智能超表面增强多址技术——RIS辅助系统

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RIS 辅助 TDMA 系统
时分多址接入（Time division multiple access，TDMA）作为正交多址接入典型代表，其主要实现方式是为多用户分配正交的时间资源，以避免用户间干扰。对于传统的通信系统，在信道的相干时间内，每个用户的信道条件保持不变，TDMA 的频谱效率通常低于 NOMA。


而对于 RIS 辅助的通信系统，在相干时间内，可通过动态调控 RIS 的相位，为多用户通信创造有利的时变信道，以获得时间分集。在 RIS 辅助的 TDMA 系统中，每个用户在时间尺度上依次被调度，因此可在各个用户的调度时隙内为该用户设计特定的 RIS 相位，即通过动态调控 RIS 相位，提升 TDMA 系统性能。而在 NOMA 系统，由于所有用户同时被调度，通过动态调控 RIS 相位对于提升系统性能并不显著。已有研究针对两用户下行通信系统，发现在特定的用户位置分布条件下，TDMA 相比于 NOMA 在保证用户服务质量下需要的基站功率更小。此外，针对能量受限的上行传输系统或者无线供能的场景，早期研究论证明了动态调控 RIS 相位可以使得 TDMA 获得比 NOMA 更大的吞吐量性能。而考虑端到端传输时延、用户公平性等其他性能指标或因素，NOMA 相比于 TDMA 具有固有的优势，而对于 RIS 辅助的 TDMA 和 NOMA 性能比较可能会有不同的结果。


RIS 辅助 NOMA 系统
未来无线通信业务量以及无线设备接入量将呈爆炸式增长，目前移动通信系统中采用的正交多址接入技术受限于无线资源在时域、频域、码域、空域等方向的自由度，不仅使得原本有限的无线资源难以充分利用，而且也极大地限制了网络中用户的接入数量。为了提升RIS 辅助通信系统的频谱效率和用户连接数，与非正交多址接入技术结合，构建 RIS 辅助NOMA 系统，是一个极具潜力的解决方案。NOMA 技术的核心思想是允许多个用户复用相同的无线资源块（如时隙、子载波、空间波束等），并在功率域或码字域上区分各个用户，以提升频谱效率和用户接入能力。值得一提的是，传统 NOMA 通信中可实现的通信性能增益很大程度上取决于用户之间信道条件的差异性。通过利用 RIS 对用户信道进行重构，可以实现更加灵活的 NOMA 通信，进一步激发 NOMA 相较 OMA 可实现的性能增益。


因此，RIS 辅助 NOMA 系统可视为一种“双赢”的集成。为了充分实现 RIS 辅助 NOMA 系统的增益，还需要克服诸多挑战。例如，对于多天线NOMA 通信，用户执行串行干扰消除（Successive Interference Cancellation, SIC）解码顺序不再仅由用户信道增益顺序决定，还需要满足额外的解码速率条件。已有研究初步提出了一种 RIS 增强的多天线 NOMA 传输框架，针对不同的 RIS 反射单元类型并且考虑多天线NOMA 用户 SIC 解码顺序条件，通过应用凸优化方法提出了可获得局部最优解的算法，使系统吞吐量最大化。在该情况下，基站端的有源波束赋形和 RIS 端的被动波束赋形将与NOMA 用户 SIC 解码顺序、用户分簇等设计高度耦合，当用户数量众多时，相关低复杂且高效的优化设计算法有待进一步研究。


功率域 NOMA 另一个典型的特征在于可以和传统的正交多址接入方案结合，从而折中系统的性能和 SIC 实现的复杂度。值得注意的是，受益于 RIS 动态波束调控，RIS 辅助的TDMA 通信系统可以获得有利于各用户通信的时变信道，从而带来系统吞吐量的显著提升。在考虑 RIS 的影响下，结合 TDMA 和 NOMA 的优势，以平衡系统的性能与实现复杂度，是一个值得考虑的问题。通过将 TDMA 与 NOMA 结合，对用户进行分组，其中，组内的用户以功率域 NOMA 的方式传输，共享相同的 RIS 波束赋形矢量；组间用户占用正交的时间资源并为每个用户组设计独自的 RIS 波束赋形矢量，可形成一种 NOMA-TDMA 混合多址技术。通过合理的设置用户组数目，RIS 辅助的 NOMA-TDMA 系统可以灵活高效地平衡系统复杂度与吞吐量性能。然而，RIS 辅助的 NOMA-TDMA 系统也为性能优化带来了新的挑战，用户分组准则不再由用户的信道直接决定，需要考虑结合 RIS 相位带来的等效信道的影响，这使得 RIS 相位设计与用户分组设计高度耦合。对于上行通信场景，早期的研究分别在被动式与主动式RIS辅助的TDMA-NOMA场景下，开展了吞吐量最大化的研究。

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