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太赫兹通信中可重构智能表面的前沿进展综述:新兴范式与研究前沿

期刊:IEEE AccessDOI:10.1109/ACCESS.2024.doi

这份发表于IEEE Access的论文《A Survey on RIS Advances in Terahertz Communications: Emerging Paradigms and Research Frontiers》是由Manzoor Ahmed (湖北工程学院)、Abdul Wahid (青岛大学)、Wali Ullah Khan (卢森堡大学)、Feroz Khan (巴基斯坦信息技术、工程与管理科学大学)、Asim Ihsan (剑桥大学)、Zain Ali (加州大学圣克鲁兹分校)、Khaled Rabie (曼彻斯特城市大学)、Thokozani Shongwe (约翰内斯堡大学)及Zhu Han (休斯顿大学,庆熙大学)等多位学者共同完成的综述性文章。本文全面探讨了在超越第五代及第六代无线网络背景下,可重构智能表面在太赫兹通信领域的最新进展、应用范式及未来研究方向。

本文的核心论点是:太赫兹通信是实现未来6G网络超高速率与超大容量的关键候选技术,但其存在传播衰减大、易受阻塞、衍射能力差等固有挑战;而可重构智能表面技术通过智能调控无线传播环境,为克服这些挑战、释放太赫兹通信潜力提供了革命性的解决方案。本文旨在通过系统性的梳理,填补该交叉领域综合性研究的空白,为研究者和从业人员提供全景式指南。

本文首先系统阐述了RIS的技术基础,将其分为被动型、主动型与混合型。被动型RIS成本低、能耗小,但面临“双衰落”效应限制;主动型RIS通过集成放大器增强信号,克服了双衰落,但功耗较高;混合型RIS则试图在性能与能效间取得平衡。同时,文章介绍了RIS的三种工作模式:反射模式、透射模式以及同时透射反射模式。STAR-RIS能够实现全空间覆盖,代表了更高的灵活性,但也带来了更复杂的设计挑战。文章还列举了RIS在无线通信增强、5G/B5G、毫米波/太赫兹通信、非视距通信、卫星通信、物联网、农村连接、室内定位、能效网络、安全监控、车联网、可见光通信及航空交通等十多个领域的广泛应用前景,凸显了其作为使能技术的通用价值。

随后,文章深入分析了太赫兹通信的基本原理。太赫兹频段(0.1-10 THz)拥有巨大的带宽资源,能支持Tbps级别的超高速数据传输,在6G、无线数据中心、虚拟/增强现实、短距离室内通信、医疗成像、安全检测等领域具有广阔应用前景。然而,其信号传播受大气吸收(尤其是水蒸气)、路径损耗高、易被障碍物阻挡、器件设计复杂等问题的严重制约。文章将太赫兹与毫米波技术进行了对比,指出太赫兹在带宽和数据速率上具备显著优势,但技术成熟度和传播特性使其更适用于特定高容量场景,而毫米波则在移动性支持方面更为成熟。此外,文章概述了太赫兹信道模型的关键参数,包括自由空间路径损耗、阴影衰落、延迟扩展、角度扩展和莱斯K因子等,为理解系统设计挑战奠定了基础。

本文的核心贡献在于系统性地梳理并分析了RIS在太赫兹通信中的关键用例与性能提升策略,主要围绕以下五个方面展开:

第一,在增强太赫兹信道估计与抑制波束分裂方面。太赫兹信道的高维特性和RIS的无源特性使得信道估计极具挑战。文章综述了多种创新方案:针对多用户MISO系统,提出了借助透镜天线阵列的两阶段信道估计方案;针对MIMO系统,利用信道稀疏性,提出了基于深度学习的估计方法和基于正则化传感的OMP算法以提高精度并降低复杂度;针对室内通信,提出了基于迭代原子修剪的子空间追踪方案;针对超大规模MIMO引入的球面波前近场效应,提出了混合球面-平面波信道模型及相应的压缩感知估计框架。特别是,波束分裂效应是太赫兹宽频带系统的主要性能限制因素。文章综述了多种缓解方案,如在RIS端采用集成了时延模块和移相器的子连接架构、在基站和RIS端联合设计宽带预编码、在无蜂窝大规模MIMO网络中引入额外的时延层进行联合优化等。这些方法通过优化模拟/数字波束成形、RIS反射系数和时延配置,有效补偿了阵列增益损失,提升了系统容量。

第二,在利用RIS扩展太赫兹通信覆盖范围方面。太赫兹信号衰减快,覆盖范围有限。文章指出,RIS通过创建智能反射路径,能有效扩展网络覆盖。研究案例包括:在室内场景中,利用石墨烯基RIS的可调谐元件优化相位响应,以较低计算复杂度提升覆盖性能;建立综合考虑RIS尺寸、距离和环境因素的端到端信道衰减模型,为覆盖概率分析提供理论框架;以及采用多跳RIS中继与深度强化学习技术联合优化基站数字波束成形和RIS模拟波束成形,将覆盖范围提升达50%。这些研究表明,RIS是突破太赫兹通信距离瓶颈、实现可靠广覆盖的有效手段。

第三,在通过RIS增强太赫兹通信安全方面。太赫兹的高方向性本身有助于安全,但RIS的引入为物理层安全提供了更多主动控制维度。文章综述了多种提升安全速率的方案:在点对点MISO窃听场景下,联合设计基站主动波束成形和RIS被动相移器;在MIMO-NOMA系统中,结合混合预编码,交替优化功率分配和RIS相移以最大化安全和速率;考虑多RIS辅助、多窃听者场景,设计鲁棒的安全传输算法以应对链路阻塞风险;甚至创新性地将RIS安装在无人机上,结合协同干扰无人机,构建隐蔽通信系统,在保证通信隐蔽性的同时优化能效。此外,还有研究分析了相位量化误差、指向误差等因素对保密容量的影响。这些工作表明,RIS能够动态地重构信道,将信号能量集中到合法用户,并弱化窃听者信道,从而显著提升系统的保密性能。

第四,在利用RIS优化太赫兹通信系统和速率方面。文章指出,通过优化RIS的部署位置、相位配置,并与资源分配相结合,可以最大化系统总吞吐量。具体方法包括:在室内场景中,采用局部搜索和交叉熵等方法高效优化RIS相移,逼近最优和速率性能;在面向VR用户的网络中,结合风险感知模型和深度强化学习算法,优化资源分配以满足高数据速率和低延迟要求;在保证用户最低速率的前提下,采用基于块坐标搜索和惩罚松弛的方法,联合优化RIS坐标、相移、太赫兹子带分配和功率控制;在RIS辅助的太赫兹NOMA系统中,交替优化相移、子带分配和功率控制,并采用长距离优先和阻塞对消除等算法实现稳定的资源匹配。这些研究证明了RIS在提升太赫兹网络整体频谱效率方面的巨大潜力。

第五,在提升太赫兹通信系统能量效率方面。作为被动反射元件,RIS本身能耗极低,利用其增强信号可以有效降低基站或用户的发射功率需求,从而提升整个系统的能量效率。文章虽未在本摘要部分详细展开此用例,但在全文框架中将其列为关键研究方向之一,强调了RIS在实现绿色可持续6G通信中的重要作用。

除了用例分析,文章还探讨了RIS与多输入多输出、大规模MIMO以及无人机等技术的结合性能,并指出了该领域未来的研究机遇与开放性问题,例如:更精确的太赫兹频段RIS信道建模、低复杂度高精度的联合优化算法设计、智能资源管理、与新兴网络架构(如无蜂窝网络、集成传感通信)的融合、硬件损伤的影响以及标准化工作等。

本文的显著价值在于,它首次对RIS使能的太赫兹通信这一前沿交叉领域进行了全面、系统、深入的综述。它不仅整合了分散的研究成果,厘清了技术脉络,还通过清晰的分类和对比(如总结多个用例的对比表格),为读者提供了深刻的技术洞察。文章不仅总结了现有进展,更重要的是指明了尚未解决的关键挑战和未来的研究方向,对推动6G太赫兹通信技术的理论发展与实际部署具有重要的指导意义。对于从事下一代无线通信研究的学者、工程师和学生而言,本文是一部不可或缺的参考资料,有助于快速把握领域全貌、找准创新切入点。

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