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[分享] 新型智能超表面——STARS

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发表于 2024-1-25 10:02:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
智能超表面以其对电磁波独特的智能调控方式,为新型无线信号调制硬件范式与智能无线环境提供能无限可能,各种新型智能超表面设计不断涌现。

反射和透射一体的智能超表面
目前大部分的 RIS 的工作模式仅支持仅反射或仅透射模式中的一种,本节将介绍一种新型的融合反射和透射功能于一体的 STARS(Simultaneously Transmitting and ReflectingSurface,STARS)。相比单一功能的 RIS,STARS 可以实现 360°的覆盖和具有更多的调节自由度等优点。与此同时,其硬件实现和物理原理也更加复杂。

在未来的无线通信网络中,STARS 在室内、外均拥有许多的应用场景。其中最有潜力的应用之一即是提升无线网络的覆盖面积和信号质量,这是因为 STARS 对于提升室内、外的信号连接性有着革命性的作用。尤其是对于毫米波等高频段的电磁信号,其穿透、绕过墙壁等障碍的能力很弱,将 STARS 部署在墙体或窗户上,并对透射信号进行波束赋形,可以大大提高室内外信号的连通性。同时,对于室内或室外的通信场景,STARS 也可以被部署到汽车、飞机或室内墙体中,其全方位的信号覆盖能力是仅反射/透射式 RIS 所无法实现的。在具体的通信应用方面,首先,基于 STARS 支持 NOMA 是一个具有潜力应用方向。考虑到传统 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。

因此可以利用 STARS 对反射和透射信号进行能量分割,增加反射用户和透射用户的信道条件差异,由此构建 STARS 增强的“反射-透射”NOMA 通信系统。其次,STARS 增强的全空间物理层安全通信是另一个应用方向。利用 STARS 提供的 360°重构传输信道,无论窃听者处于空间任何位置,STARS 都可在一个或多个窃听方向上的有用信号强度进行削弱,实现保密传输。未来,STARS 还有更多的应用场景,如 STARS 增强的无线能量传输、可见光通信和通信感知一体化技术等等。

STARS 硬件设计与调控
与传统 RIS 类似,调控 STARS 主要靠控制其电磁单元的表面阻抗来实现,进而控制入射信号在其表面激发的表面电流的分布、强度与相位。而对于 STARS,调控反射和透射系数的关键在于其电磁单元不仅需要支持电流,还需要支持磁流(即涡旋电流)。对于 STARS的硬件实现,主要可以分为阵列式和超材料式两种。阵列式的结构类似于传统的反射式天线阵列,主要由多个电磁单元周期性排列而成。其电磁单元大小往往在厘米量级,因此,其每个电磁单元内可以容纳二极管、电容、电感等调节器件。对于基于超材料电磁单元的调节往往需要直接控制对应材料的电磁特性。例如对于单层或多层石墨烯,可以通过调节其电导率来控制各层的反射、透射系数。

任意一个 STARS 单元可以处于纯反射状态(R mode)、纯透射状态(T mode)或叠加态(T&R mode)。与纯反射式 RIS 相比,STARS 的每个单元都有着更多的可调节自由度,这也极大的增加了其调相的复杂度。为了便于整体优化,这里给出三种基本的调控机制:能量分割、模式切换和分时切换。

能量分割(Energy splitting):如图(a) 所示,此模式下所有 STARS 电磁单元处于反射和透射叠加态,每个电磁单元具有独立可调的信号幅度和相位控制。此模式虽然具有较高的调节复杂度,但是可以获得最佳的 STARS 波束赋形增益。
模式切换(Mode switching):如图(b)所示,此模式下 STARS 的单电磁元分为两组,各组的电磁单元只工作在纯反射状态或纯透射状态下。与能量分割模式相比,此模式的优点是更加便于实际实施。当所有电磁单元完成分组后,模式切换 STARS 可以看作由反射式 RIS 和透射式 RIS 组合而成。然而由于并不是所有电磁单元都参与了反射和透射,此模式的缺点是无法获得最大的波束赋形增益。
分时切换(Time switching):如图(c)所示,此模式下整个 STARS 周期性的交替于纯反射状态和纯透射状态之间。这样的设计使得反射信号过程与透射信号过程的通信设计优化相互独立,然而,该模式需要频繁地切换电磁单元的工作模式,因此对于时钟同步的要求较高。

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