1.引言

第五代移動(dòng)通信（the5thGenerationMobileCommunication，5G）網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)商用落地四

年，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)日益完備，創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，賦能效應(yīng)持續(xù)凸顯，賦值效應(yīng)更加顯著。截止

2023年，全球已累積建設(shè)5G基站約481個(gè)，5G移動(dòng)電話用戶大14.2億戶。5G行業(yè)應(yīng)用

也已經(jīng)融入60個(gè)國民經(jīng)濟(jì)大類，成為推動(dòng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的“加速器”。大規(guī)模

多輸入多輸出（Multi-InputMulti-Output，MIMO）、毫米波通信（millimeterwave，mmWave）

等新型關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新為移動(dòng)通信系統(tǒng)代際更迭注入源源不斷的活力，將網(wǎng)絡(luò)容量提升千倍，

為千億臺(tái)設(shè)備提供泛在連接。然而，5G關(guān)鍵技術(shù)所帶來的高復(fù)雜度、高成本、高能耗等問

題尚未解決。例如，將大規(guī)模MIMO的應(yīng)用從6GHz以下頻段擴(kuò)展到mmWave頻段通常需

要更復(fù)雜的信號(hào)處理以及更昂貴、更耗能的射頻硬件。因此，未來第六代移動(dòng)通信（the6th

GenerationMobileCommunication，6G）將繼續(xù)探索更高的頻譜效率、更高的能量利用效率

和更高的成本效益，以實(shí)現(xiàn)更大的容量、更低的延遲、更高可靠性、更高安全性和更全面覆

蓋的美好愿景。

智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface，RIS）是一種通過可調(diào)電磁元件控制電

磁波傳播特性的新技術(shù)，由緊密排布的低成本無源電磁超材料構(gòu)成，通過引入可調(diào)器件陣列

和控制模塊，使得每個(gè)元件的工作狀態(tài)獨(dú)立可調(diào)，引起入射信號(hào)的振幅和/或相位變化，從

而實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的三維波束賦形。RIS可以作為中繼節(jié)點(diǎn)賦能通信網(wǎng)絡(luò)，有望打破傳統(tǒng)無線環(huán)

境的隨機(jī)性和不確定性為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來的不可控因素，重塑無線傳播環(huán)境，提供了新的

自由度，并為實(shí)現(xiàn)智能和可編程無線環(huán)境開辟了道路。RIS具有低功耗、低成本、低熱噪聲、

全雙工和易部署等優(yōu)勢(shì)，具備面向未來網(wǎng)絡(luò)的部署潛力。

RIS作為一種新興的跨學(xué)科技術(shù)，需要無線通信、射頻工程、電磁學(xué)和超材料等學(xué)科的

的協(xié)同配合，全球?qū)W術(shù)和產(chǎn)業(yè)界已開展了相關(guān)的研究和試驗(yàn)工作。經(jīng)過幾年如火如荼的研究，

智能超表面技術(shù)的研究已取得一定突破，面向商用落地，業(yè)界在共同努力，積極攻克工程化

挑戰(zhàn)，逐步向低成本、低功耗和易部署的技術(shù)目標(biāo)邁進(jìn)，為RIS在未來的廣泛部署夯實(shí)基

礎(chǔ)。

本白皮書從應(yīng)用場(chǎng)景、關(guān)鍵技術(shù)、驗(yàn)證測(cè)試、工程實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)化幾個(gè)方面梳理了業(yè)界的

最新進(jìn)展，以凝聚業(yè)界對(duì)該技術(shù)價(jià)值的共識(shí)，同時(shí)提出了RIS在未來網(wǎng)絡(luò)部署中可能面臨

的挑戰(zhàn)，倡導(dǎo)業(yè)界一同攻克部署難題，為早日商用落地開辟道路。

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2.應(yīng)用場(chǎng)景

2.1.深度覆蓋場(chǎng)景

2.1.1.覆蓋補(bǔ)盲場(chǎng)景

智能超表面最典型的應(yīng)用場(chǎng)景是在無線信道側(cè)，作為一種低成本低功耗的信道環(huán)境調(diào)控

節(jié)點(diǎn)，如圖2.1所示，可針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋補(bǔ)盲、多流增速等深度覆蓋需求，部署在基站與

覆蓋盲區(qū)之間，通過智能超表面按需構(gòu)造非視距反射路徑或改變電磁波透射特性，可有效解

決由于障礙物遮擋產(chǎn)生的室內(nèi)/外盲區(qū)問題，提升室外宏站穿透玻璃覆蓋室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，

改善小區(qū)邊緣用戶富散射環(huán)境，提高小區(qū)邊緣用戶傳輸性能，以低成本低功耗方式實(shí)現(xiàn)深度

覆蓋和提速擴(kuò)容。

RIS部署在基站（BaseStation，BS）和覆蓋盲點(diǎn)之間，以動(dòng)態(tài)構(gòu)建非視線反射路徑或

改變電磁波傳輸特性。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中存在信號(hào)被障礙物阻擋的覆蓋盲區(qū)，包括建筑物的陰影區(qū)、

密集城市地區(qū)的街角、室內(nèi)外（或車內(nèi)車外）之間的邊緣。在上述場(chǎng)景中，RIS可以部署在

基站和覆蓋盲區(qū)之間，通過有效反射/傳輸傳輸信號(hào)到達(dá)覆蓋盲區(qū)來提高覆蓋性能。

（a）（b）（c）

圖2.1基于智能超表面的信道側(cè)輔助通信組網(wǎng)場(chǎng)景：（a）覆蓋補(bǔ)盲（b）O2I覆蓋增強(qiáng)

（c）室內(nèi)覆蓋

2.1.2.低成本廣覆蓋場(chǎng)景

此外，智能超表面還可以用于優(yōu)化有源天線單元（ActiveAntennaUnit，AAU）設(shè)計(jì)，

實(shí)現(xiàn)低成本低功耗小體積的廣角高增益AAU。在現(xiàn)有5GAAU基礎(chǔ)上，集成無源反射式智

能超表面陣面，既可以實(shí)現(xiàn)一體化動(dòng)態(tài)智能調(diào)控，擴(kuò)展基站覆蓋角度，又可以有效提升天線

陣面口徑增益，增加基站覆蓋增益，如圖2.2所示。在現(xiàn)有5GAAU基礎(chǔ)上，集成透射式智

能超表面陣面，可進(jìn)一步擴(kuò)展基站覆蓋角度，有效提升基站覆蓋范圍，解決邊遠(yuǎn)郊區(qū)低容量

場(chǎng)景，低成本低功耗覆蓋補(bǔ)盲問題，如圖2.3所示。

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圖2.2AAU集成反射式智能超表面的超大規(guī)模天線設(shè)計(jì)示意圖

圖2.3AAU集成透射式智能超表面的超大規(guī)模天線設(shè)計(jì)示意圖

2.2.個(gè)性化通信服務(wù)場(chǎng)景

2.2.1.近場(chǎng)安全通信場(chǎng)景

電磁波的傳輸特性與距離相關(guān)，傳輸距離大于瑞利距離的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，反之稱為

近場(chǎng)區(qū)域。在近場(chǎng)區(qū)域，電磁波建模為球面波模型，球面波前不僅攜帶角度信息，還攜帶距

離信息，因此電磁波束在角度域和距離域上同時(shí)聚焦，形成近場(chǎng)波束聚焦[1]。在智能超表面

輔助的無線網(wǎng)絡(luò)中，近場(chǎng)范圍由BS-RIS距離和RIS-UE距離的調(diào)和平均值確定，因此只要

這兩個(gè)距離中的任何一個(gè)距離小于瑞利距離，RIS輔助通信就工作在近場(chǎng)區(qū)域[1]。

當(dāng)用戶位于智能超表面輻射近場(chǎng)區(qū)域時(shí)，可以通過對(duì)智能超表面配置服務(wù)特定用戶的近

場(chǎng)碼本，將近場(chǎng)波束聚焦在授權(quán)用戶所在的特定角度和特定距離，如圖2.4所示，其他用戶

即使與授權(quán)用戶位于相同的角度區(qū)域，也無法通過攔截?zé)o線信號(hào)實(shí)現(xiàn)空口監(jiān)聽，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定

用戶的高安全級(jí)通信服務(wù)。

圖2.4基于智能超表面的近場(chǎng)安全通信場(chǎng)景

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2.2.2.聲場(chǎng)調(diào)控場(chǎng)景

智能超表面除了應(yīng)用于電磁波調(diào)控之外，還可以應(yīng)用于聲波調(diào)控，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)[2]已經(jīng)

研發(fā)了具備可編程調(diào)控能力的聲波超表面。通過控制每個(gè)聲學(xué)超材料單元的共振模式，而無

需手動(dòng)對(duì)聲源或周圍散射體進(jìn)行任何調(diào)整，即可動(dòng)態(tài)調(diào)控聲波相位差，可以影響整個(gè)空間的

聲場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)某個(gè)特定位置聲場(chǎng)強(qiáng)度的壓制或增強(qiáng)，為需要特殊用戶提供靜音或音

量增強(qiáng)服務(wù)，如圖2.5所示。

圖2.5基于智能超表面的聲場(chǎng)調(diào)控場(chǎng)景

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3.關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

3.1.近場(chǎng)通信

3.1.1.RIS構(gòu)建近場(chǎng)無線傳播環(huán)境

傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)（1G~5G）主要采用6GHz以下頻譜，甚至是3GHz以下頻譜。受

限于波長，這類網(wǎng)絡(luò)一般采用較少天線陣子數(shù)量的天線。由于低維天線陣列和較低的頻率，

無線近場(chǎng)范圍通常被限制在幾米甚至幾厘米。因此，可以基于遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)近似有效地設(shè)計(jì)傳統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)。然而，考慮到ELAA的大孔徑和極高的頻率，6G網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出百米量級(jí)的超

大近場(chǎng)區(qū)域，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)平面波假設(shè)也已不再適用[3]。因此，在6G網(wǎng)絡(luò)中，近場(chǎng)區(qū)域是不

可忽略的，這激發(fā)了對(duì)新的近場(chǎng)通信（Near-fieldCommunications,NFC）范式的研究。

從空間維度的資源利用角度，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的典型部署是以小區(qū)為中心的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)架

構(gòu)。在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，尤其是在其主流的sub-6GHz頻段，遠(yuǎn)場(chǎng)近似作為表征手段已經(jīng)足夠。

傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)已經(jīng)充分挖掘和利用了遠(yuǎn)場(chǎng)空間資源，進(jìn)一步探索和利用近場(chǎng)空間資源，

則有望為無線通信系統(tǒng)提供新的物理空間維度。未來6G網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)配置更大的天線孔徑，

并將使用毫米波、太赫茲等更高頻段，這將使得近場(chǎng)特性更加顯著。同時(shí)，智能超表面（RIS）

[4,5]、超大規(guī)模MIMO、去蜂窩（Cell-free）[6]等新技術(shù)的引入，則使得未來無線網(wǎng)絡(luò)中近場(chǎng)

場(chǎng)景廣泛存在。近場(chǎng)通信技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)未來6G網(wǎng)絡(luò)更高的數(shù)據(jù)速率要求、高精度的感知需

求及物聯(lián)網(wǎng)無線傳能需求等的使能技術(shù)之一，有機(jī)會(huì)成為未來6G潛在無線空口關(guān)鍵技術(shù)之

一。其中，RIS所具備的超大尺寸、無源異常調(diào)控、低成本、低功耗和簡單易部署等諸多特

性，有機(jī)會(huì)在未來6G網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建泛在的近場(chǎng)無線傳播環(huán)境，并帶來全新的網(wǎng)絡(luò)范式[7]。

近場(chǎng)傳播特性為未來6G網(wǎng)絡(luò)帶來更多可能性，但基于傳統(tǒng)有源相控陣天線構(gòu)建近場(chǎng)傳

播環(huán)境也面臨著諸多挑戰(zhàn)：

（1）超大尺寸有源相控陣天線（ActivePhasedArrayAntenna，APAA）在硬件成本、

復(fù)雜度、功耗、重量與體積等方面均有較大提升，很難實(shí)現(xiàn)密集部署，可提供的近場(chǎng)覆蓋區(qū)

域受限；

（2）近場(chǎng)距離在APAA陣面的近軸附近達(dá)到最大，會(huì)隨著離軸角度的增大而逐漸減小，

該現(xiàn)象進(jìn)一步限制了近場(chǎng)的覆蓋范圍；

（3）不同于通信業(yè)務(wù)受益于非視距（NonLightofSight，NLOS）多徑環(huán)境，感知定位

和無線傳能業(yè)務(wù)理想的傳播環(huán)境為近場(chǎng)LOS信道。僅采用集中部署的傳統(tǒng)APAA，與目標(biāo)

之間很大概率為NLOS多徑信道。雖然有很多文獻(xiàn)研究基于傳統(tǒng)有源相控陣天線的無蜂窩

（Cell-free）或多點(diǎn)協(xié)作（CoordinatedMulti-Point，CoMP）技術(shù)[6,8]，這類分布式天線技術(shù)

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雖然可以一定程度緩解上述集中部署的APAA問題，但依然受限于有源相控陣天線的固有

技術(shù)特點(diǎn)的約束，很難實(shí)現(xiàn)密集泛在部署。

RIS獨(dú)有的技術(shù)特征可以作為解決傳統(tǒng)APAA挑戰(zhàn)的有效手段：

首先，RIS作為一種可編程二維電磁超表面，以無源方式對(duì)電磁波進(jìn)行異常調(diào)控，具有

低成本、低功耗的特點(diǎn)，并且可以很容易制作成較大尺寸的天線孔徑，從而可以以較低的成

本實(shí)現(xiàn)密集部署。

其次，RIS類型多樣，可以靈活地適應(yīng)復(fù)雜多樣的部署環(huán)境。從功能角度，RIS類型可

以包括信道調(diào)控型（例如，反射型RIS、透射型RIS和半透半反RIS）、信息調(diào)制型RIS（例

如，基于RIS新型基站、基于RIS的背向散射發(fā)射機(jī)、基于RIS的伴生通信等）和基于RIS

的新型相控陣天線等。RIS可以很容易制作為不同的尺寸大小、不同的形狀及不同的曲面形

態(tài)等，從而適配不同的部署需求。

最后，RIS簡單易部署的特點(diǎn)也很容易構(gòu)建近場(chǎng)視距（LightofSight，LOS）環(huán)境，從

而更好地支持感知定位與無線傳能業(yè)務(wù)的需求。另外，由于RIS為無源調(diào)控，天然具有較

低的電磁輻射水平，在泛在近場(chǎng)環(huán)境中依然可以滿足人體電磁輻射安全指標(biāo)比吸收率

（SpecificAbsorptionRate，SAR）。

綜上，相對(duì)傳統(tǒng)有源相控陣天線，RIS具備無源調(diào)控、低成本、簡單易部署的特點(diǎn)，可

以被泛在密集部署，從而有機(jī)會(huì)為未來6G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建泛在近場(chǎng)信道環(huán)境。

3.1.2.RIS典型近場(chǎng)模式

RIS的引入構(gòu)建了級(jí)聯(lián)信道，相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，未來6G網(wǎng)絡(luò)的無線傳播環(huán)境將會(huì)更加

復(fù)雜多樣。從近場(chǎng)傳播環(huán)境角度，RIS構(gòu)建的典型近場(chǎng)模式可以如下幾方面進(jìn)行分類，如表

3.1-表3.4所示。在進(jìn)行RIS構(gòu)建的近場(chǎng)傳播特性進(jìn)行分析時(shí)，可以參考這些場(chǎng)景分類。

表3.1RIS功能角度的近場(chǎng)

功能類型近場(chǎng)特性

1擴(kuò)展近場(chǎng)覆蓋區(qū)域

信道調(diào)控類RIS2克服近場(chǎng)覆蓋空洞

3構(gòu)建新的LOS近場(chǎng)

基于RIS的新型低成本、低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)超大孔徑相控陣天線，提升近場(chǎng)

相控陣天線覆蓋距離

信息調(diào)制類RIS為低速率IoT設(shè)備通信構(gòu)建發(fā)射機(jī)近場(chǎng)環(huán)境

表3.2透反射類型角度的近場(chǎng)

類型近場(chǎng)特性

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在信號(hào)電磁波入射的RIS正面(0,)角度范圍內(nèi)構(gòu)建近場(chǎng)

反射式RIS

傳播環(huán)境

在信號(hào)電磁波入射的RIS反面(,2)角度范圍內(nèi)構(gòu)建近場(chǎng)

透射式RIS

傳播環(huán)境

半透半反式RIS[0,2)角度范圍內(nèi)構(gòu)建近場(chǎng)傳播環(huán)境

表3.3無源/有源RIS近場(chǎng)

類型近場(chǎng)特性

無源RIS對(duì)入射電磁波信號(hào)執(zhí)行近場(chǎng)波束聚焦，信號(hào)強(qiáng)度受限

對(duì)入射電磁波信號(hào)執(zhí)行近場(chǎng)波束聚焦，并進(jìn)行信號(hào)放大。

有源RIS

可以克服無源RIS信號(hào)強(qiáng)度受限問題，但復(fù)雜度稍高

表3.4RIS網(wǎng)絡(luò)中的近/遠(yuǎn)場(chǎng)組合關(guān)系

類型近場(chǎng)特性

單RIS級(jí)聯(lián)信道NB-RIS之間的信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

（NB-RIS-UE）RIS-UE之間的信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

多RIS級(jí)聯(lián)信道RIS-RIS之間的信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

（NB-RIS-RIS-UE）NB-RIS之間的信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

RIS-UE之間的信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

（RIS級(jí)聯(lián)信道）+NB-UE直達(dá)信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

（NB與UE直達(dá)信道）RIS-RIS之間的信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

NB-RIS之間的信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

RIS-UE之間的信道：近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)

3.1.3.RIS近場(chǎng)波束賦形碼本設(shè)計(jì)

為了獲取顯著的譜效增益，可重構(gòu)智能超表面（RIS）需要保證足夠大的輻射陣列規(guī)模，

而隨著輻射陣列規(guī)模的擴(kuò)大與載波頻率的進(jìn)一步提高，用戶設(shè)備（UE）處于RIS輻射近場(chǎng)

范圍內(nèi)的概率大大增加。傳統(tǒng)基于平面波前假設(shè)的信道模型不適用于對(duì)近場(chǎng)信道的描述，而

需要進(jìn)一步考慮采用基于球面波前假設(shè)的信道模型[9]。

以平面波前假設(shè)為基礎(chǔ)的信道模型基于傅里葉理論將無線電波的傳播視作線性系統(tǒng)[10]，

基于此，5GNR基于離散傅里葉變換（DiscreteFourierTransform，DFT）向量進(jìn)行碼本設(shè)計(jì)。

DFT碼本適用于遠(yuǎn)場(chǎng)波束賦形，但若將其直接應(yīng)用于近場(chǎng)波束賦形，則會(huì)由于與近場(chǎng)信道

的不匹配，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的信噪比（SignaltoNoiseRatio，SNR）損失。與之相反，以球形

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波前假設(shè)為基礎(chǔ)的波束聚焦方案可以補(bǔ)償與近場(chǎng)信道的不匹配，形成近場(chǎng)信道的最佳相干波

束賦形器[11]。

以毫米波頻段（30GHz）1米×1米的1-bit相位量化RIS為例，該尺寸的RIS可以集成

約40000個(gè)輻射單元，圖3.1給出了該RIS分別使用DFT碼本進(jìn)行波束賦形與采用波束聚

焦方案的波束增益對(duì)比?？梢钥吹剑?00米瑞利距離以內(nèi)，DFT碼本的波束賦形增益

R

呈現(xiàn)阻尼振蕩趨勢(shì)，低于波束聚焦方案。此處瑞利距離定d義為，其中為輻射陣列

2

D

R

孔徑，為載波波長，為通常采用的遠(yuǎn)近場(chǎng)分界線弗勞恩霍夫距d離=的2四λ分之一D[12]。由圖3.1

所示結(jié)果λ可得到以下觀察：1）大規(guī)模RIS的近場(chǎng)范圍可以達(dá)到百米以上，因此，大部分UE

將處于RIS的近場(chǎng)范圍內(nèi)；2）將傳統(tǒng)DFT的碼本直接應(yīng)用于大規(guī)模RIS時(shí)，與波束聚焦方

案相比，會(huì)產(chǎn)生較大的波束賦形增益損失。因此，應(yīng)考慮為大規(guī)模RIS設(shè)計(jì)新的碼本，以

適用于近場(chǎng)通信。

圖3.1DFT碼本與波束聚焦方案的波束增益對(duì)比

為了克服DFT碼本直接應(yīng)用于RIS近場(chǎng)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的SNR損失，我們基于菲涅爾原理，

提出了一個(gè)更適用于近場(chǎng)波束賦形的環(huán)形碼本[13]。該環(huán)形碼本為雙層結(jié)構(gòu)：第一層為環(huán)形

向量聚焦層；第二層為DFT向量偏轉(zhuǎn)層，兼容DFT碼本。

（a）（b）

圖3.2環(huán)形碼本波束聚焦示意圖（a）第一層（b）第二層

使用環(huán)形碼本實(shí)現(xiàn)波束聚焦的方案原理如圖3.2所示。基于UE相對(duì)RIS輻射陣列中心

的位置信息，環(huán)形碼本的第一層用于指示形成一個(gè)法線聚焦波束，該波束將焦點(diǎn)聚焦在UE

所處的焦平面上，如圖3.2（a）所示。而后使用碼本第二層的DFT向量將第一層形成的聚

焦波束沿焦平面偏轉(zhuǎn)一定角度指向UE，如圖3.2（b）所示。

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（a）（b）

（c）（d）

圖3.3基于環(huán)形碼本指示的RIS相位分布（a）第一層波束聚焦相位分布（b）第二層

DFT向量相位分布（c）偏轉(zhuǎn)聚焦波束的相位分布（d）量化后的相位分布

圖3.3給出了一組RIS使用環(huán)形碼本實(shí)現(xiàn)波束聚焦的相位分布示例。首先，基于菲涅爾

原理計(jì)算得到第一層環(huán)形相位分布，如式（1）至式（5）所示；然后，將環(huán)形相位分布與第

二層DFT偏轉(zhuǎn)向量相位分布進(jìn)行疊加，得到偏轉(zhuǎn)聚焦波束的相位分布；最后，輸出相位量

化后的分布。

第m個(gè)全波帶的范圍可以由下式計(jì)算得到：

（1）

2

?

式中，表示自由空間波長，表示?RIS=單元?間?距。+2???

令?表示RIS陣面對(duì)角線?長度的一半，當(dāng)大于并且小于或等于時(shí)，可以得到子

波帶的數(shù)?量為，其中，為每個(gè)全波帶中子?波帶的??數(shù)?1量，可以由下式計(jì)?算?得到：

???（2）

???

式中，表示RIS相位量化比特?cái)?shù)。?=2

每個(gè)??子?波帶的范圍可以由下式計(jì)算得到：

（3）

22?1?

0<??+??<??4

11/63

（4）

???122???

式中，?<??+??<???4,?=2,3,?,??

（5）

??22???

表示RIS單元的坐標(biāo)。??=?+?,?=1,2,?,??

??,?為?驗(yàn)證所提出的環(huán)形碼本在RIS覆蓋區(qū)域內(nèi)對(duì)于吞吐性能提升，下面給出數(shù)值仿真結(jié)

果。仿真場(chǎng)景如圖3.4所示，載波頻率設(shè)置為毫米波30GHz。假設(shè)基站（BS）和UE間的直

連鏈路被障礙物阻擋，信號(hào)通過BS-RIS和RIS-UE鏈路傳輸?shù)経E。一塊0.64米×0.64米的

1-bit相位量化矩形RIS在距離BS約80米處部署。其它主要數(shù)值仿真參數(shù)如表3.5所示。

圖3.4RIS輔助通信仿真場(chǎng)景

表3.5數(shù)值仿真參數(shù)

參數(shù)數(shù)值

載波頻率30GHz

帶寬400MHz

BS發(fā)射功率30dBm

BS天線增益5dBi

BS天線數(shù)量4×4

BS與RIS的距離80m

BS與RIS間的路損模型UMi-LOS

RIS單元增益3.5dBi

RIS單元數(shù)量128×128

RIS與UE間的路損模型UMi-LOS

UE天線增益5dBi

UE天線數(shù)量1

UE噪聲系數(shù)5dB

遮擋因子σ=4

其它損耗5dB

圖3.5和圖3.6分別給出了RIS使用所提出的環(huán)形碼本和傳統(tǒng)DFT碼本進(jìn)行波束賦形時(shí)

的SNR以及吞吐對(duì)比。可以看到所提出的環(huán)形碼本在大規(guī)模RIS的近場(chǎng)范圍內(nèi)性能優(yōu)于DFT

碼本，能夠顯著提高波束賦形增益和區(qū)域內(nèi)的平均吞吐，驗(yàn)證了方案的有效性。

12/63

圖3.5處于RIS近場(chǎng)范圍內(nèi)UE接收信號(hào)的SNR

（a）（b）

圖3.6UE可實(shí)現(xiàn)的吞吐（Gbps）（a）1bit相位量化環(huán)形碼本（b）1-bit相位量化DFT

碼本

3.2.協(xié)作感知/定位

3.2.1.RIS協(xié)助的感知策略

基于RIS的目標(biāo)定位原理，是基站測(cè)量經(jīng)過RIS反射的信號(hào)傳播路徑時(shí)延/距離，再結(jié)

合其它參考點(diǎn)對(duì)目標(biāo)的測(cè)距或測(cè)角搜索幾何交點(diǎn)得到目標(biāo)位置，如圖3.7所示。

1）當(dāng)基站與感知目標(biāo)之間的視距鏈路不存在時(shí)，基站通過單基地雷達(dá)的方式測(cè)量出基

站到RIS以及RIS到目標(biāo)的兩段距離之和，當(dāng)RIS的坐標(biāo)已知時(shí)，基站便可知RIS到目標(biāo)

的距離，則目標(biāo)位于以RIS坐標(biāo)為球心，該距離為半徑的球面上。

2）若視距鏈路存在，RIS也可以起到協(xié)助感知的作用。首先基站根據(jù)視距鏈路測(cè)得基

站到目標(biāo)的距離，得到以基站為球心的參考球面。然后基站測(cè)量感知信號(hào)從基站到RIS、RIS

到目標(biāo)、再從目標(biāo)直接回到基站的三段距離之和，從而得到RIS到目標(biāo)再到基站的總距離，

則目標(biāo)位于以RIS和基站為兩個(gè)焦點(diǎn)，該和距離為長軸的橢球面上，即雙基地雷達(dá)的定位

方法。

13/63

由于測(cè)距誤差直接影響定位誤差，而測(cè)距誤差取決于信噪比，故而應(yīng)選擇信噪比最強(qiáng)的

信號(hào)路徑，并用相應(yīng)的幾何方法定位。上述兩種方法的感知信噪比大小與RIS面板尺寸有

關(guān)。通過增加RIS的面積，可以使經(jīng)過RIS反射的路徑信號(hào)強(qiáng)于基站到目標(biāo)的視距鏈路，

則前向和反向鏈路都經(jīng)過RIS反射的信噪比高于只有其中一條路徑經(jīng)過RIS的信噪比，可

以選擇上述第一種方法以獲得更好的測(cè)距性能。反之，若RIS面積較小，使得經(jīng)過RIS的

路徑信號(hào)弱于視距鏈路，則只經(jīng)過RIS反射一次的信噪比高于RIS反射兩次的信噪比，那

么可以采用上述第二種方法測(cè)距。在鏈路預(yù)算比較充足的情況，如果兩種方法的信噪比都滿

足測(cè)距精度要求，則可以結(jié)合這兩種方法，即目標(biāo)位于上述球面與橢球面的相交曲線上。

圖3.7RIS協(xié)助的目標(biāo)定位

3.2.2.RIS旁瓣對(duì)感知的影響

為了簡化RIS波束控制復(fù)雜度，實(shí)際應(yīng)用中常采用量化控制，即RIS每個(gè)單元的反射

系數(shù)是經(jīng)過比特量化的。然而量化反射系數(shù)可能會(huì)增強(qiáng)RIS反射旁瓣，如圖3.8所示。

圖3.8量化碼本引起的RIS反射旁瓣

RIS反射旁瓣可能引起旁瓣方向上其他物體對(duì)感知目標(biāo)的干擾。當(dāng)旁瓣方向的其他物體

相比感知目標(biāo)具有更大的雷達(dá)散射截面時(shí)，其他物體反射的信號(hào)強(qiáng)度可能超過主瓣方向目標(biāo)

所在徑的強(qiáng)度，所以接收機(jī)無法簡單地根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度區(qū)分旁瓣方向的其他物體與感知目標(biāo)的

信號(hào)。為此，可以采用一種重復(fù)感知的方法來解決該問題。在首次感知中，假設(shè)基站在時(shí)延

域檢測(cè)到兩條徑，其中一條徑由前向鏈路的RIS旁瓣將感知信號(hào)傳播到其他物體上，再由

其他物體直接反射回基站，另一條徑由RIS主瓣傳播到感知目標(biāo)再由RIS反射回基站，如

圖3.9所示。在重復(fù)感知中，我們?cè)谇跋蜴溌穼IS的主瓣方向指向首次感知的旁瓣方向，

則其他物體反射的信號(hào)將增強(qiáng)。因此，可以判斷第二次感知中信號(hào)增強(qiáng)的徑為RIS旁瓣所

14/63

導(dǎo)致的，而減弱的徑對(duì)應(yīng)感知目標(biāo)。

（a）RIS旁瓣干擾感知的場(chǎng)景（b）重復(fù)感知解決方案

圖3.9RIS旁瓣引起的感知干擾及其解決方案

3.2.3.RIS協(xié)作感知與定位

感知和定位受限于視距鏈路的缺失和信號(hào)衰落，而RIS能夠提供虛擬視距鏈路并定向

增強(qiáng)波束強(qiáng)度，有效的提高無線感知的范圍，解決目前通感一體化中通信和感知能力不對(duì)稱

的問題。通過在有源傳感器接收目標(biāo)反射的回波進(jìn)行信號(hào)處理，估計(jì)出到達(dá)時(shí)間（TimeOf

Arrival，TOA）和到達(dá)方向（AngleOfArrival，AOA），根據(jù)幾何關(guān)系確定目標(biāo)位置是一種

常見的定位手段。文獻(xiàn)[14]研究了半被動(dòng)RIS輔助的感知系統(tǒng)性能，如圖3.10所示，半被動(dòng)

RIS系統(tǒng)能很好的克服全被動(dòng)RIS在感知系統(tǒng)中的路徑損耗嚴(yán)重的問題。通過推導(dǎo)了關(guān)于

TOA和AOA估計(jì)的克拉美羅界，RIS單元數(shù)，感知單元數(shù)對(duì)于定位性能影響的閉式表達(dá)式，

半被動(dòng)RIS輔助的無線感知系統(tǒng)性能上界在理論上被給出，亞米級(jí)的感知精度和半被動(dòng)RIS

的性能優(yōu)勢(shì)也在仿真實(shí)驗(yàn)中被驗(yàn)證。

圖3.10半被動(dòng)RIS定位系統(tǒng)

針對(duì)RIS輔助的多目標(biāo)感知系統(tǒng)，不同應(yīng)用場(chǎng)景下的感知性能要求（如感知頻率、感

知精度等）會(huì)有所不同，基于時(shí)分、特征序列和混合時(shí)分特征序列三種協(xié)議是實(shí)現(xiàn)不同性能

折中的手段，如圖3.11所示，通過將空間中待感知的目標(biāo)分組和時(shí)隙劃分，能夠靈活調(diào)節(jié)

性能[15]。

15/63

圖3.11時(shí)分-特征序列混合感知協(xié)議

為解決傳統(tǒng)基于反射或透射RIS覆蓋區(qū)域不全的問題，全反向RIS是一種潛在的技術(shù)

手段，如圖3.12所示，在該模型中，雙功能基站與RIS聯(lián)合生成多波束指向多用戶和多目

標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)空間的通感一體化信號(hào)覆蓋，并通過雙基地雷達(dá)來完成回波的信號(hào)處理，也能

降低信號(hào)多次反射引起的路徑損耗[16]。

圖3.12全方向RIS輔助的雙基地通感一體化系統(tǒng)

3.2.4.RIS輔助聯(lián)合通信與定位方案

6G對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)的定位功能提出了更嚴(yán)格的性能要求，NR現(xiàn)有的高精度定位方

案大多涉及多個(gè)基站（BS）協(xié)作、視線/非視線（LoS/NLoS）判決等流程，復(fù)雜度相對(duì)較高

[17]?；诮邮招盘?hào)強(qiáng)度（ReceivedSignalStrength，RSS）指紋的定位技術(shù)具有僅需要用戶設(shè)

備（UE）支持簡單的RSS測(cè)量、對(duì)硬件要求很低、無需進(jìn)行LoS/NLoS判決等優(yōu)點(diǎn)，有可

能在6G系統(tǒng)中得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，不過，相鄰位置的RSS數(shù)值通常很相近，難以對(duì)

這些位置進(jìn)行區(qū)分，從而限制了這類定位技術(shù)的定位精度?？芍貥?gòu)智能超表面（RIS）是近

年來迅速發(fā)展起來的由大量透射或反射單元組成的可對(duì)無線電磁環(huán)境進(jìn)行定制的二維相位

調(diào)控表面。利用RIS可以靈活地操控電磁波的傳播特性，可以主動(dòng)對(duì)RSS指紋地圖進(jìn)行改

變[18]。如圖3.13所示，通過切換不同的碼字（相位配置），RIS可以將波束聚焦在不同的

位置，從而改變目標(biāo)區(qū)域的RSS分布，這為降低相鄰位置RSS數(shù)值的相似度提供了一條新

16/63

的技術(shù)路徑。

（a）（b）

（c）（d）

圖3.13RIS動(dòng)態(tài)改變RSS指紋地圖（a）碼字#1（b）RSS指紋地圖#1（c）碼字#2（d）

RSS指紋地圖#2

鑒于此，我們考慮將RIS與RSS指紋定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，提出一種低復(fù)雜度且能

夠在LoS/NLoS場(chǎng)景下均適用的定位方案，能夠?qū)崿F(xiàn)通信與感知一體化（IntegratedSensing

andCommunications，ISAC）的RIS輔助定位，在保證目標(biāo)用戶正常通信的同時(shí)，支持其它

用戶的高精度定位[19]。

圖3.14所示為我們所考慮的RIS輔助的聯(lián)合通信與定位場(chǎng)景示意圖，墻壁上所部署的

透射式RIS可作為“無線電波增透玻璃”[20]，以提升室內(nèi)UE的通信與位置估計(jì)性能。

圖3.14RIS輔助聯(lián)合通信與定位場(chǎng)景

17/63

為了克服傳統(tǒng)基于RSS指紋定位技術(shù)的不足，我們引入RIS來實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)ISAC多焦點(diǎn)

聚焦，通信碼字和定位碼字均采用環(huán)形碼本（RingTypeCodebook，RTC）碼字，其中一個(gè)

焦點(diǎn)用于目標(biāo)UE通信，另一個(gè)焦點(diǎn)用于動(dòng)態(tài)切換目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的RSS指紋地圖以輔助其他

UE進(jìn)行位置估計(jì)。如圖3.14所示，目標(biāo)區(qū)域被劃分為k個(gè)子區(qū)域，RIS使用ISAC碼字進(jìn)

行波束賦形，其中通信波束聚焦于目標(biāo)UE處以提供高吞吐通信服務(wù)，定位波束則依次聚焦

于每個(gè)子區(qū)域的中心，為其他UE提供定位支持，定位UE可以通過進(jìn)行k次RSS測(cè)量來進(jìn)

行位置估計(jì)。

所提出RIS輔助聯(lián)合通信與定位方案中，所涉及各設(shè)備的主要操作如圖3.15所示。RIS

使用ISAC碼字進(jìn)行波束賦形，實(shí)現(xiàn)同時(shí)輔助通信和定位的功能，AP負(fù)責(zé)RSS指紋地圖的

存儲(chǔ)、指紋地圖的傳輸，以及對(duì)UE位置的估計(jì)。

圖3.153RIS輔助聯(lián)合通信與定位方案各設(shè)備主要操作示意圖

所提出的構(gòu)建ISAC碼字的方法，如公式（6）所示，

αα（6）

?j?ISAC?jarg?wCommunication+1??wPositioning

其中，和wISAC=e均采=用eRTC碼字，分別表示通信碼字和定位碼字，ISAC碼

字w通Co過mm對(duì)un其ica進(jìn)tion行復(fù)w數(shù)Pos疊itio加nin而g構(gòu)建。α為模式切換因子，取值與系統(tǒng)模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系如

表w3.I6SA所C示，通過調(diào)整的α取值，可以調(diào)整通信波束和定位波束的功率比，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模

式的切換，如圖3.16所示。

表3.6系統(tǒng)模式切換因子α

α系統(tǒng)模式

α=0定位模式

α=1通信模式

α=0.5ISAC模式（典型）

0<α<0.5ISAC模式（定位優(yōu)先）

0.5<α<1ISAC模式（通信優(yōu)先）

18/63

（a）（b）

（c）（d）

圖3.16模式切換因子α對(duì)ISAC波束功率分配的影響（a）ISAC碼字#1α（b）

ISAC波束#1（c）ISAC碼字#2α（d）ISAC波束#2=0.5

圖3.17所示為兩套所提出方案可選的系統(tǒng)流程≠示0意.5圖，其中，表示僅用于通信的

碼字，表示同時(shí)輔助通信與定位的碼字，定位管理功能（LocatiownCoMmamnagementFunction，

LMF）w表ISA示C網(wǎng)絡(luò)位置管理實(shí)體，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)波束的切換以及UE和AP之間的信息交換，Map

Config表示RRS指紋地圖的切換周期等地圖配置信息。在圖3.17（a）所示的第一種可選流

程中，無論目標(biāo)區(qū)域中是否存在定位UE，RIS均使用ISAC波束為通信和定位UE提供服務(wù)。

定位UE進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域后可以直接進(jìn)行RSS測(cè)量，并利用RSS指紋地圖數(shù)據(jù)來估計(jì)其位置。

而在圖3.17（b）所示的第二種流程中，當(dāng)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)沒有定位UE時(shí)，RIS使用通信波束

為通信UE提供服務(wù)。當(dāng)定位UE進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域并廣播定位請(qǐng)求信號(hào)后，RIS切換使用ISAC

波束來為通信和定位UE提供服務(wù)。

19/63

（a）

（b）

圖3.17所提出方案的系統(tǒng)流程（a）可選方案一：僅使用ISAC波束（b）可選方案二：

波束切換

為驗(yàn)證所提出的RIS輔助聯(lián)合通信與定位方案的性能，下面給出數(shù)值仿真結(jié)果?？紤]

在毫米波28GHz載波頻率下部署的單RIS輔助聯(lián)合通信與定位系統(tǒng)，主要仿真參數(shù)如表3.7

所示。

表3.7數(shù)值仿真參數(shù)

參數(shù)值

載波頻率28GHz

帶寬400MHz

目標(biāo)區(qū)域7米×8米

RIS輸入功率0dBm

RIS單元數(shù)量40×40

RIS移相精度1-bit

路徑損耗模型InH-OfficeLOS

圖3.18給出了對(duì)于所提出方案（典型模式）、僅通信波束方案以及時(shí)分復(fù)用（TDM）

方案，UE的吞吐與定位性能的評(píng)估結(jié)果。仿真結(jié)果表明，所提出方案與僅通信波束方案相

比平均吞吐略有下降約10%，能夠同時(shí)輔助UE實(shí)現(xiàn)高速率通信與高精度定位。

20/63

（a）（b）

（c）（d）

（e）（f）

圖3.18所提出方案與基線方案的性能對(duì)比：（a）提出方案（典型模式）的吞吐性能

（b）提出方案（典型模式）的定位誤差收斂性能（c）僅通信波束方案的吞吐性能（d）僅

通信波束方案的定位誤差收斂性能（e）TDM方案的吞吐性能（f）TDM方案的定位誤差收

斂性能

所提出方案的通信優(yōu)先模式與定位優(yōu)先模式的性能對(duì)比如圖3.19所示?？梢钥吹?，在

定位優(yōu)先模式下，定位誤差能夠在較短的測(cè)量周期內(nèi)收斂，但吞吐性能下降。而當(dāng)系統(tǒng)配置

為通信優(yōu)先模式時(shí)，吞吐和定位誤差收斂的性能變化與定位優(yōu)先模式相反。

21/63

（a）（b）

（c）（d）

圖3.19所提出方案通信優(yōu)先模式與定位優(yōu)先模式的性能對(duì)比：（a）提出方案（通信

優(yōu)先模式）的吞吐性能（b）提出方案（通信優(yōu)先模式）的定位誤差收斂性能（c）提出方

案（定位優(yōu)先模式）的吞吐性能（d）提出方案（定位優(yōu)先模式）的定位誤差收斂性能

由上述討論可以看到，所提出的基于RSS指紋地圖技術(shù)的RIS輔助聯(lián)合通信與定位方

案具有以下技術(shù)特征和優(yōu)勢(shì)：1）實(shí)現(xiàn)了通感一體的高精度定位，在保證目標(biāo)用戶正常通信

的同時(shí)，支持其它用戶的高精度定位；2）可實(shí)現(xiàn)通信優(yōu)先模式與感知優(yōu)先模式的靈活轉(zhuǎn)換；

3）方案復(fù)雜度以及對(duì)UE能力的要求較低。

3.3.物理層安全

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、通感的快速發(fā)展，大量新型業(yè)務(wù)與應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，無線傳輸過程中

的各類保密和敏感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)海量增長，隨之而來的數(shù)據(jù)安全問題越來越突出，安全性正逐漸

成為各種應(yīng)用的前提條件；與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線通信信道具有廣播特性和移動(dòng)特性，

這使得網(wǎng)絡(luò)中合法用戶的通信很容易遭到非法用戶的竊聽和攻擊。

無線物理層安全（PhysicalLayerSecurity，PLS）利用無線信道的唯一性，實(shí)現(xiàn)基于用

戶位置的安全傳輸。物理層安全技術(shù)與無線信道的綁定關(guān)系賦予了其在無線通信中獨(dú)特的優(yōu)

勢(shì)?，F(xiàn)有的基于物理層安全傳輸策略主要包含兩大類：一類是利用無線信道的差異性，設(shè)計(jì)

竊聽編碼、波束成形、人工噪聲和中繼協(xié)作干擾方式的物理層安全傳輸技術(shù)；另一類是物理

層密鑰生成技術(shù)，主要包括基于無線信道特征的密鑰提取、物理層符號(hào)加密等方法，利用通

信雙方私有信道的特性，提取無線信道的“指紋”特征，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生成、無需分發(fā)的快速密鑰

更新方法，近似于一次一密的完美加密效果。

22/63

第六代移動(dòng)通信技術(shù)（6thGenerationMobileNetworks，6G）具有更高的空口安全需求。

協(xié)作干擾、人工噪聲（ArtificialNoise，AN）等傳統(tǒng)無線物理層安全（PhysicalLayerSecurity，

PLS）技術(shù)可以為6G提供高效的安全防護(hù)。然而傳統(tǒng)PLS技術(shù)十分依賴無線信道的隨機(jī)擾

動(dòng)特征，而不可控的無線傳播環(huán)境制約了傳統(tǒng)PLS技術(shù)性能。作為6G關(guān)鍵使能技術(shù)的RIS

能夠按照需求智能、主動(dòng)地調(diào)整無線傳播信道，挖掘無線信道的內(nèi)生安全屬性，利用RIS

調(diào)控?zé)o線環(huán)境的能力，提升無線傳輸?shù)陌踩?、隱蔽性。另一方面，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間

有障礙物的通信場(chǎng)景中，通過合理部署RIS能夠創(chuàng)建虛擬的視線鏈路，以提高所需的接收

信號(hào)強(qiáng)度，并擴(kuò)大無線覆蓋范圍。

在物理層安全傳輸技術(shù)方面，文獻(xiàn)[21]對(duì)RIS輔助的多輸入單輸出單天線竊聽

（multiple-inputsingle-outputsingle-antenna-eavesdropper，MISOSE）系統(tǒng)的保密性能進(jìn)行了

研究。通過對(duì)基站側(cè)主動(dòng)預(yù)編碼以及RIS側(cè)的被動(dòng)預(yù)編碼進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，所提的安全傳輸

框架可以極大的提高系統(tǒng)的保密通信速率。類似的問題也在文獻(xiàn)[22]中被再次探索。文獻(xiàn)[21]

與[22]所提出的被動(dòng)預(yù)編碼優(yōu)化方案也成為了RIS有關(guān)設(shè)計(jì)中主流的兩種優(yōu)化算法。在同一

系統(tǒng)模型下，文獻(xiàn)[23]進(jìn)一步在討論了在保證系統(tǒng)的最小安全傳輸速率需求的前提下的傳輸

功率最小化問題。文獻(xiàn)[21]與[22]更側(cè)重系統(tǒng)的頻譜效率，而文獻(xiàn)[23]更側(cè)重系統(tǒng)的能量效率。

注意到，以上工作都采用了基于交替優(yōu)化的方案解決聯(lián)合優(yōu)化問題。交替優(yōu)化方案復(fù)雜度往

往較高，無法適用于實(shí)際的無線通信系統(tǒng)?；谶@一事實(shí)，文獻(xiàn)[24]提出了一種基于流形優(yōu)

化的兩階段式聯(lián)合優(yōu)化方案。在些微性能損失的前提下，所提出方案可以將算法的時(shí)間復(fù)雜

度降低至交通優(yōu)化方案的1/30。上述研究內(nèi)容只考慮了最簡單的單用戶MISOSE信道?；?/p>

于文獻(xiàn)[21–24]中的工作，后續(xù)研究者先后研究了多輸入多輸出多天線（multiple-input

multiple-outputmultiple-antenna-eavesdropper，MIMOME）[25,26]、寬帶竊聽信道[27]和多用戶

MISOSE信道中基于RIS的安全傳輸設(shè)計(jì)[28]。

3.3.1.RIS輔助物理層安全傳輸技術(shù)

在將RIS應(yīng)用物理層保密通信的研究中，根據(jù)RIS能夠?qū)π盘?hào)同時(shí)進(jìn)行傳輸和反射分

為傳統(tǒng)RIS（conventionalRIS，c-RIS）和同時(shí)傳輸與反射的可重構(gòu)智能表面（Simultaneously

TransmittingAndReflectingRIS，STAR-RIS）；根據(jù)RIS反射單元能否對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行放大

將c-RIS分為有源RIS（activeRIS，a-RIS）和無源RIS（passiveRIS，p-RIS）。在傳統(tǒng)PLS

技術(shù)基礎(chǔ)上，如何優(yōu)化RIS單元相位和幅度，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全保密性能已成為基本

研究思路。

由于RIS具備調(diào)控?zé)o線環(huán)境的能力，故RIS增強(qiáng)合法鏈路通信質(zhì)量的同時(shí)，也給竊聽

鏈路帶來相似增益；另一方面，當(dāng)RIS應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，干擾信號(hào)傾向于動(dòng)態(tài)波動(dòng)，

RIS“盲目”反映期望信號(hào)和干擾信號(hào)，干擾信號(hào)的不可預(yù)測(cè)性可能導(dǎo)致接收機(jī)性能變差。如

何基于RIS技術(shù)，盡可能輔助合法鏈路而劣化竊聽鏈路，是亟待探索的關(guān)鍵問題。

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.p-RIS輔助的PLS研究

由于RIS能夠重新配置無線信道的能力，在一定程度上能夠按照需求智能、主動(dòng)地調(diào)

整無線信號(hào)的傳播，在合法用戶的通信鏈路與竊聽者鏈路在空間上高度相關(guān)的場(chǎng)景下，可以

通過反射和消除部分信號(hào)，結(jié)合其他經(jīng)典物理層安全技術(shù)來增強(qiáng)無線安全。

（1）基于RIS相移矩陣優(yōu)化的隱蔽通信

為了將RIS調(diào)控?zé)o線環(huán)境的能力轉(zhuǎn)化為輔助物理層安全的能力，可通過RIS相移矩陣

優(yōu)化實(shí)現(xiàn)精確的波束形成，以增強(qiáng)合法鏈路和竊聽鏈路的差異。研究指出，在相同的發(fā)射功

率下，進(jìn)行RIS相移矩陣優(yōu)化的系統(tǒng)，其保密速率明顯優(yōu)于RIS相移隨機(jī)化的系統(tǒng)[29]?；?/p>

于此，文獻(xiàn)[30]提出當(dāng)通信發(fā)射節(jié)點(diǎn)配備單天線時(shí)，進(jìn)行聯(lián)合傳輸功率和RIS相移優(yōu)化，當(dāng)

通信發(fā)射節(jié)點(diǎn)配備多天線時(shí)，進(jìn)行發(fā)射波形和RIS相移優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了RIS輔助的合法通信

用戶接收信號(hào)功率的提升和惡意節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)功率的削弱。

與具有固定位置的地面部署RIS相比，空中部署RIS可以在三維空間中靈活調(diào)整位置，

具有更精細(xì)的波束分辨率，以增強(qiáng)PLS，如圖3.20所示。研究[31]考慮了無人機(jī)搭載RIS輔

助隱蔽通信的設(shè)計(jì)方案，通過聯(lián)合優(yōu)化無人機(jī)軌跡和RIS被動(dòng)波束形成，實(shí)現(xiàn)了限定功率

下的物理層安全。

圖3.20無人機(jī)搭載RIS輔助隱蔽通信的系統(tǒng)[32]

（2）基于RIS相移矩陣優(yōu)化和人工噪聲結(jié)合的保密通信

當(dāng)發(fā)射機(jī)具備足夠的空間自由度以生成人工噪聲（ArtificialNoise，AN）信號(hào)時(shí)，考慮

在系統(tǒng)中注入AN以干擾惡意節(jié)點(diǎn)，從而提升保密速率。在RIS輔助無人機(jī)的物理層安全研

究中，可以通過這一特性通過利用飛行RIS的高移動(dòng)性，提高了整體安全性。通過將AN傳

輸?shù)綈阂夤?jié)點(diǎn)，可以通過飛行的RIS克服IoE設(shè)備硬件復(fù)雜度低以實(shí)現(xiàn)安全通信的缺點(diǎn)[29]。

在文獻(xiàn)[33–35]中，考慮了添加AN來故意損害竊聽者的信道，通過聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射波束、

RIS相移和AN協(xié)方差矩陣，最大化系統(tǒng)保密通信能力。這些工作已經(jīng)證明，AN可以顯著

提高保密性能，但需要消耗一定數(shù)量的多天線發(fā)射機(jī)的空間自由度和發(fā)射功率。

當(dāng)發(fā)射機(jī)的空間自由度不足或單個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率受限時(shí)，考慮借助協(xié)作干擾節(jié)點(diǎn)生成

噪聲干擾信號(hào)。在RIS輔助的無線通信系統(tǒng)中，統(tǒng)籌考慮發(fā)射節(jié)點(diǎn)、合作加擾節(jié)點(diǎn)和RIS，

實(shí)現(xiàn)保密通信已被證明是一項(xiàng)可行的方案[36]，如圖3.21所示。

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圖3.21協(xié)作干擾輔助RIS無線網(wǎng)絡(luò)[36]

設(shè)想了空中RIS可以與地面BS聯(lián)合作為一個(gè)移動(dòng)合作干擾器，以提高安全性。此外，

存在多個(gè)合法用戶和竊聽者時(shí)，由于任務(wù)要求，空中RIS必須飛越某些竊聽者，此過程中

信息泄漏的可能性增加。在這種場(chǎng)景下，考慮部署多個(gè)協(xié)作飛行RIS，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的安全通信

[29]。通過聯(lián)合優(yōu)化空中節(jié)點(diǎn)的軌跡、空中RIS的被動(dòng)波束形成和朝向角以及地面BS的發(fā)射

波束形成，最大限度地提高保密容量、安全闡述概率等系統(tǒng)安全指標(biāo)。

.STAR-RIS輔助的PLS研究

C-RIS由于單元只具備反射能力，故要求通信源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)位于RIS的同一側(cè)。為

了進(jìn)一步提升增強(qiáng)覆蓋范圍、提供操作信號(hào)傳播自由度以及RIS部署的靈活性，考慮將

STAR-RIS引入無線系統(tǒng)。如何將STAR-RIS全方位構(gòu)造無線環(huán)境的能力轉(zhuǎn)化為保密通信的

能力，是STAR-RIS輔助PLS研究的基本思路。

文獻(xiàn)[37]考慮了在室內(nèi)室外都有合法通信用戶存在的場(chǎng)景下，必須要引入STAR-RIS進(jìn)行

通信全覆蓋，研究了STAR-RIS輔助的上行NOMA保密通信，利用STAR-RIS實(shí)現(xiàn)對(duì)無線

傳播環(huán)境的主動(dòng)控制，從而保護(hù)NOMA通信免受惡意竊聽。

研究[31]考慮了STAR-RIS輔助的安全NOMA通信系統(tǒng)，采用注入AN的方法提升保密

速率，如圖3.22所示。

圖3.22STAR-RIS輔助的安全NOMA通信系統(tǒng)[31]

3.3.2.RIS輔助的物理層密鑰生成技術(shù)

物理層密鑰生成技術(shù)利用無線信道內(nèi)生的物理特性來生成安全密鑰，這種密鑰生成技術(shù)

不需要大量的計(jì)算且生成的密鑰高度隨機(jī)，因此受到了廣泛的關(guān)注。物理層密鑰生成高度依

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賴無線信道的隨機(jī)性，當(dāng)信道環(huán)境較差或者信道處于準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)，密鑰生成速率受限?？芍貥?gòu)

智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface，RIS）可以通過調(diào)整反射系數(shù)，如相位、幅

度、頻率，甚至極化來主動(dòng)的地控制信號(hào)，調(diào)控?zé)o線信道特性，從而改善信道環(huán)境，提升密

鑰生成速率。

RIS輔助的物理層密鑰生成是否存在最優(yōu)的相位矩陣使得密鑰生成速率最大。在多用戶

場(chǎng)景中，用戶信道之間的相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致信息泄露，密鑰生成速率大大降低。竊聽者的存在也

是密鑰生成所面臨的挑戰(zhàn)，如何智能的調(diào)控RIS的反射系數(shù)，在增強(qiáng)合法用戶信道的同時(shí)

干擾竊聽者信道仍在研究。

在物理層安全密鑰生成技術(shù)中，如何實(shí)現(xiàn)高密鑰容量和低比特不一致性是一個(gè)挑戰(zhàn)。密

鑰生成速率依賴于無線環(huán)境的隨機(jī)性，目前已有研究表明隨機(jī)開關(guān)RIS單元可以簡單的提

升信道的隨機(jī)性，帶來更高的密鑰熵[38]。有規(guī)劃的開關(guān)某些RIS單元可以在進(jìn)一步提升密

鑰生成速率的同時(shí)使得合法用戶通道質(zhì)量由于竊聽者[39]。這兩種方法都可以在低熵環(huán)境下

輔助用戶實(shí)現(xiàn)密鑰生成。

對(duì)于單用戶場(chǎng)景，利用信道狀態(tài)信息（ChannelStateInformation，CSI）優(yōu)化RIS單元

反射系數(shù)，從而有效地放置RIS單元，可以最大限度地提高密鑰容量，最大化可達(dá)密鑰生

成速率[40]。在多用戶場(chǎng)景下，用戶信道之間的相關(guān)性會(huì)影響密鑰生成速率。在考慮用戶信

道相關(guān)性的前提下，每個(gè)合法用戶在與基站進(jìn)行密鑰協(xié)商時(shí)，其余的合法用戶都視為潛在竊

聽者。密鑰速率通常由通信用戶與其他竊聽者之間的最小互信息得出。在多用戶場(chǎng)景下，當(dāng)

一個(gè)用戶的通道與其他通道的獨(dú)立性越強(qiáng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的密鑰生成速率就越快，這意味著我們

可以通過減少多個(gè)用戶之間的通道相關(guān)性來提高密鑰生成速率[41]。在每次密鑰協(xié)商的間隙

隨機(jī)切換RIS的相位可以降低信道間的相似性，提升密鑰生成速率。此外，基