现代基站架构：基于超对角可重构智能表面的无源波束成形技术

《IEEE Transactions on Wireless Communications》：Modern Base Station Architecture: Enabling Passive Beamforming with Beyond Diagonal RISs

本文针对毫米波通信系统中传统有源天线阵列成本高、功耗大的问题，研究了一种在基站内部集成超对角可重构智能表面（BD-RIS）的新型架构，以实现高效的无源波束成形。研究通过理论分析和仿真验证，表明BD-RIS能够提供稳健的波束成形性能，其性能接近有源模拟波束成形天线阵列，而传统对角RIS（D-RIS）则存在性能不稳定的局限性。该研究为6G网络低成本、高能效大规模天线部署提供了有前景的解决方案。

　　

在第六代（6G）无线通信的浪潮中，毫米波（mmWave）频段因其广阔的带宽资源而备受青睐，有望支撑起未来高速率、低延迟的应用需求。然而，毫米波信号在传播过程中会遭遇严重的路径损耗和衰减，这成为了其广泛应用的主要障碍。为了克服这一挑战，波束成形技术应运而生，它通过将电磁波能量集中定向发射，犹如探照灯一般，从而有效补偿路径损耗。传统上，这依赖于在基站（BS）部署大规模有源天线阵列，并配备复杂的相位调整网络（即模拟波束成形）甚至为每个天线单元配备独立的射频链路（即全数字波束成形）。但这类方案存在明显的短板：庞大的有源组件数量导致硬件成本高昂，系统功耗巨大，限制了其在现实网络中的大规模部署可行性。

正是在这样的背景下，可重构智能表面（RIS）技术作为一种革命性的低成本、低功耗方案进入了研究者的视野。RIS是一种由大量无源超材料单元构成的平面结构，能够通过编程智能地调控入射电磁波的特性（如相位），从而动态地塑造无线信道环境。通常，RIS被当作辅助设备部署在环境中。然而，一种更具潜力的思路是将RIS直接集成到基站或用户设备（UE）内部，使其成为实现波束成形的主要部件，从而构建完全无源的模拟波束成形系统，极大简化收发信机设计。

尽管传统的对角RIS（D-RIS，其散射矩阵为对角阵）只能进行相位控制，但一种更先进的形态——超对角RIS（BD-RIS）——近年来展现出更大优势。BD-RIS通过在其内部元件间引入连接，能够同时对入射信号的幅度和相位进行调控，这赋予了它更强大的波束成形能力。特别地，将BD-RIS集成于基站内部，使其非常靠近基站的有源天线，可以规避传统RIS辅助系统中固有的“乘性路径损耗”问题。但是，这种紧密集成也带来了新的设计挑战：当RIS尺寸增大或与有源天线的距离减小时，信号到达RIS不同单元的幅度差异（即信道幅度变化，CAV）会变得显著。传统的D-RIS对此无能为力，而BD-RIS则有望通过其联合幅度-相位调控能力来应对。

为了解决现有BS集成RIS研究中缺乏对关键设计参数（如RIS尺寸、BS-RIS距离）影响的分析，以及常使用不符合毫米波稀疏散射特性的信道模型等问题，由Mahmoud Raeisi、Hui Chen、Henk Wymeersch和Ertugrul Basar组成的研究团队在《IEEE Transactions on Wireless Communications》上发表了他们的研究成果。他们深入探究了一种基于BD-RIS的基站架构，旨在实现高效的无源波束成形，并系统分析了其性能边界和工程折衷。

为开展研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们建立了BS集成BD-RIS的系统、信道和信号模型，其中BS-RIS信道基于瑞利-索末菲衍射理论模拟近场传播，而RIS-UE信道采用几何簇模型以贴合毫米波稀疏散射特性。其次，他们利用Takagi分解法来设计BD-RIS的配置散射矩阵Ω，并分析了全连接和分组连接等不同BD-RIS架构的电路复杂度。第三，研究引入了信道幅度变化（CAV）这一新指标，用以量化BS-RIS信道幅度的相对离散程度，并作为理论分析的关键工具。最后，通过广泛的计算机仿真，从波束成形性能、平均误码率（ABER）和可达速率等多方面评估系统性能，并与传统D-RIS、有源模拟波束成形阵列进行对比。此外，研究还提出了一种基于几何对称性的分组策略以降低电路复杂度。

系统模型与BD-RIS配置

研究考虑了一个点对点（P2P）通信场景。基站配备一根有源天线和一个集成于其内部的BD-RIS。该BD-RIS工作在透射模式，意味着信号从面向有源天线的侧面入射，经过BD-RIS调控后，从面向用户的侧面发射出去。BD-RIS的被动元件排列成均匀平面阵列（UPA）。有源天线位于BD-RIS平面法线方向的中心轴上，与RIS中心保持一定距离d_c。BS-RIS信道g的建模考虑了近场传播效应，其系数幅度与距离d_m的三次方成反比。RIS-UE信道h则采用包含一条视距（LOS）路径和多个非视距（NLOS）簇的几何模型，以反映毫米波环境的特性。

BD-RIS的核心是其散射矩阵Ω。对于全连接架构，Ω是一个完整的酉矩阵（满足Ω^HΩ = I_M）。为了平衡性能与电路复杂度，研究还探讨了分组连接（Group-Connected）架构，即将M个单元分为G组，每组内全连接，组间无连接。研究人员利用Takagi分解法，根据BS-RIS信道g和代表目标波束方向的波束成形向量b（其获取方式取决于信道状态信息CSI的可用性，论文考虑了三种情况），来求解每组的最优散射矩阵Ω_q。

信道幅度变化（CAV）：性能分析的关键指标

理论分析揭示，BS集成RIS的性能很大程度上受BS-RIS信道幅度变化的影响。CAV定义为BS-RIS信道系数幅度|g_m|的标准差与其均值的比值。研究表明，CAV随着RIS阵列尺寸的增大或BS-RIS距离d_c的减小而增加。这意味着在追求更大阵列（以获得更窄波束）和更小d_c（以减少乘性路径损耗）这两个优化方向时，幅度变化问题会愈发突出。

通过严格的数学推导，论文得出了两个重要结论：首先，BD-RIS相对于D-RIS的信噪比（SNR）增益存在一个保证的最小值G_min= 10log₁₀(1 + CAV²)。这个增益下限仅由BS的设计参数（阵列大小、d_c）决定，与RIS-UE信道的散射条件无关。其次，在丰富的散射环境下（如瑞利衰落信道），BD-RIS能获得一个额外的固定增益，使其SNR增益达到最大值G_max= G_min+ 10log₁₀(4/π) ≈ G_min+ 1.05 dB。这些结论表明，BD-RIS的性能优势部分源于其对BS内部信道幅度变化的补偿能力。

波束成形性能与SNR增益

仿真结果验证了理论分析。在波束成形方向图方面，BD-RIS能够产生与有源模拟波束成形天线阵列几乎 identical 的波束，具有高指向性和窄的主瓣宽度。而D-RIS的波束则更宽，波束成形增益较低。更重要的是，BD-RIS的波束成形性能对BS-RIS距离d_c的变化不敏感，表现出稳健性。相反，D-RIS的性能在d_c减小时会显著恶化，因为更严重的CAV无法被其相位调控所补偿。

SNR增益的分析显示，BD-RIS相对于D-RIS的增益随着NLOS簇数量的增加（即散射变得更丰富）而从G_min单调增加至G_max，仿真曲线与理论界限高度吻合。例如，在默认参数下（M=10×10, d_c=λ/2），CAV≈1.25，计算得G_min≈4.07 dB，G_max≈5.12 dB。

系统性能评估：ABER与可达速率

在平均误码率（ABER）和可达速率方面，BD-RIS在所有考虑的场景（有无LOS）和CSI获取方案下，性能都显著优于D-RIS，并且非常接近有源模拟波束成形阵列。性能差距主要来自于BD-RIS架构固有的乘性路径损耗。在特定条件下（如无LOS场景且能获得全CSI），BD-RIS甚至能利用最优波束成形向量v₁的幅度信息，进一步缩小与有源阵列的差距。而D-RIS由于波束成形能力有限，信号会泄漏到非期望路径，导致性能下降。

可达速率分析进一步探讨了阵列大小和d_c的影响。当阵列很小时（如2×2），所有单元到有源天线的距离相等（CAV=0），BD-RIS和D-RIS性能相同。但随着阵列增大，CAV增加，D-RIS的性能与有源阵列的差距迅速拉大，而BD-RIS则能保持一个恒定的差距（仅由乘性路径损耗引起）。对于d_c，减小d_c通常能提高速率（因路径损耗减小），但D-RIS在d_c小于某个阈值（如1.5λ）后，性能会因波束成形严重劣化而不升反降。BD-RIS则能持续受益于d_c的减小。

分组连接架构的效能

在电路复杂度方面，研究证实通过一种基于几何对称性的分组策略，可以大幅降低BD-RIS的复杂度而几乎不牺牲性能。具体而言，如果将RIS单元划分为围绕有源天线对称的组（例如，将整个阵列分为左右对称的两大组），那么每个组内的CAV与整个RIS的CAV相同。因此，用这样一个分组连接的BD-RIS就足以补偿整个阵列的幅度变化。仿真显示，在某些对称分组下（如G=1全连接 与 G=2分组连接），波束图案和可达速率几乎完全一致。这为实际实现提供了重要的工程指导。

研究结论与意义

本研究系统地论证了将超对角可重构智能表面（BD-RIS）集成于基站内部以实现无源波束成形的可行性和优越性。核心结论是，BD-RIS能够提供与有源模拟波束成形天线阵列相媲美的波束成形性能，其性能对关键设计参数（如RIS尺寸、BS-RIS距离）的变化具有鲁棒性。而传统对角RIS（D-RIS）的性能则在这些参数优化时表现出不稳定性。研究首次明确揭示了BD-RIS相对于D-RIS的性能增益存在一个由基站内部信道幅度变化（CAV）决定的下限，该下限独立于外部环境散射条件。此外，提出的几何对称分组策略有效解决了BD-RIS电路复杂度高的挑战。

这项工作的意义重大，它为未来6G网络中低成本、高能效大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统的设计提供了一种极具潜力的架构。通过使用无源的BD-RIS替代昂贵且耗电的有源组件和相位调制网络，可以显著降低基站的硬件成本和能耗，同时保持优异的波束成形性能。这不仅有助于推动毫米波通信的普及，也为实现更绿色、更可持续的移动通信基础设施指明了新的方向。论文中关于CAV的理论分析和分组策略也为后续RIS集成收发信机的设计与优化奠定了重要的理论基础。