智能反射面（IRS）是一種全新的技術(shù)，它可以通過在平面上集成大量低成本的無源反射元件，智能地重新配置無線傳播環(huán)境，從而顯著提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能。具體地說，IRS的不同元件可以通過控制其幅度和/或相位來獨(dú)立地反射入射信號(hào)，從而協(xié)同地實(shí)現(xiàn)用于定向信號(hào)增強(qiáng)或零陷的精細(xì)的三維（3D）無源波束形成。與現(xiàn)有的發(fā)射機(jī)/接收機(jī)無線鏈路適配技術(shù)形成鮮明對(duì)比，IRS通過高度可控和智能信號(hào)反射主動(dòng)地修改它們之間的無線信道。這為進(jìn)一步提高無線鏈路的性能提供了新的自由度，為實(shí)現(xiàn)智能可編程無線環(huán)境鋪平了道路。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整3D被動(dòng)波束形成，IRS反射的信號(hào)可以與來自其它路徑的信號(hào)建設(shè)性地相加，以增強(qiáng)接收機(jī)處的期望信號(hào)功率，或者破壞性地消除諸如同信道干擾等不期望信號(hào)。

由于IRS消除了發(fā)射RF鏈的使用，并且只在短距離內(nèi)工作，因此它可以密集部署，具有可擴(kuò)展的成本和低能耗，而無需在無源IRS之間進(jìn)行復(fù)雜的干擾管理。IRS通常是用低輪廓、輕重量和共形幾何形狀制作的，這使得很容易在墻壁、天花板、建筑立面、廣告面板等上安裝/移除它們。作為對(duì)現(xiàn)有的無線系統(tǒng)補(bǔ)充，IRS可以以較低的成本在無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際部署和集成。

智能反射面通信優(yōu)勢

（1）每一個(gè)反射單元都都是由無源器件電容、電阻等構(gòu)成，能耗小、成本低，均能單獨(dú)對(duì)信號(hào)進(jìn)行反射；

（2）當(dāng)智能反射面上反射單元較多且反射單元之間的距離遠(yuǎn)小于信號(hào)傳輸距離時(shí)，智能反射面可理想化為連續(xù)表面，即智能反射面上的任何一點(diǎn)均能反射信號(hào)；

（3）理想情況不需要任何能源，能耗極小；

（4）通信過程中受噪聲影響小，接收端信號(hào)強(qiáng)度高，同時(shí)智能反射面支持全雙工傳輸；

（5）使用方便，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)智能反射面的尺寸，在現(xiàn)有的城市建筑中不需要額外的空間，可直接鋪設(shè)在建筑物外表、室內(nèi)天花板、窗戶（透射形智能反射面）、車頂?shù)任恢茫?/p>

（6）智能反射面更多的是作為無線通信網(wǎng)絡(luò)中的輔助設(shè)備，調(diào)配信道特性，不需要對(duì)現(xiàn)有的通信系統(tǒng)進(jìn)行較大修改。

智能反射表面技術(shù)應(yīng)用

因此可以利用智能反射面，使得用戶更好地接收基站發(fā)送的信號(hào)。下面給出5個(gè)場景的例子：

應(yīng)用一： 當(dāng)用戶處于一個(gè)死角（dead zone）之時(shí)，適當(dāng)?shù)厥褂弥悄芊瓷涿妫梢灾圃斐鲆粭l反射路徑，使得該用戶仍能接收到信號(hào)。

應(yīng)用二： 展示IRS用于改進(jìn)物理層安全性的使用。當(dāng)從BS到qietingqi的鏈路距離小于到合法用戶（例如，用戶1）的鏈路距離時(shí)，或者qietingqi位于與合法用戶（例如，用戶2）相同的方向時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的保密通信速率高度受限（即使在后一種情況下通過在BS處采用發(fā)射波束成形）。然而，如果IRS部署在qietingqi附近，則IRS反射的信號(hào)可以被調(diào)諧以抵消來自qietingqi處的BS的（非IRS反射的）信號(hào)，從而有效地減少信息泄漏。

應(yīng)用三： 當(dāng)用戶位于小區(qū)邊緣時(shí)，本小區(qū)的基站信號(hào)衰減嚴(yán)重，同時(shí)還會(huì)受到鄰小區(qū)的信號(hào)干擾。 那么通過設(shè)計(jì)智能反射面，可以增強(qiáng)本小區(qū)的信號(hào)，并減弱鄰小區(qū)的干擾。

應(yīng)用四： 大規(guī)模設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信的使用場景。 多個(gè)裝置之間互相通信，相當(dāng)于多個(gè)發(fā)送端和多個(gè)接收端同時(shí)通信， 顯然互相會(huì)有干擾， 通過設(shè)計(jì)智能反射面可以盡可能消除干擾信號(hào)，增強(qiáng)正確信號(hào)。

應(yīng)用五： 展示IRS在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)對(duì)雜項(xiàng)設(shè)備的同時(shí)無線信息和功率傳輸（SWIPT）的應(yīng)用，其中，IRS的大孔徑被用來補(bǔ)償通過無源波束形成到附近物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)距離顯著功率損失，以提高向其無線功率傳輸?shù)男省?/p>

智能反射面硬件架構(gòu)

智能反射面的使用主要基于一種叫“meta-atoms”的元件，這個(gè)是可以被數(shù)字控制的。 通過適當(dāng)設(shè)計(jì)它的 形狀/大小/方向/排布， 可以相應(yīng)地改變它的信號(hào)響應(yīng)（改變?nèi)肷湫盘?hào)的一定的幅度相位）。實(shí)際中，通過使用PIN二極管，F(xiàn)ETs或者M(jìn)EMS switches等電子元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)其響應(yīng)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

如圖2所示，IRS的典型架構(gòu)可以由三層和智能控制器組成。在外層，大量的金屬片（元件）被印刷在介電基板上，與入射信號(hào)直接相互作用。在該層的后面，使用銅板來避免信號(hào)能量泄漏。最后，內(nèi)層是一個(gè)控制電路板，負(fù)責(zé)調(diào)整每個(gè)元件的反射振幅/相移，由附在IRS上的智能控制器觸發(fā)。在實(shí)踐中，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）可以被實(shí)現(xiàn)為控制器，它還充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，通過單獨(dú)的無線鏈路與其他網(wǎng)絡(luò)組件（例如BSs、AP和用戶終端）進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，以便與它們進(jìn)行低速率信息交換。

圖2中還示出了單個(gè)元件結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例，其中PIN二極管嵌入在每個(gè)元件中。通過直流（DC）饋電線路控制其偏置電壓，PIN二極管可以在等效電路中所示的“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間切換，從而產(chǎn)生相移差。因此，通過智能控制器設(shè)置相應(yīng)的偏置電壓，可以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)IRS元件的不同相移。另一方面，為了有效地控制反射振幅，可在元件設(shè)計(jì)中采用可變電阻負(fù)載。例如，通過改變每個(gè)元件中電阻的值，入射信號(hào)能量的不同部分被耗散，從而在[0，1]中實(shí)現(xiàn)可控反射振幅。在實(shí)踐中，期望對(duì)每個(gè)元件的振幅和相移具有獨(dú)立的控制，為此，需要有效地集成上述電路。

智能反射面波束成形原理

基于上述的智能反射面具體結(jié)構(gòu)，可以通過數(shù)學(xué)表達(dá)式模擬RIS上單個(gè)反射單元的信號(hào)模型，如下式所示：

其中，

表示第n個(gè)反射單元的入射信號(hào)，

表示第n個(gè)反射單元的反射信號(hào)，

表示信號(hào)經(jīng)第n個(gè)反射單元反射后振幅的調(diào)節(jié)，

表示信號(hào)經(jīng)第n個(gè)反射單元反射后相位的調(diào)節(jié)，

，N為RIS上反射單元的數(shù)目，上式說明智能反射面可以改變和的值來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅值和相位的控制。為了達(dá)到智能反射面最理想的波束成形效果，假設(shè)所有信號(hào)經(jīng)反射單元反射后振幅不變，即

。對(duì)于1-Bit相位智能反射面來說，整個(gè)RIS表面的反射單元分為0單元和1單元，0單元：0°反射相位，1單元：180°反射相位，通過提高bit數(shù)可以進(jìn)一步提高量化精度，對(duì)于反射信號(hào)來說，后續(xù)可以通過波束成形技術(shù)增強(qiáng)特定方向的信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)廣義斯涅爾反射定律可得，入射信號(hào)到達(dá)RIS相鄰的反射單元時(shí)，通過相位的變化可以改變反射信號(hào)方向，RIS的控制器的作用即為適實(shí)時(shí)調(diào)整每一個(gè)反射單元內(nèi)部的無源器件參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)所有反射單元相位調(diào)節(jié)系數(shù)的改變。通過聯(lián)合設(shè)計(jì)所有反射單元的相位調(diào)節(jié)系數(shù)，智能反射面就能完成現(xiàn)對(duì)入射信號(hào)的定向反射，從而能夠適應(yīng)信道傳播環(huán)境，降低信道損耗、擴(kuò)大通信范圍、提高信噪比并顯著提高頻譜利用率。智能反射面通過設(shè)置反射系數(shù)來改變反射相位的這種設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的基站發(fā)射端的波束成形原理相同，故稱為被動(dòng)波束成形（Passive Beamforming，PB）。當(dāng)入射信號(hào)到達(dá)反射面時(shí)，每個(gè)反射單元會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立作用，改變信號(hào)的幅度、相位、頻譜和極化方式等，并將其反射出去，在本文中假設(shè)被動(dòng)波束成形即為改變信號(hào)相位。

智能反射面挑戰(zhàn)和難點(diǎn)

反射面的反射因子設(shè)計(jì)

第一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)于反射因子的設(shè)計(jì)， 或者說，對(duì)于上式中?矩陣的設(shè)計(jì)。 其中，要考慮到由于幅度和相位只有離散的可調(diào)值，這個(gè)問題會(huì)相對(duì)更加復(fù)雜。 一種簡單的思路是先忽略這一限制去求解，最后再對(duì)結(jié)果進(jìn)行量化。 但這顯然會(huì)有性能損失。

不同的目標(biāo)同樣也能求得不同的反射矩陣。

同時(shí)，將發(fā)送的波束成形與反射矩陣進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，往往能達(dá)到更好的效果。
最后，針對(duì)多用戶及寬帶多載波場景，由于反射面只有一個(gè)，那么就要求該矩陣能平衡對(duì)所有用戶-所有頻段性能的折衷要求。

信道估計(jì)

信道估計(jì)是另一個(gè)重要難點(diǎn)。 上一節(jié)中所說的反射因子的設(shè)計(jì)，需要建立在信道信息的基礎(chǔ)上，而如何獲取信道信息是一個(gè)大難題。 作者討論了兩種情況：

1、如果反射面上可以配備射頻鏈路將獲取的信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)處理的話，可以在智能反射面端進(jìn)行信道估計(jì)，這里的方法會(huì)類似于傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法，但也有所挑戰(zhàn)。
2、如果反射面本身不具備射頻鏈路的話，可以采取不直接估計(jì)基站-反射面，或反射面-用戶的信道的策略，而是間接的方式。 如： 在訓(xùn)練階段反射面遍歷既定碼本中的碼字，用戶反饋給基站性能最好的碼字的序號(hào)。 則反射面沿用該碼字進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而無需直接估計(jì)信道。