聞道洛陽花正好，家家遮戶春風。道人飲處百壺空。年年花下醉，看盡幾番紅。
此拐又從何處去，飄蓬一任西東。語聲雖異笑聲同。一輪清夜月，何處不相逢。
---- 臨江仙·與劉拐
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摘要
智能反射面（IRS）是一種全新的革命性技術，它可以通過在平面上集成大量低成本的無源反射元件，智能地重新配置無線傳播環境，從而顯著提高無線通信網絡的性能。具體地說，IRS的不同元件可以通過控制其幅度和/或相位來獨立地反射入射信號，從而協同地實現用於定向信號增強或零陷的精細的三維（3D）無源波束形成。在本文中，我們概述了IRS技術，包括其在無線通信中的主要應用、與現有技術相比的競爭優勢、硬件架構以及相應的新的信號模型。與僅由有源元件組成的傳統網絡相比，我們着重討論了在設計和實現新的IRS輔助的混合（包括有源元件和無源元件）無線網絡方面的關鍵挑戰。數值計算結果表明，IRS在典型的無線網絡中的應用大大提高了系統的性能。
1 引言
得益於諸如超密網絡（UDN）、大規模多輸入多輸出（MIMO）、毫米波（mmWave）通信等各種關鍵技術的支持，即將到來的第五代（5G）無線網絡已實現了1000倍網絡容量增加和至少1000億個設備的普遍無線連接目標。然而，所需的高複雜度和硬件成本以及增加的能耗仍然是關鍵問題，仍然沒有解決。例如，在UDN中密集部署基站（BSs）或接入點（AP）不僅會增加硬件開銷和維護成本，而且還會加劇網絡干擾問題。此外，如何爲UDN提供可靠的、可擴展的回程傳輸是一項具有挑戰性的工作，尤其是在沒有完全光學覆蓋的室內部署中。此外，將大規模MIMO從低於6 Ghz擴展到mmWave頻帶通常需要更復雜的信號處理以及更昂貴和能耗更高的硬件（例如，射頻（RF）鏈）。因此，研究如何爲未來/5G以外的無線網絡找到創新、頻譜和節能且經濟高效的解決方案仍然勢在必行。
此外，雖然5G物理層技術通常能夠適應空間和時間變化的無線環境，但信號傳播本質上是隨機的，在很大程度上是不可控制的。基於上述原因，智能反射面（IRS）被認爲是一種很有前途的新技術，可以通過軟件控制反射來重新配置無線傳播環境[3]-[6]。具體地說，IRS是由大量低成本無源反射元件組成的平面，每個元件能夠獨立地誘導入射信號的振幅和/或相位變化，從而協同實現精細的三維（3D）反射波束形成。與現有的發射機/接收機無線鏈路適配技術形成鮮明對比，IRS通過高度可控和智能信號反射主動地修改它們之間的無線信道。這爲進一步提高無線鏈路的性能提供了新的自由度，爲實現智能可編程無線環境鋪平了道路。通過適當地調整3D被動波束形成，IRS反射的信號可以與來自其它路徑的信號建設性地相加，以增強接收機處的期望信號功率，或者破壞性地消除諸如同信道干擾等不期望信號。由於IRS消除了發射RF鏈的使用，並且只在短距離內工作，因此它可以密集部署，具有可擴展的成本和低能耗，而無需在無源IRS之間進行復雜的干擾管理。
圖1示出IRS輔助無線網絡的幾個典型應用。在圖1（a）中，用戶位於死區中，在死區中，用戶與其服務BS之間的直接鏈路被障礙物嚴重阻塞。在這種情況下，部署與基站和用戶有明確聯繫的IRS有助於通過智能信號反射繞過障礙物，從而在它們之間創建虛擬視線（LoS）鏈接。這對於極易受室內阻塞影響的mmWave通信中的覆蓋範圍擴展特別有用。圖1（b）示出了IRS用於改進物理層安全性的使用。當從BS到竊聽器的鏈路距離小於到合法用戶（例如，用戶1）的鏈路距離時，或者竊聽器位於與合法用戶（例如，用戶2）相同的方向時，可實現的保密通信速率高度受限（即使在後一種情況下通過在BS處採用發射波束成形）。然而，如果IRS部署在竊聽器附近，則IRS反射的信號可以被調諧以抵消來自竊聽器處的BS的（非IRS反射的）信號，從而有效地減少信息泄漏。在圖1（c）中，對於同時遭受來自其服務BS的高信號衰減和來自相鄰BS的嚴重同信道干擾的小區邊緣用戶，可以在小區邊緣部署IRS，通過適當地設計其反射波束成形，不僅有助於提高期望的信號功率，而且有助於抑制干擾，從而在其附近形成“信號熱點”和“無干擾區”。圖1（d）示出了IRS用於實現大規模設備到設備（D2D）通信的使用，其中IRS充當信號反射集線器，以支持通過干擾抑制的同時低功率傳輸。最後，圖1（e）示出了IRS在物聯網（IoT）網絡中實現對雜項設備的同時無線信息和功率傳輸（SWIPT）的應用[7]，其中，IRS的大孔徑被用來補償通過無源波束形成到附近物聯網設備的遠距離顯著功率損失，以提高向其無線功率傳輸的效率。
除了上述有希望的應用之外，從實現的角度來看，IRS還具有誘人的優勢。首先，IRSs通常是用低輪廓、輕重量和共形幾何形狀製作的，這使得很容易在牆壁、天花板、建築立面、廣告面板等上安裝/移除它們。此外，由於IRS是一種補充設備 在無線網絡中，將其部署在現有的無線系統（例如蜂窩或WiFi）中不需要更改其標準和硬件，而僅需對通信協議進行必要的修改即可。因此，將IRS集成到無線網絡中可以對用戶透明，從而提供與現有無線系統的高度靈活性和優越兼容性。因此，IRS可以以較低的成本在無線網絡中實際部署和集成。
接下來，我們重點介紹與其他現有的與IRS相關的技術相比，IRS的主要差異以及競爭優勢，即有源中繼，反向散射通信和基於有源表面的大規模MIMO。首先，與通過信號再生和重傳協助源目的地通信的有源無線中繼相比，IRS不使用任何有源發射模塊（例如，功率放大器），而僅將接收到的信號反射爲無源陣列。此外，有源中繼通常以半雙工模式運行，因此其頻譜效率低於以全雙工模式運行的IRS。儘管全雙工中繼也是可以實現的，但是它需要先進的強大的自干擾消除技術，而這些技術的實現成本很高。其次，IRS與傳統的反向散射通信（例如通過識別從讀取器發送的反射信號與讀取器進行通信的射頻識別（RFID）標籤）不同，IRS用於促進現有的通信鏈接，而不是發送其自身的任何信息。因此，反向散射通信中的讀取器需要在其接收器處實現自干擾消除，以解碼標籤的消息[9]。相比之下，在IRS輔助的通信中，直接路徑信號和反射路徑信號都可以攜帶相同的有用信息，因此可以在接收器處相干添加以提高解碼的信號強度。第三，由於IRS的陣列架構（無源與有源）和操作機制（反射與傳輸）不同，因此它也不同於基於有源表面的大規模MIMO。
儘管IRS輔助無線網絡具有許多優點，但它同時包含主動（BS、AP、用戶終端）和被動（IRS）組件，因此與僅包含主動組件的傳統網絡有很大不同。這促使本文對IRS的信號模型、硬件結構、無源波束形成設計、信道捕獲、節點部署等方面進行了綜述。特別強調了設計和實現IRS輔助無線網絡的主要挑戰及其潛在解決方案，以啓發未來的研究。數值結果也驗證了IRS在典型無線應用中的有效性。
2 硬件架構
IRS的硬件實現基於“元表面”的概念，該概念由數字可控的二維（2D）元材料構成[10]。具體地說，亞表面是由大量元素或所謂的亞原子組成的平面陣列，其電厚度按感興趣工作頻率的子波長的順序排列。通過適當設計元件，包括幾何形狀（如方形或開口環）、尺寸/尺寸、方向、排列等，可以相應地修改其單個信號響應（反射振幅和相移）。在無線通信應用中，每個單元的反射係數都應該是可調的，以適應用戶移動性產生的動態無線信道，從而要求實時可重構。這可以通過利用電子設備來實現，例如正內稟負（PIN）二極管、場效應晶體管或微電子機械系統（MEMS）開關。如圖2所示，IRS的典型架構可以由三層和智能控制器組成。在外層，大量的金屬片（元件）被印刷在介電基板上，與入射信號直接相互作用。在該層的後面，使用銅板來避免信號能量泄漏。最後，內層是一個控制電路板，負責調整每個元件的反射振幅/相移，由附在IRS上的智能控制器觸發。在實踐中，現場可編程門陣列（FPGA）可以被實現爲控制器，它還充當網關，通過單獨的無線鏈路與其他網絡組件（例如BSs、AP和用戶終端）進行通信和協調，以便與它們進行低速率信息交換。
圖2中還示出了單個元件結構的一個示例，其中PIN二極管嵌入在每個元件中。通過直流（DC）饋電線路控制其偏置電壓，PIN二極管可以在等效電路中所示的“開”和“關”狀態之間切換，從而產生相移差。因此，通過智能控制器設置相應的偏置電壓，可以獨立地實現IRS元件的不同相移。另一方面，爲了有效地控制反射振幅，可在元件設計中採用可變電阻負載。例如，通過改變每個元件中電阻的值，入射信號能量的不同部分被耗散，從而在[0，1]中實現可控反射振幅。在實踐中，期望對每個元件的振幅和相移具有獨立的控制，爲此，需要有效地集成上述電路。
Massive MIMO技術的推出推動了高速無線通信系統的發展，然而，無線系統的性能仍然取決於其信道。具體的說，發射機輻射的電磁波在到達接收機之前在信道中經歷反射、折射、衍射和路徑損耗。在傳統通信中，信道被認爲是不可控制的，因此通常對信道建立概率模型。事實上，很多研究工作中提出的大部分通信技術（如波束成形、分集、信道編碼）都是爲了在不改變信道行爲的情況下抵消或利用信道的影響而設計的。相比之下，最近提出的IRS概念建立在控制電磁波在通信信道中的傳播以提高通信系統的性能的基礎上。具體的說，IRS是一個由若干微面元組成的元表面，這些微面元可以控制入射信號的相位。理想情況下，被控制的相位是連續的，但是元表面使用亞波長尺寸的若干離散“元素”來近似這一點，每個“元素”引起不同的相移。這樣，當信號入射時，使得所有相移的聯合效應是在選定方向上的放射光束。這類似於傳統的相控陣的波束成形，但主要區別在於傳統相控陣的相移不是在陣列中產生的。圖3 描述了元原子間的不同相移模式如何導致入射信號在不同方向上作爲光束反射。
3． IRS的應用
與無小區大規模MIMO系統和協作中繼不同，協作中繼通常使用有源組件來改善傳播環境，IRS則只需要很小的操作功率，因此適合在能量有限的系統中實現。例如，當微元的尺寸爲8×8mm時，其能量消耗僅爲125mW/m2，這比許多現有的無線通信設備要低很多。此外，IRS可以是很薄的材料，允許在建築外牆、天花板等地方部署。因此，IRS很適用於機場航站樓、體育館等場所。而且IRS與現有常規網絡之間兼容性良好，即在現有網絡中，可以靈活部署IRS來增強當前通信網絡的性能。
在實際中，IRS在傳統MIMO系統中的部署有助於圖4所示的兩種波束成形。在圖4（a）中，在協助多天線發射機和用戶之間的通信的系統中部署了一個IRS。信息信號從發射器發出，發射機和用戶之間可能存在通信的直接路徑，並且在發射機上進行波束成形以改善用戶的信號接收。同時，由於無線信道的廣播性質，信號也被IRS接收，此時IRS將反射該信號，藉助於IRS控制器，可以控制反射的主方向。特別是，在所有的元表面上引入適當的相移，以建設性地創建它們各自散射的信號的相干組合，從而創建聚焦於用戶的信號束，表面越大，光束就越窄，這種策略也被稱爲能量聚焦。另一方面，如果由於嚴重陰影或阻塞而不存在直接路徑，則發射機應該執行相對於IRS的波束成形。然後，IRS可以充當非放大繼電器，將事件信號反射並聚焦到用戶，以協助端到端通信。在圖4（b）中，考慮在用戶2存在的情況下，多天線發射機爲用戶1服務的場景。我們假設這兩個用戶具有不同的安全許可級別，其中用戶1的消息不應在用戶2處被解碼。在這種情況下，可以通過調整散射信號的相位來在IRS處執行破壞性反射，以使用戶2處的信號爲零。這種策略被稱爲能量置零。這兩種波束形成技術有着廣泛的應用，如物理層安全、干擾管理、覆蓋擴展、容量改進等。
3．參考文獻
[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.
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