研究背景
從1G到5G，無線信道通常被認為是無線通信系統中不可調控的部分。近年來，隨著超材料技術的快速發展，智能超表面技術（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）因其具有調控無線信道的能力，為通信系統的設計提供了一種新的范式，是未來6G中頗有前景的關鍵技術之一。
圖1. 部署智能超表面（RIS）改變無線信道
2
問題與挑戰
智能超表面技術在理論上帶來與表面單元數的平方成正比的信噪比增益（對應更高的系統容量），比大規模MIMO可實現的信噪比增益更高，這也是該技術備受關注的主要原因之一。然而，該技術同時也引入了“乘性衰落”效應，即RIS反射路徑的衰減與基站到RIS以及RIS到用戶這兩段路徑長度的乘積（而不是其加和）的平方成正比，這將嚴重“吃掉”RIS帶來的增益。因此，RIS只能在直射徑被遮擋的非典型通信場景下獲得可觀的容量增益，而在直射徑較強的典型通信場景中，現有的無源RIS能夠帶來的實際容量增益是微不足道的（如圖2所示，非典型場景下的容量增益為65%，但典型場景下的增益只有3%）。現有絕大部分研究都忽略了這一制約RIS廣泛應用的基本問題（比如通常假設直射路徑不存在，或者其衰減因子明顯高于RIS反射路徑）。
圖2. 現有的無源RIS難以在典型場景下獲得可觀的增益
3
創新方法
為解決上述制約RIS廣泛應用的基本問題，我們提出了有源RIS這一新概念及其對應的信號模型和系統設計方法。如圖3所示，與現有的無源RIS只能被動地反射信號而不能對其進行放大不同，有源RIS通過在每個（或者部分）RIS單元上集成額外的反射式功放，從而對反射信號進行調控的同時，還能對其進行高增益的放大。
圖3. 無源RIS vs. 有源RIS
對于有源RIS，由于其引入了有源器件，其引入的噪聲不再像無源RIS那樣可忽略，故其信號模型與無源RIS也明顯不同。為此，我們構建了包含有源噪聲將被如何放大的有源RIS信號模型。為了驗證這一信號模型的正確性，我們研制了一個工作于現有5G主流頻段3.5GHz的64單元有源RIS（見圖4），并搭建了測試平臺（見圖5），通過實測數據對信號模型進行回歸分析和驗證。測試結果表明（見圖5），有源RIS能以一定功耗為代價，對反射信號進行高達25dB的放大，同時由于有源器件的引入，有源RIS也會引入并放大噪聲，從而驗證了我們構建的有源RIS信號模型的正確性。
圖4. 研制的3.5GHz有源RIS
進一步，基于上述有源RIS信號模型，我們從理論上定量分析了有源RIS帶來的系統容量極限，并給出了有源RIS輔助的MIMO系統的容量最大化問題。我們也提出了一種聯合發射和反射預編碼的算法來解決這一問題。
仿真結果表明，與沒有部署RIS這一共同基線相比，現有的無源RIS在典型應用場景中僅能實現約3%的容量增益，而我們提出的有源RIS可獲得129%的顯著容量增益，從而有效克服了RIS“乘性衰落”效應。相比于現有的無源RIS，有源RIS在典型和非典型場景下均能獲得顯著的性能增益，并遠高于無源RIS可獲得的性能增益，故有望在未來6G系統中得到廣泛應用。
