智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）技術(shù)可以順利獲得大量無源可控單元實現(xiàn)對無線通信環(huán)境的智能調(diào)控，被廣泛視為未來6G通信的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，該技術(shù)同時也引入了“乘性衰落”效應(yīng)，即RIS反射路徑的衰減取決于基站到RIS以及RIS到用戶這兩段路徑長度的乘積（而不是其加和）。得益于RIS單元的低成本、低功耗優(yōu)勢，未來RIS更有可能開展為超大規(guī)模RIS，順利獲得進(jìn)一步增加單元數(shù)目以獲取更高的增益來彌補(bǔ)其嚴(yán)重的路損。圖1和圖2分別展示了麻省理工學(xué)院研制的3200單元的超大規(guī)模RIS和清華大學(xué)團(tuán)隊研制的2304單元的超大規(guī)模RIS。圖3展示了超大規(guī)模RIS輔助的無線通信系統(tǒng)。

圖1. 麻省理工學(xué)院研制的3200單元的超大規(guī)模RIS

圖2. 清華大學(xué)研制的2304單元的超大規(guī)模RIS

圖3. 超大規(guī)模RIS輔助的無線通信系統(tǒng)

問題與挑戰(zhàn)

從RIS到超大規(guī)模RIS，不僅僅是RIS單元數(shù)目的量變，更蘊(yùn)含著電磁場結(jié)構(gòu)的質(zhì)變。具體而言，電磁波的場結(jié)構(gòu)通常分為近場和遠(yuǎn)場，遠(yuǎn)近場的分界線由瑞利距離決定，瑞利距離正比于陣列尺寸的平方。當(dāng)RIS的陣列尺寸不是很大時，瑞利距離比較小，散射體一般分布于RIS的遠(yuǎn)場范圍，信道可以采用平面波假設(shè)進(jìn)行建模，每條信道路徑對應(yīng)的陣列響應(yīng)向量僅與路徑角度相關(guān)。從RIS 開展為超大規(guī)模RIS，隨著RIS 單元數(shù)目的增加，超大規(guī)模RIS的陣列尺寸變大，其瑞利距離也隨之增加，散射體很可能分布于RIS的近場范圍，信道應(yīng)該采用更精確的球面波進(jìn)行建模，近場陣列響應(yīng)向量與散射體所在的具體位置相關(guān)。同時，如圖3所示，RIS場景與MIMO、MISO/SIMO場景下的的近場通信范圍也有較大差別，RIS更容易工作在近場環(huán)境下。

圖4. RIS比MIMO、MISO/SIMO更容易工作在近場環(huán)境

為充分發(fā)揮RIS帶來的性能優(yōu)勢，通常需要采用波束訓(xùn)練方法從包含多個RIS指向性波束的碼本中尋找出最優(yōu)的RIS波束?，F(xiàn)有的波束訓(xùn)練方法通常采用遠(yuǎn)場碼本，即基于遠(yuǎn)場陣列響應(yīng)向量來設(shè)計RIS波束，但遠(yuǎn)場碼本與超大規(guī)模RIS的近場信道模型不匹配，這使得遠(yuǎn)場波束訓(xùn)練方法在超大規(guī)模RIS輔助的近場通信中存在較為嚴(yán)重的性能損失。

創(chuàng)新方法

為解決上述遠(yuǎn)場碼本與近場信道模型不匹配的問題，論文基于近場陣列響應(yīng)向量設(shè)計近場碼本以匹配近場信道模型，并提出對應(yīng)的近場波束訓(xùn)練方案。為降低近場波束訓(xùn)練開銷，論文進(jìn)一步提出基于分層近場碼本的近場波束訓(xùn)練方案。

不同于僅和路徑角度相關(guān)的遠(yuǎn)場陣列響應(yīng)向量，近場陣列響應(yīng)向量與散射體所在的位置有關(guān)，超大規(guī)模RIS信道的近場陣列響應(yīng)向量進(jìn)一步取決于基站和RIS 之間的散射體位置以及RIS 和用戶之間的散射體位置。所提的近場碼本設(shè)計方法主要分為以下三個步驟：

① 將基站和RIS之間的散射體所在的三維空間以及RIS和用戶之間的散射體所在的三維空間根據(jù)一定的采樣步長均勻劃分，生成兩種采樣點集合，分別對應(yīng)于基站與超大規(guī)模RIS之間散射體的候選位置和超大規(guī)模RIS與用戶之間散射體的候選位置；

② 依次遍歷兩種采樣點集合，每次從兩個集合中各取一個采樣點構(gòu)成一對采樣點，根據(jù)超大規(guī)模RIS信道的近場陣列響應(yīng)向量構(gòu)建近場碼字，每個碼字取決于兩個采樣點分別到RIS單元的距離之和，即等效的采樣距離；

③ 將所有對采樣點對應(yīng)的碼字拼接在一起生成整個近場碼本（值得注意的是，不同對的采樣點可能產(chǎn)生同樣的等效采樣距離，從而生成同樣的碼字，所以需要在生成的近場碼本中刪掉多余的重復(fù)碼字）。

基于上述近場碼本，可以依次向超大規(guī)模RIS賦近場碼字，采用遍歷搜索的思路完成近場波束訓(xùn)練過程。然而，由于超大規(guī)模RIS信道的近場陣列響應(yīng)向量是由一對采樣點聯(lián)合確定的，近場碼本尺寸通常非常大，遍歷搜索會導(dǎo)致巨大的波束訓(xùn)練開銷。為降低近場波束訓(xùn)練開銷，論文進(jìn)一步提出基于分層近場碼本的近場波束訓(xùn)練方案。該方案的基本思路為：第一時間構(gòu)造由多個子碼本組成的分層近場碼本，每個子碼本由不同的采樣范圍和采樣步長決定。然后依次從第一層子碼本搜索至最后一層子碼本，在最后一層子碼本中得到全局最優(yōu)的碼字。

圖5展示了遍歷近場波束訓(xùn)練與分層近場波束訓(xùn)練的區(qū)別?？梢钥闯?，在分層近場波束訓(xùn)練中，后一層子碼本的采樣范圍是由前一層子碼本搜索到的最優(yōu)碼字和采樣步長決定的。相比于遍歷近場波束訓(xùn)練所采用的近場碼本，分層近場碼本的尺寸大大減小，從而可以大幅度降低近場波束訓(xùn)練開銷。

圖5. 遍歷近場波束訓(xùn)練與分層近場波束訓(xùn)練的區(qū)別

有益效果

圖6給出了不同的波束訓(xùn)練方案在超大規(guī)模RIS輔助的近場通信系統(tǒng)中可達(dá)速率隨信噪比的變化曲線，可以看出，論文所提的近場波束訓(xùn)練方案相比于現(xiàn)有的遠(yuǎn)場波束訓(xùn)練方案可以取得更優(yōu)的性能。特別地，相比于遍歷近場波束訓(xùn)練，分層近場波束訓(xùn)練可以在降低開銷約90%的情況下達(dá)到其約95%的性能。

圖6. 不同的波束訓(xùn)練方案可達(dá)速率隨信噪比的變化曲線

論文信息

X. Wei, L. Dai, Y. Zhao, G. Yu and X. Duan, “Codebook design and beam training for extremely large-scale RIS: Far-field or near-field?,” China Commun., vol. 19, no. 6, pp. 193-204, Jun. 2022. (Invited Paper)

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