【智能反射面的硬件结构及应用场景综述1700字】

智能反射面的硬件结构及应用场景综述智能反射面是由大量无源反射元件组成的平面，每个无源反射元件能够独立的改变入射信号的振幅和相位。通过在无线网络中密集部署智能反射面并巧妙协调它们的幅度和相位，不仅可以灵活的重新配置发射机和接收机之间的无线信道，提升/降低链路质量，而且还从根本上解决了毫米波信道高路径损耗、多基站高成本的问题，并且在无线通信系统加入智能反射面技术，可以达到绿色通信的目的。1.1智能反射面硬件结构智能反射面的硬件实现是基于“超表面”的概念，该概念由数字可控的二维超材料组成[33]。具体而言，超表面是由大量元素或超原子组成的平面阵列，其厚度根据入射波束工作频率确定[34]。通过改变元件的几何形状（如方形、圆形等）、尺寸大小、方向和排列位置等，从而有效的调整反射信号的幅度和相位。在实际应用中，由于用户的移动会引起无线信道的改变，而反射单元通过调整其各自的反射系数以适应信道变化，因此IRS需要连接一个智能控制器，实现自适应反射。如图2-1所示，智能反射面由一个智能控制器和一个电路板组成，该电路板共有三层。在最外层的介电基板上印刷着大量的金属贴片（元件），该贴片可以直接吸收入射信号。在这层板后面，是一块铜板，该铜板可以减小信号反射过程中的能量泄露。最内层是一个与智能控制器相连的控制电路板，通过智能控制器，IRS可以实时调整每个元件的反射幅度和相位。在实际应用中，可采用现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）当控制器，此外，智能控制器可通过单独的无线链路与其他网络组件（如Basestation，BS、AccessPoint，AP、用户终端）进行通信，充当网关作用，实现信息交换。图2-2a展示了单个反射元件的硬件结构，将PIN二极管嵌入元件中。通过直流反馈线路对PIN二级管施加不同的偏置电压，如图2-2b等效电路所示，PIN二级管由于不同的偏置电压导致可以任意切换到“开”和“关”状态，从而使元件在入射信号中产生π的相移差。根据文献[35]，PIN二级管的开关频率最高可达5兆赫兹（MHz），相当于0.2微秒（μs）的时间，这比典型的信道相干时间（毫秒级）要小得多，因此非常适合具有时变特性的移动信道。除了调整反射相移，还可调整其反射幅度，与相位控制相比，幅度控制的实现成本通常更低。一种常见的控制幅度的方法是通过调整每个元件中的负载电阻[36]，例如通过改变每个元件的电阻，将入射信号的某一部分能量作为热量消耗，从而实现反射振幅在0-1之间的动态变化。在实践过程中，我们期望对每个IRS元件的振幅和相位进行独立的控制以实现优化反射的设计，因此需要有效集成上述电路，实现多层表面设计。图2-1：智能反射面的硬件结构图开P开PIN二级管关关图2-2a：可调反射元件结构图2-2b：PIN二级管等效电路1.2智能反射面应用场景在无线网络中密集部署IRS可以减少硬件成本并降低能耗，并通过协调各反射面的反射矩阵，可以灵活的重新配置发射机与接收机之间的无线信道，从而可以利用IRS提供的路径增强信道增益或抑制干扰。下面是智能反射面在实际应用中的一些基础场景：如图2-3所示，由于用户与服务基站之间的直接链路被障碍物阻隔，用户位于无信号区域中。在这种情况下，部署一个与基站和用户有明确关系的智能反射面，使信号从反射面传播，从而绕过障碍物实现通信。该场景对极易受到障碍物阻挡的室内毫米波通信扩展覆盖范围非常实用。基站用户障碍物IRS基站用户障碍物IRS图2-3：用户位于死角模型如图2-4所示，增加智能反射面可以实现安全通信。当基站到窃听者链路的信道质量好于到合法用户（如用户1）的信道质量或窃听者位于合法用户（如用户2）与基站链路之间时，可实现的安全通信速率被严重限制。然而，如果在无线通信系统中加入IRS，通过IRS反射信号可以抵消窃听者从BS处截取的信号，从而降低用户信息泄露的概率，同时还可提升用户链路质量，增强接收信号。用户1基站用户2窃听者IRS用户1基站用户2窃听者IRS图2-4：安全性问题模型如图2-5所示，当用户位于小区边缘时，会同时接收到来自其服务基站的高衰减信号以及来自相邻小区基站发送的干扰信号。此时可在小区边缘部署智能反射面，不仅可以帮助用户提升期望接收信号的强度，同时适当的设计反射相移矩阵来抑制相邻小区的信号干扰，从而形成信号热点区域和无干扰区域。小区2用户IRS边缘用户基站2小区2用户IRS边缘用户基站2基站1