STAR-RIS輔助的感知定位研究簡(jiǎn)述

劉經(jīng)緯

關(guān)鍵詞： 可重構(gòu)智能表面；STAR-RIS；通感一體化；RIS輔助的定位

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）20-0106-03

0 引言

為了應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的第六代（6G） 無(wú)線通信技術(shù)所需要的極高的頻譜和能量效率，研究者們提出了包括但不限于超大規(guī)模多輸入輸出（Ultra-massive Multiple-Input， Multiple-Output，MU-MIMO） ，超密集網(wǎng)絡(luò)（Ultra-Dense Network， UDN） 和太赫茲（THz） 通信等，但這些技術(shù)都要求大量的基站、天線，會(huì)導(dǎo)致高能耗與高硬件成本。因此，可以通過(guò)在現(xiàn)有無(wú)線環(huán)境中部署RIS，調(diào)整入射到每個(gè)RIS元件上的無(wú)線信號(hào)的相位和幅度，改變無(wú)線信號(hào)的傳播路徑以滿足特定要求。而通信感知一體化系統(tǒng)（Integrated Sensing And Communication，ISAC） 則可以通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)組成的傳感器，更好地感知和理解物理世界，而且，感知所提供的高精度的定位、成像等能力可以幫助通信系統(tǒng)提升性能。值得注意的是，當(dāng)前大部分RIS研究都集中在單一功能RIS，即透射型或反射型RIS上，這種RIS只能實(shí)現(xiàn)半空間的無(wú)線信道調(diào)控，而位于RIS的另一側(cè)的無(wú)線設(shè)備無(wú)法受益，甚至可能比傳統(tǒng)無(wú)線環(huán)境更差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出了一種新穎的同時(shí)透射和反射智能表面的觀點(diǎn)，即STAR-RIS。相比傳統(tǒng)的反射/透射RIS，它可以為通感一體化提供更多覆蓋空間以及更高的自由度，這對(duì)實(shí)現(xiàn)RIS輔助的通感一體化系統(tǒng)具有重要意義。

1 STAR-RIS 簡(jiǎn)介

1.1 基本原理

文獻(xiàn)[1]首次提出STAR-RIS 的概念，STAR-RIS 的每一個(gè)陣列單元可以同時(shí)對(duì)入射信號(hào)進(jìn)行反射和透射，如圖1所示，顯示了STAR-RIS的工作原理。

1.2 工作模式

STAR-RIS的TRCs的改變由控制器控制。為更好地對(duì)STAR-RIS進(jìn)行操作，同時(shí)降低硬件復(fù)雜度，文獻(xiàn)[2]提出了三種STAR-RIS的工作模式，如圖2所示，分別為：

1） 能量分配（Energy Splitting，ES） ：所有陣列單元可以獨(dú)立地同時(shí)進(jìn)行透射和反射；

2） 模式切換（Mode Switch，MS） ：同一個(gè)單元在同一時(shí)刻只能透射或反射；

3） 時(shí)間切換（Time Switching，TS） ：所有的陣列單元在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只能透射或反射。

2 研究現(xiàn)狀

由于較低成本與較小隱私危險(xiǎn)，利用無(wú)線信號(hào)進(jìn)行傳感和定位的服務(wù)已經(jīng)引起了很大的注意[3]。無(wú)線傳感和定位的原理是識(shí)別由環(huán)境動(dòng)態(tài)引起的無(wú)線指紋（即無(wú)線信道的某些特征）的變化[4]，從而感知物理世界的狀態(tài)與變化。

文獻(xiàn)[5]研究了STAR-RIS輔助的同步室內(nèi)與室外三維定位問(wèn)題，給出了相應(yīng)的理論分析和算法設(shè)計(jì)。作者專注于STAR-RIS支持的同步室內(nèi)和室外三維定位，并通過(guò)Fisher信息分析和Cramér Rao下限（CRLB） 研究基本性能限制?；谝蕾囋臃稊?shù)最小化的離線壓縮感知技術(shù)設(shè)計(jì)了一種有效的定位算法，從理論上證明，可以同時(shí)為室內(nèi)和室外用戶實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度三維定位。

文獻(xiàn)[6]研究了基本限制，即通過(guò)Fisher信息分析的Cramér Rao 下限（CRLB） 以及STAR-RIS 在毫米波頻率下的三維 （3D） 定位性能，研究了STAR-RIS透射信號(hào)和反射信號(hào)之間功率分配的影響以及兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)之間的功率分配問(wèn)題。通過(guò)最大化對(duì)應(yīng)于STAR- RIS反射和折射矩陣的兩個(gè)子空間之間的主角，能夠找到這些同時(shí)操作的最優(yōu)解。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)得到很好的優(yōu)化時(shí)，室內(nèi)和室外MS 都可以實(shí)現(xiàn)高精度3D定位。

除了上述傳感和定位應(yīng)用外，STAR-RIS還可以在集成傳感和通信（ISAC） 發(fā)揮作用，STAR-RIS有望使ISAC受益更多，因?yàn)樗梢允垢采w范圍翻倍。此外，ISAC也可能有助于改進(jìn)STAR-RIS輔助的無(wú)線通信。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)傳感功能，用戶可以估計(jì)一些通信參數(shù)（例如到達(dá)角或離開角），從而促進(jìn)CSI獲取，但這在STAR-RIS中是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

文獻(xiàn)[7]提出了一種新穎的STARS傳感結(jié)構(gòu)，其中，專用傳感器安裝在STARS上，以解決傳感的路徑損耗和雜波干擾，推導(dǎo)出傳感目標(biāo)的二維（2D） 到達(dá)方向（DOA） 估計(jì)的Cramer-Rao界（CRB） ，然后根據(jù)最低通信要求將其最小化，提出了一種將復(fù)雜的CRB最小化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可跟蹤的修正Fisher信息矩陣（FIM） 優(yōu)化問(wèn)題的新方法，研究了STARS的獨(dú)立和耦合相移模型：1） 對(duì)于獨(dú)立相移模型，為了解決ISAC 波形和STARS系數(shù)的耦合問(wèn)題，基于懲罰對(duì)偶分解（PDD） 框架的高效雙環(huán)迭代算法；2） 對(duì)于耦合相移模型，基于PDD框架，提出了一種低復(fù)雜度交替優(yōu)化算法，通過(guò)用閉合形式交替優(yōu)化STARS的幅度和相移系數(shù)來(lái)解決耦合相移約束。數(shù)值結(jié)果表明：在通信約束下，STARS 在 CRB 方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng) RIS；對(duì)于低通信要求或足夠的STARS元件，耦合相移模型實(shí)現(xiàn)了與獨(dú)立模型相當(dāng)?shù)男阅?；增加STARS的無(wú)源元件數(shù)量比傳感器的有源元件效率更高；與傳統(tǒng)的 RIS 相比，STARS使用實(shí)用的2D最大似然估計(jì)器可以獲得更高的傳感精度。

文獻(xiàn)[8]提出了一種同時(shí)透射和反射表面（STARS） 的綜合傳感和通信（ISAC） 框架，其中設(shè)計(jì)了一種新型的雙向傳感STARS架構(gòu)，以促進(jìn)全空間通信和傳感?；谒岢龅目蚣?，其提出了一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，其中，用于估計(jì)傳感目標(biāo)二維到達(dá)方向的Cramer-Rao界（CRB） 被最小化，考慮了兩種情況來(lái)增強(qiáng)傳感性能。對(duì)于兩個(gè)用戶的情況，其提出了一種交替優(yōu)化算法，特別在閉合形式的表達(dá)式中獲得了可部署傳感器的最大數(shù)量。對(duì)于多用戶情況，提出了一種擴(kuò)展的CRB （ECRB） 度量來(lái)表征傳感器數(shù)量對(duì)傳感性能的影響?；谒岢龅亩攘?，提出了一種新的基于懲罰的雙環(huán)（PDL） 算法來(lái)解決ECRB 最小化問(wèn)題。為了解決ECRB的耦合問(wèn)題，提出了一種通用的解耦方法，將其轉(zhuǎn)換為易于處理的加權(quán)線性求和形式。仿真結(jié)果表明：考慮傳感器部署，所提出的PDL算法可以實(shí)現(xiàn)接近最優(yōu)的性能；在不違反服務(wù)質(zhì)量要求的通信情況下，減少BS處的接收天線不會(huì)降低感測(cè)性能；就實(shí)現(xiàn)最佳傳感性能而言，最好部署比傳感器更多的無(wú)源元件。

本節(jié)主要介紹了STAR-RIS 的輔助定位以及STAR-RIS輔助的通感一體化的研究情況，表1總結(jié)了相關(guān)研究情況。

3開放問(wèn)題

STAR-RIS在無(wú)線通信中展現(xiàn)出巨大潛力，但目前關(guān)于STAR-RIS的研究仍然有限，有更多的研究領(lǐng)域有待深入討論。

1）在接收的指紋區(qū)別不大的情況下，南于STAR-RIS陣元數(shù)日龐大以及硬件限制，獲取完美的信道狀態(tài)信息會(huì)導(dǎo)致巨大的訓(xùn)練開銷以及復(fù)雜的信號(hào)處理。此外，STAR-RIS的信道估計(jì)設(shè)計(jì)依賴于其硬件設(shè)計(jì)和具體工作模式，并且STAR-RIS的透射和反射系數(shù)都需要與導(dǎo)頻序列共同設(shè)計(jì)。尤其在ES工作模式下，STAR-RIS透射與反射相移相互耦合，這使得信道估計(jì)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，所以傳統(tǒng)的RIS的信道估計(jì)方法不能直接應(yīng)用于STAR-RIS。

2）難以有效地優(yōu)化STAR-RIS的波束形成，因此難以減少傳感和定位誤差。與只關(guān)注反射區(qū)的用戶／物體的RIS輔助的傳感和定位系統(tǒng)不同，STAR-RIS需要考慮平衡反射區(qū)和透射區(qū)的性能，因此不能直接應(yīng)用RIS輔助的傳感和定位系統(tǒng)的方法。

3）STAR-RIS的傳輸和反射特性會(huì)導(dǎo)致STAR-RIS和ISAC節(jié)點(diǎn)之間的鏈路中的兩個(gè)半空間混合回波信號(hào)，從而難以識(shí)別信號(hào)。此外，同波信號(hào)的多次跳躍和STAT-RIS的能量分裂會(huì)導(dǎo)致傳感信噪比，從而影響傳感精度。