IRS综述

参考文献：[1] Wu Q , Zhang R . Towards Smart and Reconfigurable Environment: Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Network[J]. 2019.

一、Signal Model

• 每个IRS元素下的等效基带信号模型

  $y_n={\beta }_n{e}^{j{\theta }_n}{x}_{n}n=1,2,...,N$

• 模型约束
  反射幅度：${\beta }_n\in [0,1]$
  相唯一移：${\theta }_n\in [0,2\pi )$
  元素序号：$N$

• 特别地
  全吸收：${\beta }_n=0$
  全反射：${\beta }_n=1$

二、Hardware Architecture

IRS体系结构

由三层结构和一个智能控制器组成：

• 最外层：（reflecting element）大量金属元素被印刷在介电基板上，直接与入射信号相互作用
• 中间层：（copper backplane）铜板，避免信号能量泄漏
• 最里层：（control circuit board）控制电路板，由智能控制器触发，负责调整每个元素的反射幅度/相移
• 控制器：（IRS controller）可由FPGA实现，还可充当网关，通过单独的无线链路与其他网络组件（例如BS、AP和用户终端）进行通信和协调，以实现低功耗信息交换

单个IRS元素结构

每个元素都嵌入了PIN二极管：

• 通过经由DC馈线控制其偏置电压，PIN二极管在“开”、“关”状态之间切换，从而产生 $\pi$ 的相位差
• 为了有效地控制反射幅度，可以在元件设计中施加可变电阻负载
• 通过更改每个元件中的电阻值消耗入射信号能量的不同部分，从而在 $[0,1]$ 中实现可控制的反射幅度

离散幅度和相移模型

连续的幅度和相移动模型对元素尺寸和成本有较大限制
所以实际应用中，使用离散幅度和相移，仅通过少量控制位，具有更高的成本收益
例如，1bit用于两级幅度控制（反射或吸收）或者 用于两级相移（0 or $\pi$）

三、IRS Application

IRS增强覆盖 （图一）

• 通过智能反射建立视距链路绕开障碍
• 解决mmWave室内覆盖死角问题

IRS辅助安全通信 （图二）

• 基站到窃听者的距离小于用户 或者 窃听者处于基站到用户之间 时
• 将IRS部署在窃听者附近，可以对IRS反射的信号进行调谐，以抵消窃听者从BS接收到的（非IRS反射）信号，从而有效地减少信息泄漏

IRS辅助消除干扰 （图三）

• 同时增强所需信号并抑制干扰来提高边缘用户的信噪比
• 在IRS附近创造单一热点区域和无干扰区域

IRS增强网络吞吐量

• 一种新型有源BS/AP和无源IRS混合网络
• 边缘信号增强、热点信号增强
• 无需额外耗能增加网络容量
• 应用场景：人口密集区域的eMBB

IRS辅助SWIPT （图五）

• SWIPT的性能瓶颈：长距离无线电能传输的低能量效率
• IRS辅助充电区域提高WPT效率
• 通过IRS无源波束成形补偿IoT因长距离传输损失的巨大能耗
• 应用场景：智能家居、智能仓库

四、IRS Advantages

有源无线中继

• 与通过信号再生和重传辅助源-目的地通信的有源无线中继相比
• IRS不使用有源发送模块，仅将接收到的信号反射为无源阵列
• 有源中继通常是半双工模式，IRS是全双工模式

传统反向散射通信

• 例如RFID
• 反向散射通信中的读取器需要在其接收器处实现自干扰消除，以解码标签的消息
• IRS辅助，直传信号和反射信号携带同样的有用信息，在reader处混合以加强用于解码的传输信号

大规模MIMO

• IRS的阵列架构（无源与有源）和操作机制（反射与传输）不同
• IRS不同于基于有源表面的大规模MIMO