HARIS-FSO：一种结合了RIS辅助的OCDMA-NOMA架构的混合主动式技术，针对6G自由空间光网络进行了BCD（Binary-Coded Decimal）优化

《Optics & Laser Technology》：HARIS-FSO: A hybrid active RIS-Assisted OCDMA-NOMA architecture with BCD optimization for 6G Free-Space optical networks

本文提出了一种集成主动智能表面（RIS）与混合OCDMA-NOMA接入的6G自由空间光通信架构，有效克服传统被动RIS的双路径损耗问题，并通过块坐标下降算法优化系统参数，在Gamma-Gamma大气湍流环境下实现低误码率和高频谱效率，为6G高容量可靠光无线网络奠定基础。

　　
自由空间光通信（FSO）在第六代移动通信（6G）网络中的重要性日益凸显。随着全球数据流量以年均20%的速度增长，传统射频（RF）通信面临频谱资源稀缺、多径干扰严重等瓶颈问题，而FSO凭借其高带宽、低延迟和抗电磁干扰等特性，成为6G网络的关键技术之一。然而，FSO系统在实际部署中仍面临两大核心挑战：一是受限于大气湍流和物理遮挡导致的信号衰减，二是传统多址接入技术难以平衡用户容量与干扰抑制。针对这些问题，最新研究提出了一种融合主动可重构智能表面（RIS）与混合光码分多址（OCDMA）-非正交多址接入（NOMA）架构的创新解决方案，为6G高容量、低时延、高可靠通信提供了新的技术路径。

### 一、系统架构的创新突破
传统被动RIS通过反射信号构建虚拟直射路径，但其应用在FSO场景中存在根本性缺陷：信号需经历"源-反射面-接收端"两次传输，导致双路径损耗叠加。例如，在典型气象条件下，信号强度衰减可达40dB以上，难以满足实际传输需求。相比之下，新型主动RIS通过集成内置光源和波束整形功能，实现了信号放大与波束控制的统一。这种主动反射面不仅具备传统RIS的智能反射特性，还能主动生成经过相位调控的光信号，从而有效规避双路径损耗问题。

该架构的另一个关键创新在于多址接入技术的融合。OCDMA通过为不同用户分配正交的扩频码，显著增强了抗干扰能力，特别是在密集用户场景中，其扩频特性可有效抑制相邻用户间的干扰。而NOMA通过功率域叠加传输，在单位带宽内可同时服务多个用户，提升系统容量。通过将OCDMA用于簇间干扰抑制，NOMA用于簇内用户的多址接入，形成了"外层OCDMA隔离干扰，内层NOMA提升容量"的协同机制。这种分层设计既保留了OCDMA的抗干扰优势，又发挥了NOMA的高效资源利用特性，解决了传统多址技术中容量与干扰的矛盾。

### 二、理论框架的全面构建
研究团队建立了首个完整涵盖主动RIS、混合多址接入和大气湍流的数学模型。该模型创新性地将Gamma-Gamma分布的大气湍流特性、SIC（ successive interference cancellation）的不完善影响以及波束形变的动态特性进行统一建模。特别值得注意的是，对SIC残差干扰的量化分析是现有研究的空白。通过建立信号-干扰-噪声（SINR）的解析表达式，系统首次实现了在强湍流环境下误码率（BER）与中断概率的精确预测。

理论推导表明，当大气湍流强度超过10^-3 mm/s2时，传统被动RIS的信号衰减可达30dB以上。而新型主动RIS通过内置光源补偿了传输损耗，在15dB发射功率下仍能维持有效信号强度。这种补偿机制使得系统在15m传输距离内，光信号强度比被动RIS方案提升20dB以上，显著改善接收灵敏度。

### 三、优化算法的工程实现
针对多变量联合优化的复杂性问题，研究提出了一种基于块坐标下降（BCD）的迭代算法。该算法将优化变量分为RIS相位、功率分配和OCDMA码分配三个独立模块，通过循环优化各模块实现全局最优。算法设计遵循"分而治之"原则：在固定OCDMA码分配时优化功率分配，在确定功率分配后调整RIS相位参数，最终通过交替迭代收敛到最优解。

实际计算表明，与传统梯度下降法相比，BCD算法的收敛速度提升约3倍，且在100次迭代内即可达到误差小于1%的稳定状态。该算法特别适合处理包含离散变量（如OCDMA码选择）和连续变量（如功率分配）的混合优化问题。实验验证了算法在1000用户规模下的可行性，优化过程耗时仅0.8秒（采用MATLAB R2023a平台）。

### 四、仿真验证的关键成果
通过大规模蒙特卡洛仿真（参数设定覆盖典型6G场景），系统在以下关键指标上取得突破性进展：

1. **误码率性能**：在15dB发射功率、6.84b/s/Hz的频谱效率下，系统BER达到10^-13量级，较传统RIS方案降低两个数量级。即使在极端湍流条件下（湍流强度10^-2 mm/s2），BER仍稳定在10^-11以下。

2. **抗干扰能力**：通过OCDMA码的智能分配，系统在100用户规模下仍能保持20dB以上的信噪比余量。测试数据显示，当用户数增加至500时，系统误码率仅上升0.5dB，验证了抗干扰机制的鲁棒性。

3. **中断概率控制**：在保证99.9%连接可靠性的前提下，系统中断概率可降至10^-6以下。通过动态调整OCDMA簇结构和NOMA功率分配，系统在暴雨天气（能见度<1km）下仍能维持基本通信功能。

4. **能效优化**：与传统RIS方案相比，新型主动RIS通过内置光源实现信号放大与波束控制的一体化，使单位比特能耗降低约35%。结合动态功率调节技术，系统在10W总功耗下可支持每秒120GB的传输速率。

### 五、实际部署的可行性分析
研究团队深入探讨了技术实现的工程可行性：

1. **硬件实现路径**：采用可编程微纳结构阵列（PMSA）作为核心器件，每个单元包含可调谐电光调制器（EOM）和激光二极管（LD）。实验表明，单个单元的响应时间可控制在50ns以内，相位调整精度达到π/1000量级。

2. **成本效益评估**：与商业级被动RIS（单价$5000）相比，新型主动RIS的硬件成本约$1200/单元，但通过集成光源和波束控制模块，整体系统成本反而降低18%。大规模部署时，单位用户成本可降至$0.03/km。

3. **部署场景规划**：建议优先在以下场景部署：
- 城市骨干网：利用OCDMA的强抗干扰能力支持密集用户接入
- 工业物联网：通过NOMA的高效叠加实现毫秒级时延
- 卫星-地面链路：结合UAV搭载的RIS实现移动用户覆盖

### 六、技术演进与未来展望
该研究为6G FSO通信奠定了三个重要基础：
1. **架构融合范式**：开创了智能反射面与多址接入技术深度融合的新模式，为未来空天地一体化网络提供参考架构。
2. **理论-实践闭环**：建立了从数学建模到仿真验证再到工程实现的完整技术链条，特别在SIC残差干扰建模方面填补了理论空白。
3. **系统可扩展性**：通过模块化设计，系统可灵活扩展至1024用户规模，且扩展后性能下降不超过5%。

研究指出，当前技术仍存在三个主要挑战：① 激光二极管在高速调制下的寿命问题（实测可达10^8小时）；② 复杂湍流环境下的动态信道估计精度（当前算法在10^-3 mm/s2湍流下可实现15%的估计误差）；③ 多用户干扰在超密集场景下的累积效应。建议后续研究聚焦于智能光源的拓扑优化、基于深度学习的信道估计算法以及分布式SIC处理技术。

### 七、行业影响与标准化启示
该技术路线对6G标准化具有三方面启示：
1. **频谱分配策略**：建议在380-400nm窗口（大气窗口）设置专用频段，同时预留20%频谱用于动态扩容。
2. **协议标准化需求**：需制定统一的OCDMA码库标准、NOMA功率分配规范以及RIS控制接口协议。
3. **安全增强机制**：通过NOMA的功率叠加特性，可自然集成物理层安全功能，未来需在标准中明确安全认证流程。

目前，研究团队已完成原型系统的实验室验证，在100m传输距离下实现了平均每秒传输2.3TB数据，BER达到10^-12，中断概率低于10^-5。下一步计划开展半外场试验，重点测试在湍流强度10^-2 mm/s2环境下的实际性能，并开发面向工业场景的定制化芯片。该研究不仅为6G FSO通信提供了关键技术突破，更为智能无线光子系统的标准化进程奠定了重要基础。