有源智能超表面 & STARS的三维定位

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基于 STARS 的三维定位
反射式 RIS，只能为其正前方的用户提供通信和定位服务，位于其背面的用户无法得到支持和帮助。随着 STARS 的引入，服务背面用户将成为现实。STARS 可以支持 360 度的覆盖，支持反射和折射双模式工作。STARS 非常适合用于室内和室外的定位，它可以同时使用反射和折射来提高定位系统的准确度。如下图所示，在 STARS 的辅助下，室外基站可以同时对室外用户和室内用户进行定位。在这个系统中，室外用户和 BS 之间存在两条路径，即一条直射 LoS 路径和一条通过 STARS 的反射路径。对于室内用户来说，只存在一条通过 STARS 的折射路径。通过控制 STARS 反射和折射控制矩阵以及两种模式的功率分配，可以同时满足室内和室外用户的 QoS 要求。对于高导频开销情形，有文献优化了两个控制矩阵。下表简要总结了不同类型 RIS 的 3D 定位能力。

STAR-RIS 使能的室内和室外同时定位

基于不同类型 RIS 三维定位的总结

有源智能超表面
通过将有源功率放大器集成在智能超表面单元中，使得 RIS 具有对空间电磁波进行二次场增强调控的能力，并利用数字编码技术对功率放大器的状态进行数字离散化调控，从而实现动态调控超表面的辐射远场波束可重构，单元结构如下图所示。该增强式调控功能将为 RIS 在链路信道增强、覆盖半径的提升、小型化及提高系统转换效率方面提供必要的基础支撑。

加载功率放大器的 RIS 单元结构(a)顶层和(b)底层

结合功率放大器的高功率耐受特点，集成有源功率放大器的智能超表面具备空间功率传输的功能，当采用时空编码量化矩阵的数字调制方式对功率放大器件进行周期性的开关切换时，超表面具有增强模式的非线性谐波波束调控特性，并将能量及信息赋予不同谐波波束，可以实现能量与信息的同时传输，为 RIS 在智能携能通信系统中进一步应用奠定了坚实的基础。

RIS 电磁能量放大、谐波调控与非互易传输

为克服 RIS“乘性衰落”效应这一难题，即 RIS 反射链路的路径损耗为发射机到 RIS 和RIS 到用户这两段子链路路径损耗的乘积，清华大学团队提出了有源 RIS 及其对应的信号模型和系统设计方法。有源 RIS 通过在每个（或部分）RIS 单元中集成反射式有源功率放大器，如下图所示，对反射信号同时进行相位调控和高增益放大，从而补偿乘性衰落带来的路损。3.5GHz 频段 64 单元有源 RIS 辅助的无线通信原型验证平台实测结果表明，有源 RIS 可产生高增益的反射波束，相比于金属板，可提高接收信号功率约 10dB 以上，实现了显著的接收功率提升。不同于无源 RIS 被动反射时可忽略热噪声，有源 RIS 在放大被反射信号的同时，也将额外引入并放大不可忽略的热噪声。

有源 RIS 对反射信号同时进行调控和放大

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