2023年第11期
“6G智能超表面技术”专题论文
☞目录 | 2023年第11期 专题：6G智能超表面技术
1
可重构智能表面潜在标准化工作分析
李南希，朱剑驰，程振桥
（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）
【摘 要】RIS是6G的潜在关键技术之一，得益于其低成本、低功耗等特性，RIS在6G网络部署中具备很大的潜力。为推动RIS技术最终落地，需开展RIS标准工作研究。以3GPP Rel-18的网络控制中继的标准化工作为参考，详细分析了RIS技术的潜在标准化工作，并阐明了RIS面临的问题与挑战，为RIS器件选型及设计提供了一定参考。
【关键词】6G；可重构智能表面；网络控制中继；3GPP；标准化
☞可重构智能表面潜在标准化工作分析
2
智能超表面及其标准化影响研究
杨丽华1,2
（1.联想（北京）有限公司，北京 100094；
2.联想研究院，北京 100094）
【摘 要】RIS以其主动改变通信环境的优势，日益成为6G关键技术的研究重点之一。首先以RIS的运行模式、部署场景为切入点，通过与现有中继、网络控制中继器的对比，探究RIS的优势；继而详细介绍了RIS的五种工作模式的原理与区别；最后，分别从物理层和高层两个方面浅谈RIS部署在网络中对标准化工作的影响，为未来的无线网络规范提供一定的指导意义。
【关键词】6G移动通信；智能超表面；标准化；3GPP
☞智能超表面及其标准化影响研究
3
智能超表面系统级性能研究
刘永，童文，王俊，毕晓艳
（华为技术有限公司，广东 深圳 520000）
【摘 要】智能超表面基于其对空间电磁波在幅、相和极化等参数上的调控，以可编程方式主动调控和定制化无线传播信道，已在多个领域初步展现了一定的潜力。然而，现阶段研究尚缺乏更全面的基于实际网络干扰假设的大规模系统级性能研究。对RIS系统级性能研究仿真方法论进行了探讨，分析了RIS系统性能研究中需要关注的关键维度和主要因素，并基于此对RIS系统级性能空间进行了研究。
【关键词】智能超表面；系统级仿真；受益用户比例；拓扑
☞智能超表面系统级性能研究
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6G网络智能超表面技术探索
李贝1，刘秋妍1，狄子翔1，李福昌1，程新洲1，郭熹1，刘光海1，李鸣杰2
（1.中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048；
2.中国联合网络通信有限公司嘉兴市分公司，浙江 嘉兴 314000）
【摘 要】智能超表面作为6G无线通信网络重要的候选关键技术，具有低成本、低复杂度、易部署的特点，近年得到业界广泛关注。立足于智能超表面的技术原理，对应用场景进行分析，并针对基于智能超表面辅助的无线网络进行仿真验证，对智能超表面部署方案性能进行分析验证。最后，结合智能超表面相关学科技术发展现状，分析了智能超表面技术面临的挑战、发展趋势及其对未来网络演进的价值。
【关键词】6G；无线通信；智能超表面
☞6G网络智能超表面技术探索
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一种双频段可切换3-Bit相位调控智能超表面
张俊伟1，戴俊彦1，张珍2，鞠长滨3，程强1
（1.东南大学，江苏 南京 210096；
2.广州大学，广东 广州 510006；
3.沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110850）
【摘 要】随着6G技术的快速发展，传统大规模阵列技术成本高、功耗大、复杂度高等问题愈发严重。而智能超表面凭借其实时调控空间电磁波幅度、相位、极化、频率以及传播方向的能力，有望实现人为主动重构无线信道的愿景。为了能够提升智能超表面在无线通信中调控电磁波的能力，设计了一种可在两个频段工作的3-Bit相位调控智能超表面。该超表面单元上集成了一个PIN二极管和一个变容管，用以联合控制超表面的工作频段和相位响应。全波仿真结果首先展示了智能超表面单元的相位调控及频率可重构性能，继而在之后验证了其阵面波束调控功能。该款智能超表面有望实现多频段无线信号覆盖增强，重构无线传播环境，为6G技术的发展提供支持。
【关键词】智能超表面；双频段；相位调控；无线通信
☞一种双频段可切换3-Bit相位调控智能超表面
6
可重构智能表面与网络控制中继器的性能比较
孙艺玮，顾琪，苏鑫，王菡凝，袁弋非
（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）
【摘 要】可重构智能表面是第六代移动通信的潜在关键技术之一。为推动可重构智能表面的工程应用，借鉴现有技术的标准化经验至关重要。因此对可重构智能表面与3GPP中已标准化的网络控制中继器进行了系统性能的比较。首先对两者的技术细节进行了比对，接着通过系统建模和仿真对比了参考信号接收功率和信干噪比。通过对比两者，对可重构智能表面的标准化和工程应用提出了建议。
【关键词】第六代无线通信；可重构智能表面；网络控制中继器；系统性能
☞可重构智能表面与网络控制中继器的性能比较
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多功能低成本智能超表面的设计与应用
薛皓，郑哲，韩家奇，朱利豪，李龙
（西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室，陕西 西安 710071）
【摘 要】6G相关技术的发展将为未来社会的移动通信赋予更加丰富与便捷的功能，与此同时，通信业务的飞速增长导致频谱越发拥挤。在各类潜在技术中，可采用更高的频率来拓展频谱，或采用同频时具有正交轨道角动量模态的涡旋电磁波来提升频谱利用率。为了对不同场景中高频电磁波的路径衰减进行补偿，同时完成对不同模态涡旋波的调控，设计了一款可对不同馈源来波进行灵活调控的多功能智能超表面。考虑到智能超表面在不同频段与不同场景中大规模部署的潜能，从硬件层面进行低成本设计是其实际应用的必然要求。为此，在毫米波段通过子阵列的单元设计与预相位的方法实现具有2-bit功能的智能超表面与75%的PIN管缩减。在不同馈源馈电时，可分别实现不同模态的涡旋波与定向波束扫描，从而可用于涡旋模态复用与通信盲区信号覆盖，为6G移动通信提供了一种切实可行的技术方案。
【关键词】智能超表面；多功能；低成本；涡旋波；信号覆盖
☞多功能低成本智能超表面的设计与应用
8
低功耗高性能可重构智能超表面系统
吴建军1,2，尹卫爽1,2，窦建武1,2，毛胤电1,2
（1.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057；
2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518057）
【摘 要】呈现了一种基于CMOS开关的单比特双极化可重构智能超表面系统。该超表面单元只需两个CMOS开关器件即可实现双极化的控制；超表面单元采用总分总的控制结构，在保证极化隔离度的情况下实现双极化同控；通过引入双层拉远交直流隔离技术，有效地解决了交直流之间的串扰问题，配合一体分离的控制方案，可以将偏压控制点放置在辐射单元的任意位置；通过在单元周围加载基片集成腔体以及在腔体中加载短路抑制柱的方式有效抑制了表面波，极大地提升了扫描角度。仿真结果表明，超表面单元的相位差在26～28 GHz的范围内都能保持180±35度的相差，开和关状态的平均插损在1 dB以内；暗室测试结果表明超表面系统在±60°的扫描范围内均工作良好，波束形态清晰，旁瓣低于15 dB；外场测试结果显示该系统能够提升盲区增益25 dB以上，使系统流量达到满流。
【关键词】RIS；CMOS开关；单比特；双极化；低功耗
☞低功耗高性能可重构智能超表面系统
9
智能超表面辅助通信感知一体化系统研究综述
朱政宇1,2，宁梦珂1，孙钢灿1，李兴旺3，郝万明1，梁静1
（1.郑州大学电气与信息工程学院，河南 郑州 450001；
2.东南大学移动通信国家重点实验室，江苏 南京 210018；
3.河南理工大学物理与电子信息学院，河南 焦作 454000）
【摘 要】RIS能够智能地控制传播环境，提高网络容量和覆盖率，已成为6G关键技术之一。ISAC将通信和感知功能集成于同一个无线系统中，可有效提高资源利用率，减少基础设施开销，也将成为6G候选技术之一。首先，总结了ISAC的发展进程、RIS的优势及RIS赋能ISAC系统带来的性能增益。其次，根据RIS特点分析了如何实现在ISAC系统中RIS的优化设计。最后，对RIS辅助ISAC的未来发展进行了展望。
【关键词】智能超表面；通信感知一体化；6G；物联网；无线通信
☞智能超表面辅助通信感知一体化系统研究综述
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面向RIS组网的攻击感知与路由恢复策略
马逸雯，曹若菡，高晖
（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）
【摘 要】RIS辅助自组织网络可以改善复杂电磁环境下的网络性能，然而RIS无源特性导致其易受攻击，攻击者可恶意操纵RIS相位来恶化端到端传输性能甚至中断链路。鉴于攻击者可有针对性的攻击正在反射传输信号的RIS，且RIS不具备信号处理能力，无法通过密钥等方式对抗攻击，因此提出了基于物理层符号集特征的攻击感知方案来识别RIS攻击，并在RIS攻击导致链路中断时设计面向RIS攻击的路由恢复策略。仿真结果表明，所提方案能够有效识别RIS攻击并规避由RIS攻击导致的链路中断，对比基于断点续传的路由恢复策略，所提方案能够减少路由恢复时间，保障端到端时延。
【关键词】智能反射面；RIS组网；攻击感知；路由恢复
☞面向RIS组网的攻击感知与路由恢复策略
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机载智能超表面和边缘服务器的空中
自适应移动边缘计算
何茂霖1，多滨1，邱吉刚1，罗俊松1，袁晓军2
（1.成都理工大学计算机与网络安全学院，四川 成都 610059；
2.电子科技大学通信抗干扰技术全国重点实验室，四川 成都 610059）
【摘 要】为了实现更高效、更灵活的MEC，提出了空中智能MEC系统，通过机载智能超表面和边缘服务器的无人机实现MEC。在该系统中，无人机既可以充当边缘服务器为地面用户提供计算服务，也可以充当通信中继，将用户的计算任务卸载到远端服务器处理。构建了以最大化系统能效为目标的模型，提出了一种基于DDPG的联合优化算法来解决非凸的能效优化问题。仿真结果表明，所提出的方案与基准方案相比，可以有效提高系统能效，并且具有良好的稳定性和收敛性。
【关键词】机载边缘服务器；空中智能超表面；无人机；强化学习；能量效率
☞机载智能超表面和边缘服务器的空中自适应移动边缘计算
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RIS辅助MIMO通信信道外推技术研究
杨锦，龚婷婷，张顺
（西安电子科技大学，陕西 西安 710071）
【摘 要】RIS辅助MIMO通过部署大量无源反射单元，主动调控电磁波，实现无线环境可编程新范式。利用此优势的关键为高精度RIS信道获取。同时发挥RIS的电磁调控能力，利用部分RIS信道同全部RIS信道之间的确定性映射关系，提出实用的RIS信道外推框架。首先，基于电磁传播理论，拓展电磁空间重构机理，解释信道外推可行性，精准表征RIS链路电磁特性。其次，探寻电磁散射参数集合同部分RIS信道的耦合机理。以此为基础，给出基于贝叶斯统计推断和深度学习的RIS辅助MIMO信道外推方案。这些技术将极大降低信道训练开销，为RIS辅助MIMO实用化提供理论依据和技术支撑。
【关键词】RIS；MIMO；电磁传播理论；贝叶斯统计推断；信道外推
☞RIS辅助MIMO通信信道外推技术研究
13
基于智能超表面谐波调控的基波抑制ASK调制
严保将，贺冲，李世源，展庆奎
（上海交通大学电子工程系，上海 200240）
【摘 要】智能超表面作为下一代移动通信的重要技术，能够为移动通信的发展提供新范式，利用智能超表面的空时编码可以实现波束成型、信道估计和信息调控等。为了进一步研究利用智能超表面的谐波调控在数字通信系统中的应用，讨论了智能超表面在时间和空间上的编码，分析了控制时序对谐波的影响，并提出一种可以抑制基波的谐波幅度调控时序方案。仿真结果表明，提出的时序方案可以在各种占空比情况下将基波抑制在较低水平，实现数字码元的有效传输。
【关键词】智能超表面；谐波调控；基波抑制；ASK调制
☞基于智能超表面谐波调控的基波抑制ASK调制
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智能超表面辅助边缘计算任务卸载增强技术
杨冬东，李斌
（南京信息工程大学计算机学院，江苏 南京 210044）
【摘 要】针对无线信道的随机性和不确定性导致的MEC网络任务卸载时传输速率低的问题，提出一种RIS辅助MEC方案，利用RIS增强链路的能力来支持任务卸载。通过对用户发射功率、任务卸载量、MEC计算资源调度、RIS相移矩阵等进行联合优化，最小化服务总时延。由于原问题是具有高度耦合变量的非凸问题，借助块坐标下降法将原问题分解为三个子问题，并利用拉格朗日对偶法、逐次凸近似法和交替方向乘子法进行求解。最后设计了一种交替算法，迭代求解近似最优解。仿真结果表明，与其他基准方案相比，该方案在降低服务时延方面具有更好的性能。
【关键词】智能超表面；移动边缘计算；部分卸载；资源分配
☞智能超表面辅助边缘计算任务卸载增强技术
15
智能超表面赋能的发射源位置隐私保护
彭鑫，于周源，胡小玲
（北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876）
【摘 要】由于无线通信的开放性及无线信号传输的辐射性，位于信号接收范围内的非法窃听者有机会截获通信信号，获取通信信号的关键特征，甚至破译传输内容，这给无线通信安全带来了严重威胁。得益于密码学的发展，完全破译传输内容可能性较小，无线通信面临的主要威胁来自发射源位置等关键特征的暴露。考虑通信发射源位置隐私保护问题，借助分布式RIS反射真实发射源信号，构建“虚假发射源”，降低窃听者对通信发射源的测向精度，实现对真实发射源位置信息的保护。基于窃听者对通信发射源的测向误差的CRLB，构建发射源位置隐私保护的性能评估指标。结果表明RIS的部署能够有效提升对真实发射源位置隐私保护性能，且分布式RIS布阵相较于集中式RIS布阵方案来说，性能提升更为显著。另外，发射源位置隐私保护性能受限于窃听者天线数量，在天线数量增加时需要部署更多的RIS才能达到相同的位置隐私保护效果。
【关键词】安全通信；分布式智能超表面；位置隐私保护；测向误差
☞智能超表面赋能的发射源位置隐私保护
16
电磁干扰下RIS辅助移动通信系统
性能分析与设计
温淑娴，章嘉懿，鲁钰，史恩宇，郑家康
（北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044）
【摘 要】分析了信道老化和EMI影响下RIS辅助的MISO移动通信系统的性能。首先，本文提出了一个考虑信道老化、RIS处EMI和信道估计误差联合影响的系统模型。其次，基于最小均方误差信道估计和最大比传输推导了系统和频谱效率的闭合表达式。随后，分析了信道老化和EMI对于系统性能的影响。结果表明EMI和信道老化对于系统性能都有消极影响且相互独立；保持RIS总面积不变，采用较大的单元面积和较少的单元数量可以有效对抗信道老化，并降低电磁干扰的负面影响。
【关键词】智能超表面；信道老化；电磁干扰；性能分析
☞电磁干扰下RIS辅助移动通信系统性能分析与设计
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STAR-RIS辅助通感一体系统安全传输优化
周涛，许魁，夏晓晨，苏巧
（陆军工程大学通信工程学院，江苏 南京 210007）
【摘 要】STAR-RIS作为一种新的RIS架构，有望提升未来无线网络的全域覆盖能力。针对未来网络中的通信和感知需求，研究STAR-RIS辅助ISAC系统的下行安全传输优化问题。旨在联合优化主动和被动波束成形，在满足用户服务需求的同时，提升系统的感知性能。所考虑的优化问题非凸且强耦合，难以求解。为此，提出一种基于交替迭代、半正定松弛和连续凸近似的算法求解该问题。仿真结果表明，所提出的算法在保证通信需求的同时，实现了更好的感知性能。
【关键词】同时透射和反射可重构智能反射面；通感一体；安全通信
☞STAR-RIS辅助通感一体系统安全传输优化
18
可解释机器学习驱动的智能超表面
安全通信方法
邹超1,2，孙艺夫2，朱勇刚2，林志3，安康2
（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；
2.国防科技大学第六十三研究所，江苏 南京 210007；
3.国防科技大学电子对抗学院，安徽 合肥 230037）
【摘 要】电磁环境的不确定性和不可操控性对无线通信安全带来复杂挑战，智能超表面因其能够灵活调控无线传播环境已被广泛应用于安全通信领域。尽管通过高效可靠的波束成形算法设计，智能超表面能够大幅提升无线通信系统的安全性能。但是，传统的高复杂度安全波束成形算法无法满足实时调控的现实需求；与此同时，基于人工智能算法的安全波束成形算法缺乏必要的可解释性。针对上述挑战，提出一种可解释深度强化学习方法以增强智能超表面安全通信决策的实时性和可解释性。具体地，首先给出了一种鲁棒近端策略优化算法，以解决在非法节点信息未知条件下的最优安全策略生成问题；然后，通过引入级联决策树作为策略函数逼近器，进一步增强策略可解释性。仿真结果表明，在非法节点存在显著不确定性的无线环境下，所提算法能够实时生成可解释的安全策略并提升频谱效率。
【关键词】智能超表面；物理层安全；深度强化学习；可解释人工智能
☞可解释机器学习驱动的智能超表面安全通信方法
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