可重構(gòu)智能表面輔助通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)綜述

關(guān)鍵詞：可重構(gòu)智能表面；通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；頻譜效率

0引言

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)持續(xù)推動(dòng)著社會(huì)、產(chǎn)業(yè)和科技的進(jìn)步。隨著移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）和SG技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活性和兼容性的需求也日益增加。為了滿足這些需求，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界不斷探索新的通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可重構(gòu)智能表面（Reconfigurable

Intelligent

Surface， RIS）作為6G潛在通信技術(shù)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。

RIS是由大量低成本反射陣元組成的表面，每個(gè)反射陣元可以獨(dú)立地對(duì)接收到的電磁波信號(hào)進(jìn)行幅度以及相位調(diào)制，另外，RIS陣元具有可編程重構(gòu)特性，可以單獨(dú)控制每一塊陣元的工作狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行定向聚焦反射。得益于RIS卓越的無(wú)線傳播環(huán)境塑造能力，它的部署給無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來(lái)了更高的自由度與多樣性，能夠顯著提升現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)性能。

基于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，研究者們從不同角度對(duì)RIS輔助的通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，包括最大化系統(tǒng)能量效率、最大化用戶速率、通信鏈路信道估計(jì)等。有研究者進(jìn)一步從信號(hào)處理、物理層安全以及與其他技術(shù)相結(jié)合等角度對(duì)RIS輔助無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行了分析。然而，現(xiàn)有工作并沒(méi)有從整體通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的角度進(jìn)行研究和探討。為了彌補(bǔ)該技術(shù)空白，首次從通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的角度出發(fā)，對(duì)RIS輔助無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究與總結(jié)，提出了目前RIS輔助網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分類(lèi)

傳統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般由接人點(diǎn)（Access Point，AP）、接收機(jī)（Rx）和中繼節(jié)點(diǎn)組成，為了提升接收機(jī)信號(hào)質(zhì)量、系統(tǒng)容量、頻譜效率等性能指標(biāo)，往往是優(yōu)化AP發(fā)射功率或波束形成矢量等，而沒(méi)有考慮信道的“可變性”。相比于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（非RIS），在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中部署RIS可以在不增加額外功耗的前提下，通過(guò)“改變”信道特性達(dá)到擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍、有效提高通信系統(tǒng)的吞吐量和能量效率、增強(qiáng)接收端信號(hào)質(zhì)量和速率等目標(biāo)。然而，現(xiàn)有的工作大多是集中在網(wǎng)絡(luò)性能分析與資源優(yōu)化方面，缺少對(duì)RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的具體闡述、設(shè)計(jì)與總結(jié)。為了促進(jìn)RIS技術(shù)發(fā)展，對(duì)集中式RIS、分布式RIS以及混合式RIS輔助的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行研究顯得尤為重要。

1.1集中式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由AP、RIS面板、中央控制器和用戶分布較為集中的用戶群組成的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，稱(chēng)為集中式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。

在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，全部反射陣元集成為一個(gè)RIS，并服務(wù)于用戶群內(nèi)全部用戶，AP根據(jù)收集的信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）做出估計(jì)，調(diào)整發(fā)射功率或波束賦形發(fā)送信號(hào)到RIS的反射陣元，并將做出的估計(jì)反饋到中央控制器，中央控制器作為信息管理中心對(duì)RIS反射陣元進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)，反射陣元不具備信道估計(jì)和復(fù)雜信號(hào)處理能力，只需根據(jù)中央控制器所反饋的信息調(diào)整相移并將接收信號(hào)反射到用戶端。

采用集中式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶可以獲得較高的增益（用戶可以收到RIS全部反射陣元反射的信號(hào)／波束），且所有陣元集成在同一塊面板，部署成本相對(duì)較低，管理運(yùn)行相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，對(duì)于距離RIS較遠(yuǎn)的用戶，由于路徑損耗增加，信號(hào)衰減嚴(yán)重，無(wú)法滿足其服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求。所以，集中式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)適用于用戶比較集中且用戶與RIS距離較近的應(yīng)用場(chǎng)景，可以有效提高用戶的通信速率。

1.2分布式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于一些應(yīng)用場(chǎng)景中用戶分布較為分散或者缺少基站／信息管理中心，采用集中式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無(wú)法滿足邊緣用戶與用戶隨機(jī)分布較強(qiáng)場(chǎng)景的性能需求。因此，需要將反射陣元分別集成到多塊RIS面板，每塊RIS服務(wù)一個(gè)小用戶群，構(gòu)成如圖2所示的由AP、多塊RIS面板和多個(gè)小用戶群組成的分布式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型。

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中RIS輔助的用戶相對(duì)較少，且用戶群之間的距離較遠(yuǎn)，所以一般不需要單獨(dú)的中央控制器進(jìn)行信息的管理與RIS反射陣元的控制，CSI由相應(yīng)反射面板上的傳感器進(jìn)行感知和估計(jì)，進(jìn)而調(diào)整最佳相移將信號(hào)反射到所服務(wù)的用戶群。

與集中式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，當(dāng)反射陣元總數(shù)量固定時(shí)，可以明顯看出分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，分配給每個(gè)用戶群的反射陣元數(shù)量較少，用戶所獲增益相對(duì)較低。但是，分布式RIS是將RIS面板安裝在不同的位置或建筑物上，覆蓋范圍更廣、靈活度更高，并且即使某塊RIS面板故障，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，具有較高的魯棒性。因此，分布式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般應(yīng)用于用戶位置距AP比較遠(yuǎn)且較為分散的場(chǎng)景，可以在不擴(kuò)大成本的情況下滿足所有用戶的性能需求，且具有較高的可靠性。

1.3混合式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于一些應(yīng)用場(chǎng)景中不同區(qū)域用戶分布密度不同，單獨(dú)采用集中式或分布式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無(wú)法滿足所有用戶的QoS需求。因此，需要將兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)講行結(jié)合，絹成混合式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以滿足整個(gè)系統(tǒng)中不同區(qū)域內(nèi)用戶的性能需求。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型如圖3所示，其中，下半部分為核心區(qū)域，用戶密度較高，采用集中式RIS輔助的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以提高用戶通信速率；上半部分為邊緣區(qū)域，用戶數(shù)量少且較為分散，采用分布式RIS輔助的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以保證每個(gè)用戶與AP之間的正常信號(hào)傳輸。

采用混合式RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶所獲增益可以在集中式和分布式兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之間取得平衡，相應(yīng)地，基站在分配發(fā)射功率和波束賦形時(shí)會(huì)變得復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)合理的算法保證混合式通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中核心區(qū)域用戶和邊緣區(qū)域用戶均能獲得較高的增益。

對(duì)不同RIS輔助無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的信息管理中心、適用場(chǎng)景、優(yōu)點(diǎn)與不足等進(jìn)行了對(duì)比和總結(jié)，如表1所示。

2面向不同信息轉(zhuǎn)發(fā)類(lèi)型的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在RIS輔助的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，單跳和多跳是兩種常見(jiàn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)類(lèi)型。對(duì)于RIS輔助單跳通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，信號(hào)只通過(guò)單個(gè)RIS從AP到接收端；而在RIS輔助多跳通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中需要通過(guò)多個(gè)中間RIS進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)接收端。本節(jié)研究了基于單跳和多跳的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，探討了RIS輔助單跳和多跳通信網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)傳輸?shù)姆椒ê筒呗?，以及不同架?gòu)的適用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1基于單跳的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在傳統(tǒng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到多徑效應(yīng)、陰影衰落等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸質(zhì)量下降，無(wú)法滿足接收端QoS需求，網(wǎng)絡(luò)性能?chē)?yán)重受限。在接收端和AP之間部署一個(gè)RIS可以形成一條AP-RIS-Rx的間接鏈路，其中，RIS作為單跳中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與信號(hào)反射，可以有效解決信號(hào)傳輸質(zhì)量下降問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)接收端信號(hào)增強(qiáng)，并且可以有效提升系統(tǒng)容量。

基于單跳的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4所示。在該架構(gòu)中，單天線／多天線AP發(fā)射信號(hào)／波束到RIS面板，RIS通過(guò)調(diào)整反射陣元的角度，將信號(hào)進(jìn)行聚焦，定向反射到接收端，不僅彌補(bǔ)了傳輸過(guò)程中的損耗和衰減，有效提高信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量，而且減少信號(hào)之間的互干擾。單跳通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般適用于接收機(jī)分布較為集中且距離AP相對(duì)較近的應(yīng)用場(chǎng)景，可以大幅提升系統(tǒng)性能。但是，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸或接收機(jī)分布較為分散的場(chǎng)景，邊緣接收機(jī)信號(hào)質(zhì)量下降嚴(yán)重，且該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的通信覆蓋范圍有限，只能覆蓋到180°。

2.2基于多跳的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于基于單跳的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)覆蓋范圍有限，且無(wú)法滿足距離AP較遠(yuǎn)的邊緣接收機(jī)性能需求，所以需要在收發(fā)端之間部署多個(gè)RIS，形成如圖5所示多跳通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中，每個(gè)RIS均具有獨(dú)立模擬波束賦形的可編程特性，形成一條AP-RIS1-RISi-RISK的多跳級(jí)聯(lián)鏈路，從而有效解決傳輸距離和覆蓋范圍受限的問(wèn)題?；诙嗵腞IS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為多跳RIS輔助蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多跳RIS輔助無(wú)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兩種，下面對(duì)兩種多跳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行具體討論分析。

圖5（a）給出了多跳RIS輔助的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由一個(gè)AP、K個(gè)可獨(dú)立模擬波束形成的RIS和多個(gè)接收機(jī)組成。其中，由于在蜂窩邊緣的接收機(jī)與AP距離較遠(yuǎn)，直接鏈路信號(hào)衰減嚴(yán)重而被忽略，接收機(jī)只接收到RIS反射的波束信號(hào)。此外，第i塊RIS只能收到第i-1塊RIS反射的波束并反射到第i+l塊RIS，直到傳輸?shù)阶詈笠粔KRIS再反射到接收機(jī)。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，不存在最佳鏈路選擇，具有能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、繞障通信、覆蓋范圍可達(dá)360°等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于該架構(gòu)傳輸鏈路較為固定，系統(tǒng)魯棒性較差。

隨著小區(qū)密度的增加，蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨嚴(yán)重的小區(qū)間干擾問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)性能?chē)?yán)重下降。因此，無(wú)蜂窩網(wǎng)絡(luò)概念被提出，并得到了一定的發(fā)展與驗(yàn)證。圖5（b）給出了基于多跳RIS輔助的無(wú)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中部署了多個(gè)AP和RIS面板，同時(shí)為多個(gè)接收機(jī)提供服務(wù)，它們由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況選擇最佳的傳輸鏈路。接收機(jī)不僅可以接收到由附近AP傳輸?shù)闹苯渔溌沸盘?hào)和單跳反射鏈路信號(hào)，而且可以收到距離較遠(yuǎn)處AP發(fā)送的經(jīng)過(guò)多跳反射鏈路傳輸?shù)男盘?hào)。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠滿足不同區(qū)域AP的性能需求，具有較高的QoS和魯棒性，而且覆蓋范圍為360°。

3面向不同環(huán)境應(yīng)用的RIS輔助通信傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

RIS輔助通信傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為一種備受關(guān)注的下一代通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在視距（Line of Sight，LoS）環(huán)境和非視距（Non Line of Sight，NLoS）環(huán)境下均有不同的應(yīng)用，并且RIS與不同的技術(shù)結(jié)合會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響，其資源分配的結(jié)果也不相同。在LoS和NLoS環(huán)境下，針對(duì)不同技術(shù)與RIS結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行分析與討論，為未來(lái)智能無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與部署提供指導(dǎo)。

3.1LoS環(huán)境下RIS輔助的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在LoS環(huán)境中部署RIS可以增加一條經(jīng)RIS反射的虛擬LoS鏈路，從而可以克服LoS環(huán)境中的信號(hào)衰減和速率受限等問(wèn)題，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。探討LoS環(huán)境下RIS輔助的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括RIS輔助的地面通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和RIS輔助的空地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及不同通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中AP與接收端之間的協(xié)同通信機(jī)制等，便于更好地理解LoS環(huán)境下部署RIS在增強(qiáng)通信質(zhì)量、提高頻譜效率和降低能耗等方面的潛力。

3.1.1RIS輔助的地面通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于RIS材料的特殊性，通常安裝在建筑物的表面并結(jié)合波束賦形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)聚焦和指向性傳輸，以提高LoS環(huán)境中接收機(jī)的接收信號(hào)質(zhì)量。圖6給出了LoS環(huán)境下RIS輔助地面通信網(wǎng)絡(luò)的一般架構(gòu)，在該架構(gòu)中，接收機(jī)不僅可以接收到位于地面的AP發(fā)出的直射鏈路波束信號(hào)，而且可以接收到部署在建筑物表面的RIS反射的間接波束信號(hào)，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以克服信號(hào)傳輸過(guò)程中的衰減問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)信號(hào)增強(qiáng)，而且通過(guò)利用波束賦形技術(shù)，使信號(hào)精準(zhǔn)到達(dá)接收端，有效避免信號(hào)之間的干擾，為無(wú)線通信系統(tǒng)提供更可靠、更高效的通信解決方案。研究在LoS環(huán)境下RIS輔助的地面通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)將來(lái)無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有重要參考價(jià)值。

3.1.2RIS輔助的空地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）的高度靈活性和高空懸停能力，使其成為一種理想的通信基礎(chǔ)設(shè)施。另外，將RIS部署在UAV上形成的RIS輔助空地融合通信網(wǎng)絡(luò)，既具有傳統(tǒng)空地融合通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，還可以克服固定RIS覆蓋范圍受限的問(wèn)題，成為一種新型通信范式，受到了研究者們廣泛的研究。圖7給出了LoS環(huán)境下RIS輔助空地融合通信網(wǎng)絡(luò)的一般架構(gòu)，其中，UAV不僅可以作為空中AP，而且UAV可以攜帶RIS，從而使得接收機(jī)不僅可以接收到地面AP的直射信號(hào)，而且可以接收到空中AP的直射信號(hào)以及經(jīng)固定RIS和空中RIS反射的間接鏈路信號(hào)。由于RIS輔助的空地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有響應(yīng)迅速、提供可靠通信服務(wù)、擴(kuò)大通信覆蓋范圍等優(yōu)勢(shì)，因此，在災(zāi)難救援應(yīng)急通信或體育賽事臨時(shí)大型活動(dòng)等應(yīng)用場(chǎng)景具有很大潛力。

3.2NLoS環(huán)境下RIS輔助的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

研究信號(hào)在NLoS環(huán)境下的傳輸一直是無(wú)線通信領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因?yàn)樾盘?hào)在傳輸過(guò)程中LoS通信鏈路經(jīng)常受到地形、建筑物等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)衰減嚴(yán)重和傳輸距離受限等問(wèn)題，傳統(tǒng)的通信技術(shù)存在無(wú)法克服的困難。通過(guò)在通信網(wǎng)絡(luò)中部署RIS，形成一條AP-RIS-Rx的傳輸鏈路，可以有效解決NLoS環(huán)境下信號(hào)傳輸受到遮擋導(dǎo)致的接收信號(hào)微弱和系統(tǒng)頻譜效率受限等問(wèn)題。

本節(jié)深入討論了NLoS環(huán)境下不同技術(shù)與RIS協(xié)同輔助的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)，以及架構(gòu)中不同設(shè)備協(xié)同通信和傳輸?shù)臋C(jī)制。通過(guò)研究和總結(jié)RIS輔助的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅可以更好地了解RIS在NLoS環(huán)境中發(fā)揮的重要作用，而且為未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供新的解決方案。

3.2.1RIS輔助蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在傳統(tǒng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，障礙物的遮擋導(dǎo)致蜂窩覆蓋范圍內(nèi)出現(xiàn)通信盲區(qū)，如圖8所示，通過(guò)在AP和Rx之間部署一個(gè)RIS，構(gòu)建由AP、RIS和用戶群組成的RIS輔助繞障蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。相比于傳統(tǒng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)有效解決了LoS鏈路受阻導(dǎo)致的信號(hào)傳播受限問(wèn)題，擴(kuò)大了蜂窩覆蓋范圍、提高了網(wǎng)絡(luò)頻譜效率，并且接收端具有更高的傳輸速率和更低的延遲，獲得更好的網(wǎng)絡(luò)連接體驗(yàn)。對(duì)于解決當(dāng)前蜂窩網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源緊張的問(wèn)題具有重要意義。

3.2.2RIS輔助能量收集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于IoT網(wǎng)絡(luò)中智能終端等電池供電的設(shè)備數(shù)量急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)功耗和電池更換成本等開(kāi)銷(xiāo)大幅增加。將能量收集技術(shù)應(yīng)用在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中可以有效應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)未來(lái)大規(guī)模IoT網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、綠色節(jié)能通信愿景。NLoS環(huán)境下基于能量收集的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為以下三種。

基于射頻（Radio Frequency，RF）信號(hào)的信息傳輸和能量收集技術(shù)是新一代無(wú)線攜能通信（Simulta-neous Wireless Idormation and Power Transfer， SWIPT）的主要技術(shù)之一。圖9（a）給出了NLoS環(huán)境下基于射頻能量收集的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，AP可以將發(fā)射信號(hào)分成獨(dú)立的能量信號(hào)和信息信號(hào)，并通過(guò)RIS反射到信息用戶端和能量用戶端，不同用戶分別對(duì)通信信號(hào)和能量信號(hào)進(jìn)行信息解碼和能量收集，有效解決終端設(shè)備定時(shí)充電或更換電池的問(wèn)題。

圖9（b）所示網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為NLoS環(huán)境下基于自然資源能量收集的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中AP上方帶有風(fēng)力發(fā)電裝置或太陽(yáng)能板進(jìn)行能量收集并存人AP內(nèi)部電池，供AP使用。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)利用自然資源實(shí)現(xiàn)能量收集，節(jié)約了AP電力能源消耗，是一種低成本綠色通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖9（c）為主動(dòng)RIS輔助的能量收集通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中RIS是配備有源負(fù)載的，并且RIS陣元分為通信陣元和能量陣元，相比于無(wú)源被動(dòng)RIS，其能夠?qū)θ肷湫盘?hào)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)制和放大，而且RIS的能量陣元可以主動(dòng)發(fā)送能量信號(hào)，供傳感器節(jié)點(diǎn)及混合用戶進(jìn)行能量收集。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，雖然主動(dòng)RIS會(huì)消耗一定能量，但是其可以對(duì)信號(hào)起到放大作用，相對(duì)于無(wú)源RIS可以節(jié)省反射陣元數(shù)量，減小RIS面板的體積，而且RIS可以主動(dòng)發(fā)射能量信號(hào)，相比于圖9（a）所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，省略了AP-RIS能量傳輸鏈路，減小了能量在傳輸過(guò)程中的損耗。

3.2.3RIS輔助移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著IoT技術(shù)普及，及時(shí)語(yǔ)音識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)直播、遠(yuǎn)程醫(yī)療等智能應(yīng)用得到了快速發(fā)展，這些應(yīng)用和服務(wù)通常需要處理數(shù)據(jù)量大且對(duì)時(shí)間延遲敏感的任務(wù)，如果完全在本地計(jì)算，將對(duì)電池容量和計(jì)算能力受限的設(shè)備形成巨大的挑戰(zhàn)。在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）技術(shù)，將延遲敏感和計(jì)算密集型任務(wù)卸載到邊緣服務(wù)器上，可以有效減小用戶的負(fù)擔(dān)，節(jié)省能源消耗并提供更低的延遲。在NLoS環(huán)境中，信道條件通常較差，卸載速率通常較低，導(dǎo)致任務(wù)上傳和返回時(shí)延大大增加，甚至比完全本地計(jì)算的性能更差。在MEC網(wǎng)絡(luò)中部署RIS可以有效解決信道條件差導(dǎo)致的時(shí)延問(wèn)題，從而使用戶獲得較高的QoS，RIS輔助的MEC網(wǎng)絡(luò)也受到了廣泛關(guān)注和研究。

圖10給出了NLoS環(huán)境下RIS輔助MEC網(wǎng)絡(luò)的一般架構(gòu)。圖10（a）為RIS輔助的上行地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：用戶設(shè)備位于AP死區(qū)，邊緣服務(wù)器部署在具有較強(qiáng)計(jì)算和存儲(chǔ)能力的AP邊緣，用戶設(shè)備可以將延遲敏感或數(shù)據(jù)量較大的計(jì)算任務(wù)通過(guò)RIS的反射卸載到邊緣服務(wù)器上，相比于傳統(tǒng)MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅具有較高的卸載速率而且獲得更低的時(shí)間延遲。

圖10（b）給出了用戶較為密集場(chǎng)景下RIS輔助的空地融合MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。由于延遲和能量敏感用戶設(shè)備密度較高，數(shù)據(jù)上傳時(shí)延大幅增加，導(dǎo)致地面網(wǎng)絡(luò)擁塞。然而，借助UAV的高度靈活性，將RIS安裝在UAV上，用戶設(shè)備可以將數(shù)據(jù)通過(guò)空中RIS的反射卸載到位于AP附近的邊緣服務(wù)器上，從而有效緩解地面網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力，并保證能量和延遲敏感用戶的QoS。

圖10（c）給出了對(duì)延遲極為敏感場(chǎng)景下RIS輔助的空地融合MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中，AP和UAV均配備有邊緣服務(wù)器，雖然對(duì)延遲極為敏感的用戶設(shè)備距離AP較遠(yuǎn)且受到建筑物的遮擋，但是用戶設(shè)備可以將計(jì)算任務(wù)通過(guò)RIS的反射卸載到位于地面的邊緣服務(wù)器和位于空中的邊緣服務(wù)器上同時(shí)進(jìn)行處理，以保證其時(shí)延QoS。因UAV的能量存儲(chǔ)有限，自身的能量消耗加上邊緣服務(wù)器計(jì)算消耗，導(dǎo)致UAV的服務(wù)時(shí)間有限，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)直播等特殊應(yīng)用場(chǎng)景，提供較為短暫的服務(wù)。

4未來(lái)展望

未來(lái)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)勢(shì)必會(huì)更加靈活、更加簡(jiǎn)潔、更加智能，并且對(duì)設(shè)備的能耗、系統(tǒng)的資源分配復(fù)雜度要求更加嚴(yán)格。而RIS輔助的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比于傳統(tǒng)中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有諸多優(yōu)勢(shì)：

①在無(wú)需增加額外功率消耗的情況下，有效提高系統(tǒng)吞吐量及通信覆蓋范圍。

②可以根據(jù)通信環(huán)境和性能需求的不同，對(duì)反射陣元進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提供更靈活的通信服務(wù)。

③可以?xún)?yōu)化信號(hào)傳輸路徑，克服信號(hào)衰減導(dǎo)致的接收信號(hào)微弱及其他問(wèn)題，并且消耗更低的能源，符合綠色可持續(xù)發(fā)展要求。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)RIS技術(shù)在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用做了眾多貢獻(xiàn)，但是這些研究仍處于理論和工程應(yīng)用初步階段，應(yīng)用在實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)中還面臨以下問(wèn)題和挑戰(zhàn)：

①隱私和安全問(wèn)題。在RIS輔助的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，無(wú)源RIS在傳輸過(guò)程中存在一些數(shù)據(jù)安全和通信隱私問(wèn)題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全保護(hù)機(jī)制以保證信號(hào)在傳輸過(guò)程中不被竊取是有必要的。

②陣元結(jié)構(gòu)問(wèn)題。針對(duì)不同的通信環(huán)境和用戶需求，除了考慮合適的RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，還應(yīng)考慮反射陣元的尺寸以及間距等問(wèn)題，探討最佳的排列方式使反射增益達(dá)到最大。

③陣元材料問(wèn)題。RIS的可重構(gòu)性對(duì)反射陣元電磁材料要求較高，應(yīng)用在工程領(lǐng)域既要保證魯棒性高，還要控制生產(chǎn)以及維護(hù)成本，應(yīng)尋找合適的陣元材料。

④算法適應(yīng)性問(wèn)題。在RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，其通信環(huán)境與設(shè)備數(shù)量是動(dòng)態(tài)變化的，設(shè)計(jì)出能夠根據(jù)環(huán)境和接收機(jī)數(shù)量的變化自適應(yīng)調(diào)整的算法是有必要的，以節(jié)省資源并保證較高的環(huán)境兼容性。

⑤針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和用戶需求采用不同的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行信道建模時(shí)，除了考慮算法對(duì)系統(tǒng)性能的影響，還應(yīng)加強(qiáng)RIS工作頻率以及電磁波的極化方向等因素對(duì)系統(tǒng)性能影響的研究，為未來(lái)RIS技術(shù)工程標(biāo)準(zhǔn)化夯實(shí)基礎(chǔ)。

⑥傳統(tǒng)的感知系統(tǒng)與通信系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。然而，隨著毫米波、太赫茲等頻段在通信領(lǐng)域中的發(fā)展，以及超大規(guī)模天線陣列的應(yīng)用，通信系統(tǒng)具有了較高的分辨率，使得通感一體成為可能。另外，RIS配備大量獨(dú)立反射陣元，從而使得通信系統(tǒng)具備更高的分辨率以及信號(hào)增益，研究RIS輔助的通信感知一體化系統(tǒng)是6G技術(shù)的重要課題。但是，RIS輔助的通感一體網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備數(shù)量多，系統(tǒng)資源有限，且需要同時(shí)支持環(huán)境感知、移動(dòng)通信、數(shù)能同傳、邊緣計(jì)算等多功能業(yè)務(wù)，如何設(shè)計(jì)能夠最大限度支撐該一體化融合網(wǎng)絡(luò)的資源分配與優(yōu)化算法是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

⑦基于RIS的星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)因其通信范圍可以覆蓋海洋、沙漠等傳統(tǒng)通信設(shè)備無(wú)法覆蓋的地區(qū)，且RIS可以用較低的成本和功耗實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波束信號(hào)的調(diào)整和聚焦，從而可以輔助甚至代替?zhèn)鹘y(tǒng)星載相控陣，是6G通信的研究焦點(diǎn)之一。但是，在星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中部署RIS，引入了額外的優(yōu)化變量，且RIS的相位與其他變量耦合度較高，如何降低待優(yōu)化問(wèn)題的維度并設(shè)計(jì)出復(fù)雜度低的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案是一大挑戰(zhàn)。

5結(jié)論

在研究RIS輔助的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是至關(guān)重要的。本文對(duì)RIS輔助的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)行了綜述，介紹了RIS輔助通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的區(qū)別，并對(duì)比和總結(jié)了不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)場(chǎng)景等特點(diǎn)。從不同信息轉(zhuǎn)發(fā)類(lèi)型以及面向不同環(huán)境應(yīng)用的角度，對(duì)不同技術(shù)與RIS結(jié)合組成的地面通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和空地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)闡述；給出了該領(lǐng)域的研究挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展方向。