显的。

作为通信系统的一部分，RIS的成熟度与不同频段器件的成熟度密切相关。目前在较低频段（Sub-6G，毫米波低频段）的器件成熟度较高，然而在毫米波高频段和太赫兹的成熟度较低，RIS的成本和能耗优势还难以充分体现。

此外，当前RIS的硬件架构设计、基带处理算法、以及网络架构设计还都处于探索阶段，现阶段主要以性能验证为主，其商用部署还需要很长的路要走。

并且，要大规模应用RIS，选址和部署也存在一定的困难。RIS对信号的反射虽然可以做到准无源，但其动态编码离不开控制器，而控制器也是需要供电的，由此带来的成本也不低，也限制了RIS的使用。

因此，建议业界在验证RIS技术时，先从预先编码好的无源静态RIS板开始，再逐渐过渡到半静态可控的RIS，然后再结合AI技术，验证全动态编码下的RIS。这也是循序渐进、摸着石头过河的历程。

前途是光明的，道路是曲折的。RIS，这项旨在重塑无线传播环境的创新技术，未来必将成为移动通信领域的重大突破。

让我们在6G时代见证RIS的辉煌。

— END —

参考文档

1. Towards Smart and Reconfigurable Environment: Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Network. By Wu Q, Zhang R. 

2. RIS前沿技术系列讲座，东南大学，金石教授

3. 智能超表面技术演进报告，6G推进组

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