透過可重構智慧表面實現公平波束合成與抑制

Q: 在实际应用中，如何克服硬件实现和环境因素对 RIS 波束控制精度的影响？

在实际应用中，硬件实现和环境因素都会对 RIS 波束控制精度造成影响，克服这些影响需要多方面的努力： 硬件方面： 提高 RIS 单元精度: 实际的 RIS 单元无法实现理想的连续相移，量化误差会降低波束控制精度。可以通过增加量化位数、采用更先进的材料和制造工艺来提高 RIS 单元精度。 降低 RIS 单元间的互耦: RIS 单元间会存在电磁互耦，影响相移的独立控制。可以通过优化单元结构、增加单元间距、采用去耦技术等方法来降低互耦。 精确的信道估计: 精确的信道状态信息是实现波束控制的前提。可以采用基于深度学习的信道估计方法、压缩感知技术等来提高信道估计的精度和效率。 环境方面： 环境建模与补偿: 环境中的障碍物、多径传播等因素会影响波束传播。可以通过对环境进行建模，并根据环境信息对波束进行预补偿，以减小环境影响。 实时波束跟踪: 环境的变化会导致信道状态信息的变化，进而影响波束控制精度。可以采用波束跟踪技术，实时调整 RIS 的相移配置，以适应环境变化。 鲁棒性设计: 设计对硬件误差和环境变化鲁棒的波束控制算法，例如采用鲁棒优化方法、机器学习方法等，提高算法的抗干扰能力。 总而言之，克服硬件和环境因素对 RIS 波束控制精度的影响需要软硬件结合，综合考虑各种因素，才能实现高精度的波束控制。

Q: 如果非授权用户的空间位置未知，如何有效地进行波束抑制？

当非授权用户空间位置未知时，传统的基于位置信息的波束抑制方法将失效。以下是一些可行的解决方案： 基于盲波束成形技术: 这类技术不依赖于非授权用户的位置信息，而是利用信号处理技术，例如独立成分分析 (ICA)、恒模算法 (CMA) 等，从接收信号中分离出非授权用户的信号，并对其进行抑制。 基于波束扫描与功率检测: 可以通过控制 RIS 进行波束扫描，并实时监测不同方向的接收功率。当检测到非授权用户方向的功率超过预设阈值时，即可启动波束抑制，将该方向的信号能量最小化。 结合人工智能技术: 可以利用机器学习算法，例如强化学习，训练 RIS 系统在未知环境中自主学习非授权用户的位置信息，并动态调整波束方向以实现波束抑制。 此外，还可以考虑以下辅助手段： 利用多天线技术: 基站可以配备多根天线，利用多天线技术形成窄波束，降低非授权用户接收到信号的可能性。 结合毫米波通信: 毫米波通信具有方向性强、波束窄的特点，可以有效降低非授权用户窃听的风险。 总而言之，在非授权用户位置未知的情况下，需要结合多种技术手段，才能有效地进行波束抑制，保障通信安全。

Q: 除了通信领域，这项技术还可以在哪些领域得到应用？

除了通信领域，RIS 技术凭借其灵活的电磁波控制能力，在其他领域也展现出巨大的应用潜力： 雷达系统: RIS 可以作为雷达信号的反射面，通过调整相移配置，实现对雷达波束的灵活控制，提高雷达探测范围、分辨率和抗干扰能力。例如，可以利用 RIS 进行目标成像、目标跟踪、环境感知等。 无线能量传输: RIS 可以将电磁波能量集中到指定位置，实现无线能量传输。例如，可以利用 RIS 为植入式医疗设备、无人机、物联网设备等进行无线充电。 射频隐身: 通过调整 RIS 的相移配置，可以改变目标的雷达散射截面 (RCS)，实现对目标的射频隐身，降低目标被雷达探测到的概率。 成像与传感: RIS 可以与其他传感器结合，例如太赫兹成像、生物医学成像等，提高成像分辨率和灵敏度。 智能家居: RIS 可以用于室内环境的电磁波控制，例如改善室内无线网络覆盖、降低电磁辐射、实现智能照明等。 总而言之，RIS 技术作为一种新兴的技术，其应用领域非常广泛，未来将会在更多领域发挥重要作用。

核心概念

本文提出了一種基於透射式可重構智慧表面（RIS）的波束合成與抑制框架，透過解決帶約束的極大極小優化問題，實現對目標用戶的信號增強，同時抑制對非授權用戶或特定方向的信號傳輸。

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arxiv.org

標題：透過可重構智慧表面實現公平波束合成與抑制
作者：Rujing Xiong, Jialong Lu, Ke Yin, Tiebin Mi, Robert Caiming Qiu
單位：華中科技大學電子信息與通信學院、華中科技大學數學與統計學院數學科學中心
發表時間：2024年11月4日

本研究旨在探討透射式可重構智慧表面 (RIS) 在波束合成與抑制方面的能力，特別是針對多用戶下行鏈路系統中，如何在增強目標用戶信號的同時，抑制對非授權用戶的信號洩漏或干擾。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Fair Beam Synthesis and Suppression via Transmissive Reconfigurable Intelligent Surfaces

by Rujing Xiong... 於 arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.02008.pdf

Fair Beam Synthesis and Suppression via Transmissive Reconfigurable Intelligent Surfaces

深入探究

在实际应用中，如何克服硬件实现和环境因素对 RIS 波束控制精度的影响？

在实际应用中，硬件实现和环境因素都会对 RIS 波束控制精度造成影响，克服这些影响需要多方面的努力：
硬件方面：

提高 RIS 单元精度:  实际的 RIS 单元无法实现理想的连续相移，量化误差会降低波束控制精度。可以通过增加量化位数、采用更先进的材料和制造工艺来提高 RIS 单元精度。
降低 RIS 单元间的互耦:  RIS 单元间会存在电磁互耦，影响相移的独立控制。可以通过优化单元结构、增加单元间距、采用去耦技术等方法来降低互耦。
精确的信道估计:  精确的信道状态信息是实现波束控制的前提。可以采用基于深度学习的信道估计方法、压缩感知技术等来提高信道估计的精度和效率。

环境方面：

环境建模与补偿:  环境中的障碍物、多径传播等因素会影响波束传播。可以通过对环境进行建模，并根据环境信息对波束进行预补偿，以减小环境影响。
实时波束跟踪:  环境的变化会导致信道状态信息的变化，进而影响波束控制精度。可以采用波束跟踪技术，实时调整 RIS 的相移配置，以适应环境变化。
鲁棒性设计:  设计对硬件误差和环境变化鲁棒的波束控制算法，例如采用鲁棒优化方法、机器学习方法等，提高算法的抗干扰能力。

总而言之，克服硬件和环境因素对 RIS 波束控制精度的影响需要软硬件结合，综合考虑各种因素，才能实现高精度的波束控制。

如果非授权用户的空间位置未知，如何有效地进行波束抑制？

当非授权用户空间位置未知时，传统的基于位置信息的波束抑制方法将失效。以下是一些可行的解决方案：

基于盲波束成形技术:  这类技术不依赖于非授权用户的位置信息，而是利用信号处理技术，例如独立成分分析 (ICA)、恒模算法 (CMA) 等，从接收信号中分离出非授权用户的信号，并对其进行抑制。
基于波束扫描与功率检测:  可以通过控制 RIS 进行波束扫描，并实时监测不同方向的接收功率。当检测到非授权用户方向的功率超过预设阈值时，即可启动波束抑制，将该方向的信号能量最小化。
结合人工智能技术:  可以利用机器学习算法，例如强化学习，训练 RIS 系统在未知环境中自主学习非授权用户的位置信息，并动态调整波束方向以实现波束抑制。

此外，还可以考虑以下辅助手段：

利用多天线技术:  基站可以配备多根天线，利用多天线技术形成窄波束，降低非授权用户接收到信号的可能性。
结合毫米波通信:  毫米波通信具有方向性强、波束窄的特点，可以有效降低非授权用户窃听的风险。
总而言之，在非授权用户位置未知的情况下，需要结合多种技术手段，才能有效地进行波束抑制，保障通信安全。

除了通信领域，这项技术还可以在哪些领域得到应用？

除了通信领域，RIS 技术凭借其灵活的电磁波控制能力，在其他领域也展现出巨大的应用潜力：

雷达系统:  RIS 可以作为雷达信号的反射面，通过调整相移配置，实现对雷达波束的灵活控制，提高雷达探测范围、分辨率和抗干扰能力。例如，可以利用 RIS 进行目标成像、目标跟踪、环境感知等。
无线能量传输:  RIS 可以将电磁波能量集中到指定位置，实现无线能量传输。例如，可以利用 RIS 为植入式医疗设备、无人机、物联网设备等进行无线充电。
射频隐身:  通过调整 RIS 的相移配置，可以改变目标的雷达散射截面 (RCS)，实现对目标的射频隐身，降低目标被雷达探测到的概率。
成像与传感:  RIS 可以与其他传感器结合，例如太赫兹成像、生物医学成像等，提高成像分辨率和灵敏度。
智能家居:  RIS 可以用于室内环境的电磁波控制，例如改善室内无线网络覆盖、降低电磁辐射、实现智能照明等。

总而言之，RIS 技术作为一种新兴的技术，其应用领域非常广泛，未来将会在更多领域发挥重要作用。