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/或相位來獨立地反射入射信號，從而協(xié)同地實現(xiàn)用于定向信號增強或零陷的精細的三維（3D）無源波束形成。與現(xiàn)有的發(fā)射機/接收機無線鏈路適配技術(shù)形成鮮明對比，IRS通過高度可控和智能信號反射主動地修改它們之間的無線信道。這為進一步提高無線鏈路的性能提供了新的自由度，為實現(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被動波束形成，IRS反射的信號可以與來自其它路徑的信號建設(shè)性地相加，以增強接收機處的期望信號功率，或者破壞性地消除諸如同信道干擾等不期望信號。

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，具有可擴展的成本和低能耗，而無需在無源IRS之間進行復(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。作為對現(xiàn)有的無線系統(tǒng)補充，IRS可以以較低的成本在無線網(wǎng)絡(luò)中實際部署和集成。

智能反射面通信優(yōu)勢

（1）每一個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，均能單獨對信號進行反射；

（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小于信號傳輸距離時，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均能反射信號；

（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，接收端信號強度高，同時智能反射面支持全雙工傳輸；

（5）使用方便，可以根據(jù)實際應(yīng)用設(shè)計智能反射面的尺寸，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，不需要對現(xiàn)有的通信系統(tǒng)進行較大修改。

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。下面給出5個場景的例子：

應(yīng)用一： 當(dāng)用戶處于一個死角（dead zone）之時，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。

應(yīng)用二： 展示IRS用于改進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，或者qietingqi位于與合法用戶（例如，用戶2）相同的方向時，可實現(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反射的信號可以被調(diào)諧以抵消來自qietingqi處的BS的（非IRS反射的）信號，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，本小區(qū)的基站信號衰減嚴重，同時還會受到鄰小區(qū)的信號干擾。 那么通過設(shè)計智能反射面，可以增強本小區(qū)的信號，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。 多個裝置之間互相通信，相當(dāng)于多個發(fā)送端和多個接收端同時通信， 顯然互相會有干擾， 通過設(shè)計智能反射面可以盡可能消除干擾信號，增強正確信號。

應(yīng)用五： 展示IRS在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)對雜項設(shè)備的同時無線信息和功率傳輸（SWIPT）的應(yīng)用，其中，IRS的大孔徑被用來補償通過無源波束形成到附近物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠距離顯著功率損失，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，這個是可以被數(shù)字控制的。 通過適當(dāng)設(shè)計它的 形狀/大小/方向/排布， 可以相應(yīng)地改變它的信號響應(yīng)（改變?nèi)肷湫盘柕囊欢ǖ姆认辔唬嶋H中，通過使用PIN二極管，F(xiàn)ETs或者MEMS switches等電子元件，實現(xiàn)對其響應(yīng)的實時調(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，與入射信號直接相互作用。在該層的后面，使用銅板來避免信號能量泄漏。最后，內(nèi)層是一個控制電路板，負責(zé)調(diào)整每個元件的反射振幅/相移，由附在IRS上的智能控制器觸發(fā)。在實踐中，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）可以被實現(xiàn)為控制器，它還充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，通過單獨的無線鏈路與其他網(wǎng)絡(luò)組件（例如BSs、AP和用戶終端）進行通信和協(xié)調(diào)，以便與它們進行低速率信息交換。

圖2中還示出了單個元件結(jié)構(gòu)的一個示例，其中PIN二極管嵌入在每個元件中。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，可以獨立地實現(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)計中采用可變電阻負載。例如，通過改變每個元件中電阻的值，入射信號能量的不同部分被耗散，從而在[0，1]中實現(xiàn)可控反射振幅。在實踐中，期望對每個元件的振幅和相移具有獨立的控制，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)表達式模擬RIS上單個反射單元的信號模型，如下式所示：

其中，

表示第n個反射單元的入射信號，

表示第n個反射單元的反射信號，

表示信號經(jīng)第n個反射單元反射后振幅的調(diào)節(jié)，

表示信號經(jīng)第n個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現(xiàn)對信號幅值和相位的控制。為了達到智能反射面最理想的波束成形效果，假設(shè)所有信號經(jīng)反射單元反射后振幅不變，即

。對于1-Bit相位智能反射面來說，整個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)可以進一步提高量化精度，對于反射信號來說，后續(xù)可以通過波束成形技術(shù)增強特定方向的信號強度。根據(jù)廣義斯涅爾反射定律可得，入射信號到達RIS相鄰的反射單元時，通過相位的變化可以改變反射信號方向，RIS的控制器的作用即為適實時調(diào)整每一個反射單元內(nèi)部的無源器件參數(shù)，從而實現(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)對入射信號的定向反射，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，故稱為被動波束成形（Passive Beamforming，PB）。當(dāng)入射信號到達反射面時，每個反射單元會對信號進行獨立作用，改變信號的幅度、相位、頻譜和極化方式等，并將其反射出去，在本文中假設(shè)被動波束成形即為改變信號相位。

智能反射面挑戰(zhàn)和難點

反射面的反射因子設(shè)計

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

不同的目標(biāo)同樣也能求得不同的反射矩陣。

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

信道估計

信道估計是另一個重要難點。 上一節(jié)中所說的反射因子的設(shè)計，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轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號進行信道估計處理的話，可以在智能反射面端進行信道估計，這里的方法會類似于傳統(tǒng)的信道估計方法，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。 則反射面沿用該碼字進行數(shù)據(jù)傳輸，而無需直接估計信道。