智能超表面在通信感知一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉讓/LIU Rang，羅泓昊/LUO Honghao，李明/LI Ming

（大連理工大學(xué)，中國(guó)大連 116024）

5G 的大規(guī)模商用有力推動(dòng)了當(dāng)今社會(huì)向萬(wàn)物智聯(lián)邁進(jìn)，同時(shí)也促進(jìn)了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)未來(lái)6G的研究。為了支持6G 在智慧城市、智慧交通、智能家居等典型應(yīng)用場(chǎng)景中的不同需求，網(wǎng)絡(luò)的通信、感知、計(jì)算等功能需要進(jìn)一步強(qiáng)化和融合。因此，除了進(jìn)一步優(yōu)化大規(guī)模天線陣列、毫米波通信和致密網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)技術(shù)之外，亟須引入一些革命性的新技術(shù)來(lái)支撐未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)。智能超表面（RIS）和通信感知一體化（ISAC）作為兩種極具前景的創(chuàng)新型技術(shù)，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。

RIS的部署為系統(tǒng)提供了重塑信道的能力，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入了新的自由度（DoFs）。通過(guò)合理設(shè)計(jì)RIS反射系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能操控?zé)o線傳輸環(huán)境，解決盲區(qū)覆蓋、邊緣用戶服務(wù)和信道環(huán)境惡化等通信難題，為提升通信服務(wù)質(zhì)量提供了一種高能量效率、高頻譜效率、低硬件復(fù)雜度的解決方案。在無(wú)線通信飛速發(fā)展的同時(shí)，海量無(wú)線設(shè)備的接入和超高通信速率導(dǎo)致頻譜資源需求激增，進(jìn)而造成了嚴(yán)重的頻譜擁塞。針對(duì)這一難題，業(yè)界提出了一種基于共享雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)頻譜資源的方案，進(jìn)一步支持兩者共享天線、射頻和基帶軟件無(wú)線電處理平臺(tái)等資源，極大地提升了系統(tǒng)的頻譜、能量和硬件效率。

本文進(jìn)一步研究和探討RIS在ISAC系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。首先，概述了RIS的基本工作原理和優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了RIS在無(wú)線通信系統(tǒng)中的相關(guān)研究和應(yīng)用。其次，介紹了雷達(dá)系統(tǒng)中的感知需求和性能指標(biāo)，以及RIS輔助的雷達(dá)感知系統(tǒng)。然后，介紹了面向6G的通信感知一體化技術(shù)，分析對(duì)比了RIS輔助ISAC的相關(guān)研究，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了在ISAC系統(tǒng)中部署RIS的優(yōu)勢(shì)。隨之，討論了RIS輔助ISAC的未來(lái)研究方向。最后，對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

1 RIS輔助無(wú)線通信

RIS首先出現(xiàn)在無(wú)線通信領(lǐng)域，因其具有高效智能操控?zé)o線傳輸環(huán)境的能力而被視為未來(lái)6G 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要使能技術(shù)。近幾年來(lái)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界涌現(xiàn)了大量關(guān)于RIS的理論研究和硬件實(shí)現(xiàn)，揭示了RIS 輔助無(wú)線通信的優(yōu)勢(shì)和前景。

1.1 RIS的工作原理和優(yōu)勢(shì)

由超材料技術(shù)發(fā)展而來(lái)的RIS 是由大量反射單元組成的。通常，這些反射單元的硬件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單且能耗極低。通過(guò)改變相應(yīng)的電路參數(shù)（如偏置電壓），每個(gè)反射單元可以獲得不同的電磁響應(yīng)，進(jìn)而調(diào)控入射信號(hào)的相移、幅度、頻率和極化等參數(shù)。通過(guò)協(xié)同控制多個(gè)單元參數(shù)，RIS實(shí)現(xiàn)了無(wú)源反射波束成形，并可構(gòu)建更加有利的電磁傳輸環(huán)境。與傳統(tǒng)有源中繼相比，RIS具有硬件復(fù)雜度更低、能量效率更高的優(yōu)勢(shì)。RIS的組成器件輕便易攜帶，十分容易部署在建筑物表面或者移動(dòng)端的表面等，因此RIS具有良好的便攜性和移動(dòng)性[1]。

1.2 RIS在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前無(wú)線通信系統(tǒng)中RIS 的研究主要聚焦在聯(lián)合優(yōu)化RIS反射系數(shù)，以提升系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)。例如，最大化頻譜效率/總速率/能量效率/安全傳輸速率/能量接收端的能量，最小化發(fā)射功率/誤碼率等。這些豐富廣泛的應(yīng)用展示了部署RIS所帶來(lái)的性能增益，揭示了RIS在無(wú)線通信系統(tǒng)中的有效性[2]。一個(gè)典型的RIS 輔助下行多用戶通信系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)基站與用戶之間的直射鏈路被阻擋時(shí)，基站利用RIS建立的非直射信道實(shí)現(xiàn)下行多用戶通信。

圖1 RIS輔助下行多用戶通信系統(tǒng)

2 RIS輔助雷達(dá)感知

近幾十年來(lái)，無(wú)線通信系統(tǒng)和雷達(dá)感知系統(tǒng)的研究相互借鑒，共同發(fā)展。因此，在RIS輔助無(wú)線通信相關(guān)研究進(jìn)行得如火如荼時(shí)，也涌現(xiàn)出很多關(guān)于RIS 輔助雷達(dá)感知的探索。通過(guò)部署RIS可以改善雷達(dá)收發(fā)機(jī)與感知目標(biāo)的信道環(huán)境，從而提升感知性能。

2.1 雷達(dá)感知需求和指標(biāo)

在物理層的設(shè)計(jì)中，雷達(dá)感知需求主要包括檢測(cè)和估計(jì)[3-4]。檢測(cè)是一個(gè)二分類或多分類任務(wù)，常用檢測(cè)概率、誤警率來(lái)衡量；估計(jì)指對(duì)目標(biāo)的方位角、距離、速度、雷達(dá)反射截面積等參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，常用均方誤差（MSE）或克拉美羅界（CRB）來(lái)衡量?？紤]到檢測(cè)概率、MSE、CRB等指標(biāo)難以直接優(yōu)化，現(xiàn)有研究大多采用一些間接手段，比如優(yōu)化發(fā)射波形的波束方向圖、最大化雷達(dá)接收回波的信噪比（SNR）或信干噪比（SINR）等。

2.2 RIS在雷達(dá)感知系統(tǒng)中的應(yīng)用

一個(gè)RIS輔助雷達(dá)感知系統(tǒng)如圖2所示。由于雷達(dá)與目標(biāo)之間的直射（LoS）路徑是實(shí)現(xiàn)感知功能的關(guān)鍵，當(dāng)直射路徑受到遮擋導(dǎo)致信號(hào)很弱甚至不存在時(shí)，可以在雷達(dá)和目標(biāo)之間構(gòu)建一個(gè)虛擬的LoS 信道來(lái)實(shí)現(xiàn)盲區(qū)覆蓋，保證感知性能。考慮到多跳引起的信號(hào)衰減，RIS 一般部署在靠近雷達(dá)發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)的地方。設(shè)計(jì)RIS 反射系數(shù)[5]或聯(lián)合設(shè)計(jì)雷達(dá)發(fā)射波束成形和RIS 反射系數(shù)[6]，可以極大增強(qiáng)雷達(dá)接收的目標(biāo)回波能量，從而提升目標(biāo)探測(cè)性能。這些初步探索證實(shí)了RIS 也能給雷達(dá)感知系統(tǒng)帶來(lái)顯著的性能增益。

圖2 RIS輔助雷達(dá)感知系統(tǒng)

3 RIS輔助ISAC

新興的ISAC 技術(shù)融合了傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)，通過(guò)共享頻帶資源、傳輸波形與硬件平臺(tái)，提升頻譜/能量/硬件效率。在ISAC 系統(tǒng)中部署RIS 給系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入了新的自由度，通過(guò)合理設(shè)計(jì)RIS反射系數(shù)可以智能地調(diào)控系統(tǒng)的無(wú)線傳輸環(huán)境，更好地協(xié)調(diào)并提升通信和感知性能。

3.1 面向6G的ISAC

為了支持未來(lái)6G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速率無(wú)線通信、高精度感知能力、海量設(shè)備接入的愿景，ISAC 技術(shù)通過(guò)共享通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)的頻譜等資源來(lái)解決日益嚴(yán)重的頻譜擁塞問(wèn)題。ISAC 技術(shù)的產(chǎn)生源于無(wú)線通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)存在的許多共通之處，比如，可共用的天線等射頻前端硬件設(shè)備、相似的信號(hào)處理算法，以及一致的寬帶大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)演進(jìn)趨勢(shì)。ISAC 這個(gè)宏觀概念涵蓋了不同層次通信和感知的融合，從簡(jiǎn)單的雙系統(tǒng)共存、協(xié)作，到一體化系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，甚至包含通感融合的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。在通過(guò)共享不同資源獲得系統(tǒng)集成增益和協(xié)作增益的同時(shí)，這些技術(shù)方案也對(duì)ISAC 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4]。比如，如圖3（a）所示，較簡(jiǎn)單的雷達(dá)通信共存（RCC）系統(tǒng)通過(guò)共享通信和雷達(dá)的頻譜資源提升頻譜利用率，對(duì)現(xiàn)有硬件設(shè)施部署影響最小，但是需要合理地設(shè)計(jì)二者的發(fā)射信號(hào)實(shí)現(xiàn)干擾管控；如圖3（b）所示，極具應(yīng)用前景的雷達(dá)通信一體化（DFRC）系統(tǒng)使用同一個(gè)發(fā)射機(jī)在相同的頻帶上發(fā)射雙功能的波形來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和感知功能，極大地提升了頻譜效率，減小設(shè)備尺寸、成本和功耗，但是雙功能發(fā)射波形的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)更好的通信和感知性能權(quán)衡至關(guān)重要。通過(guò)與其他先進(jìn)技術(shù)交織融合，ISAC 能夠?qū)崿F(xiàn)和提升系統(tǒng)的通信與感知能力，因此擁有很大的研究潛力。

圖3 兩種常見(jiàn)的ISAC系統(tǒng)

3.2 RIS輔助ISAC相關(guān)研究

現(xiàn)有研究表明，單獨(dú)在通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中部署RIS可以帶來(lái)顯著的通信/感知性能增益。可以預(yù)見(jiàn)的是，在融合了通信和感知能力的ISAC系統(tǒng)中引入RIS，可以更加靈活地協(xié)調(diào)、提升系統(tǒng)的通信和感知性能。對(duì)于RCC系統(tǒng)，在基站和雷達(dá)之間部署RIS能夠提升通信用戶性能，實(shí)現(xiàn)較好的干擾管控[7]。對(duì)于DFRC系統(tǒng)，當(dāng)探測(cè)目標(biāo)的距離遠(yuǎn)大于基站與RIS的距離時(shí)，部署RIS幾乎不影響目標(biāo)回波，但依然可以提升系統(tǒng)的通信性能[8]；考慮較近目標(biāo)時(shí)，通過(guò)合理優(yōu)化RIS反射系數(shù)，可以在提升通信性能的同時(shí)增強(qiáng)反射路徑接收的目標(biāo)回波能量[9-10]/削弱雜波能量[11]，而且聯(lián)合設(shè)計(jì)基站接收濾波器可以進(jìn)一步提升雷達(dá)感知性能[12-13]。此外，多天線系統(tǒng)的引入以及聯(lián)合波束賦形設(shè)計(jì)使能通信系統(tǒng)同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，使能雷達(dá)系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)目標(biāo)或達(dá)到更好的目標(biāo)探測(cè)效果。表1 對(duì)上述RIS 輔助ISAC 的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)?？梢钥吹剑诓煌腎SAC 系統(tǒng)中，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化RIS 反射系數(shù)和其他變量，可以提升不同的通信和感知性能指標(biāo)。

表1 RIS輔助ISAC相關(guān)研究總結(jié)

3.3 仿真結(jié)果和分析討論

本節(jié)將通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證在DFRC 系統(tǒng)中部署RIS 的有效性。為了方便分析，假設(shè)如圖4 所示的一個(gè)典型的RIS輔助DFRC系統(tǒng)。16天線的基站在N元素RIS的輔助下同時(shí)服務(wù)一個(gè)單天線的用戶，檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，并且存在一個(gè)點(diǎn)雜波干擾源，且所有信道均只包含LoS路徑?；九c用戶/目標(biāo)/雜波的路徑損耗系數(shù)為3.2，RIS與用戶/目標(biāo)/雜波的路徑損耗系數(shù)為2.4，基站與RIS 的路徑損耗系數(shù)為2.2。噪聲功率為-80 dBm，目標(biāo)和雜波的RCS為1，通信需求為10 dB，發(fā)射功率為20 dBW，每個(gè)雷達(dá)脈沖包含20 個(gè)樣本。通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)RIS反射系數(shù)和基站的發(fā)射波形與接收濾波，在滿足通信限制條件和天線恒功率發(fā)射的約束下，使雷達(dá)檢測(cè)的SINR 達(dá)到最大。為了解決這個(gè)復(fù)雜的非凸問(wèn)題，通過(guò)引入輔助變量，并使用主優(yōu)最小化（MM）和交替方向乘子（ADMM）法將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為幾個(gè)可以解決的子問(wèn)題，從而迭代求解。

圖4 RIS輔助DFRC系統(tǒng)及其俯視圖

圖5 展示了二維平面內(nèi)RIS 輔助DFRC 傳輸環(huán)境中不同位置的能量分布?？梢钥吹?，基站形成的有源波束分別指向了目標(biāo)、RIS 和用戶，RIS 形成的無(wú)源波束也指向了目標(biāo)和用戶，同時(shí)雜波干擾源處的能量得到了抑制。

圖5 不同位置的能量分布圖

圖6 展示了基站接收的不同路徑目標(biāo)回波強(qiáng)度（以信噪比的形式表示）。與沒(méi)有部署RIS 的DFRC 方案相比，更多的RIS 反射單元帶來(lái)的總增益更大。隨著RIS 反射單元的增多，RIS 所能帶來(lái)的增益變大。所以反射路徑的信號(hào)強(qiáng)度逐漸變大，直射路徑的反而減小。當(dāng)N增大到一定程度時(shí)，兩次經(jīng)過(guò)RIS的路徑最強(qiáng)。這些結(jié)果驗(yàn)證了部署和聯(lián)合優(yōu)化RIS的優(yōu)勢(shì)，還表明了大規(guī)模RIS的有效性。

圖6 不同路徑接收回波信號(hào)強(qiáng)度

4 RIS輔助ISAC的未來(lái)研究方向

上述研究初步證實(shí)了RIS 輔助ISAC 系統(tǒng)的可行性和有效性。為了進(jìn)一步提升RIS 輔助ISAC 的性能，促進(jìn)更多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的部署實(shí)施，本章中將探討了一些亟待解決的問(wèn)題和相關(guān)的未來(lái)研究方向。

4.1 RIS在近場(chǎng)通信與近場(chǎng)感知中的應(yīng)用

隨著超大規(guī)模反射陣列和更高載波頻率的發(fā)展，RIS的近場(chǎng)范圍逐漸變大。另一方面，為了獲得更大的反射增益，RIS 通常部署在靠近發(fā)射機(jī)/接收端的位置。因此，近場(chǎng)通信/感知是未來(lái)6G 網(wǎng)絡(luò)必須要面對(duì)的場(chǎng)景。在遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸中，近似為平面波的電磁波可以將波束指向某個(gè)特定角度；而在近場(chǎng)傳輸中，呈現(xiàn)球面波特性的電磁波可以將波束集中在特定角度和特定距離的地方。這個(gè)特性對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)既是挑戰(zhàn)又是機(jī)遇：一方面，基于球面波的建模使得系統(tǒng)的信道估計(jì)和波束設(shè)計(jì)等問(wèn)題都更加復(fù)雜，尤其是當(dāng)RIS的反射單元個(gè)數(shù)和基站的天線數(shù)較多時(shí)；另一方面，球面波可以利用更多的空間DoFs，在提升通信容量、實(shí)現(xiàn)更高感知距離/角度分辨率、提升定位精度方面具有潛力。因此，對(duì)于RIS部署在近場(chǎng)區(qū)域的ISAC 系統(tǒng)，合理的建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)將有助于實(shí)現(xiàn)更好的通信和感知性能。

4.2 RIS在雙站感知中的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較強(qiáng)的目標(biāo)回波信號(hào)，避免共置收發(fā)機(jī)之間的干擾，雙站感知系統(tǒng)比上述單站感知使用得更加廣泛。在基于雙站感知的ISAC 系統(tǒng)中部署RIS 有雙重優(yōu)勢(shì)：一方面，對(duì)于雙站系統(tǒng)中至關(guān)重要的同步問(wèn)題，部署RIS 可以構(gòu)建一條相對(duì)穩(wěn)定的虛擬LoS 信道，用于在實(shí)際直射信道遮擋或較弱的情況下提供較強(qiáng)的參考信號(hào)；另一方面，同時(shí)在ISAC發(fā)射端和感知接收端部署RIS，可以更好地實(shí)現(xiàn)通信感知性能權(quán)衡，探測(cè)信號(hào)集中和雜波分離的功能。

4.3 RIS在寬帶ISAC系統(tǒng)中的應(yīng)用

分析RIS的硬件實(shí)現(xiàn)電路可以發(fā)現(xiàn)，這些反射器件對(duì)不同頻率入射信號(hào)產(chǎn)生的響應(yīng)也不相同，即RIS具有頻率選擇性。而現(xiàn)有關(guān)于RIS輔助寬帶系統(tǒng)的研究并沒(méi)有考慮這一特性，這將不可避免地降低通信服務(wù)質(zhì)量，并將導(dǎo)致目標(biāo)回波的多普勒頻率模糊，影響對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)。因此在建模RIS輔助寬帶ISAC系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該將RIS的頻選特性考慮在內(nèi)，并探索其對(duì)寬帶通信和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的影響。

4.4 ISAC系統(tǒng)中的多種RIS部署方式

除了現(xiàn)有ISAC 研究中采用的單個(gè)無(wú)源RIS 固定部署，還有諸多其他類型和部署方式的RIS。（1）有源RIS：它可以放大入射信號(hào)從而克服信號(hào)多跳造成的路徑衰減，因此部署有源RIS 并聯(lián)合設(shè)計(jì)其放大系數(shù)和相移，可以極大提升ISAC 系統(tǒng)的通信和感知能力；（2）多個(gè)RIS：在通信/感知的熱點(diǎn)區(qū)域或邊緣區(qū)域部署多個(gè)RIS，合理優(yōu)化其部署位置并聯(lián)合設(shè)計(jì)RIS 反射系數(shù)，可以提供大規(guī)模反射陣列增益，從而保證熱點(diǎn)區(qū)域的高通信吞吐量、高精度感知，以及邊緣區(qū)域的通信與感知覆蓋；（3）無(wú)人機(jī)攜載RIS：利用無(wú)人機(jī)引入的移動(dòng)性，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)路線和RIS 反射系數(shù)，可以提供低空通信和感知，覆蓋由于地面障礙產(chǎn)生的盲區(qū)。

4.5 基于人工智能技術(shù)的算法設(shè)計(jì)

在RIS輔助的ISAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要優(yōu)化的RIS反射系數(shù)一般較多且為離散值。RIS級(jí)聯(lián)信道需要估計(jì)的參數(shù)更多，具體的感知性能指標(biāo)難以顯式地表達(dá)和優(yōu)化。因此，基于傳統(tǒng)優(yōu)化方法的算法設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，不利于RIS 的實(shí)際部署。基于人工智能（AI）技術(shù)的算法設(shè)計(jì)是一個(gè)新的思路，有望提供一個(gè)更高效、更魯棒、通信和感知性能更好的解決方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為兩個(gè)新興技術(shù)的結(jié)合體，智能超表面輔助的通信感知一體化支持高質(zhì)量、廣覆蓋、高可靠的通信和感知功能，將為未來(lái)6G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供有力的支撐。本文首先概述了相關(guān)技術(shù)的原理和研究現(xiàn)狀，然后討論了若干亟須解決的問(wèn)題和未來(lái)的研究方向，期望能促進(jìn)該技術(shù)在更多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的研究。