文 献 综 述
一、背景概述
5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，相较于4G，5G带来了巨大的技术革命，包括高载波频率、大带宽、超密集的基站和设备网络以及前所未有的天线数量[1]-[3]。在传输速率方面，一个普遍的共识是5G的聚合数据速率（网络能传输的数据总量）应达到4G的1000倍 [2]。为此学术界研究了各种无线技术，其中最突出的是超密网络、大规模多输入多输出（Multiple input and multiple output, MIMO）和毫米波通信[3]。但正在部署的5G蜂窝系统不断暴露出该系统固有的速率局限，这推动着学术界对于下一代6G无线通信系统的探讨[4]。而在智能和可重构无线环境的新范式启发下，智能反射表面（Intelligent Reflecting Surfaces, IRS）被认为是6G的关键候选技术之一[5]。
现有的商用移动通信使用的微波频段（300MHz-3GHz）几乎已经被完全使用，因此为了获得大量的新带宽，只有一种方法：提高通信频段。而在30-300GHz的毫米波段范围确实存在相对空闲的频谱，并且在20-30GHz有着若干个合理的通信频段[2]。但若采用毫米波段进行通信，就必须考虑到毫米波所带来的高路径损失、障碍物周围的低衍射能力、低穿透能力对通信系统性能的影响。而大规模MIMO技术为解决毫米波段的高路径损失问题提供了一种可能性。大规模MIMO是从4G通信所使用的MIMO技术不断发展而来的。大规模MIMO系统在基站端使用包含数百个天线的天线阵列，这些天线同时服务几十个用户终端，通过波束成形技术提高辐射效率100倍并且利用空间复用技术增加10倍以上的容量[6][7]。值得注意的是，大规模MIMO是与毫米波通信相辅相成的，由于毫米波的频段较高，其波长也较短，因此天线的长度及天线间的间距也较短，这便于将大量的天线阵集成在较小的空间内从而避免了天线数量的增加所带来的基站体积臃肿的问题。
传统的MIMO技术通常采用每一根天线配备一条射频链路，其中包含高性能模数转换器、移相器、功率放大器等组件，但若采用大规模MIMO技术，基站端配备数百根天线，这种硬件架构会带来高成本以及高功率消耗问题。因此大规模MIMO通常采取混合波束成形架构，即将少量的射频链路连接到大量的天线上，通过减少射频链路来避免高昂的成本以及巨大的功耗[8]。混合波束成形通常是模拟波束成形和数字波束成形级联构成，其中模拟波束成形用于形成高增益的定向波束，但具有有限的空间分辨率；而数字波束成形用来削弱不同数据流之间的串扰，这点与传统MIMO类似[9]。除了混合波束成形技术外，IRS同样能够有效降低硬件成本、提高频谱和能量效率，实现可持续无线网络的进化[10]-[12]。
二、IRS简介
IRS是一种新型的革命性技术，它能够通过软件控制集成在反射表面上的大规模低成本被动反射元件来巧妙地重新配置无线传播环境，从而显著地提高无线通信网络的性能，如图1所示。具体来说，智能反射表面上的每个反射单元都可以独立地控制其振幅和相位来反射入射信号，从而协同实现细粒度的三维无源波束形成，用于定向信号的增强或衰减[11]。从图1可以看出，每个用户与基站之间至少存在两条通信信道，一条是基站与用户之间的直接通信信道，一条是由IRS辅助的基站-IRS-用户反射通信信道。智能反射表面具有广阔的应用前景，可用于解决室内通信盲点问题，提高物理层安全，降低单元边缘用户来自相邻基站的干扰以及D2D通信网络的构建[12]。
图1 智能反射表面辅助的多用户通信系统[13]
一个典型的IRS硬件架构由三层平面以及智能控制器组成，如图2所示。第一层，即最外层，具有大量的反射单元结构，直接与入射信号相互作用。第二层是一个金属平面，其作用为抑制入射电磁波在反射面表层背后的泄漏，提高反射效率。第三层是一个金属控制电路板，负责调整每个反射单元的反射幅度和相位来改变反射信号，由智能控制器控制[11]。在工程应用中，可由现场可编程门阵列作为实际系统中的控制器，并且若智能反射表面配备主动式传感器用于获取环境信道状态信息，智能控制器也可以实现反射模式和感知模式这两种模式间的切换。文献[14]利用PIN二极管实现了2bit移相精度的反射单元，即反射角度取值集合为，并在此基础上设计了基于IRS的无线通信系统雏形，该反射表面具有256个2bit移相精度的反射单元。实验测试结果表明在2.3GHz下，所设计的IRS结构可以获得21.7dBi的天线增益，而在毫米波段28.5GHz下，可以获得19.1dBi天线增益，没有明显的增益损失，充分说明了基于IRS的无线通信系统的可行性与有效性。
