基于可重构智能表面的信道特征调制技术

《Digital Signal Processing》：Reconfigurable Intelligent Surface-Enabled Channel Signature Modulation

RIS-CSM通过分组利用Hadamard矩阵正交相位模式实现无需RIS侧CSI或波束成形的高效频谱编码，推导出误差概率闭式上界，容量分析显示与信道独立性阶数相关的线性编码增益，仿真验证了低谱效率下空间相关性改善性能的特性。

　　随着未来无线网络对频谱效率（SE）和能耗效率（EE）需求的不断提升，研究者们正在探索多种创新技术以满足这些挑战。其中，可重构智能表面（RIS）和索引调制（IM）技术的结合成为了一个备受关注的研究方向。RIS作为一种软件可编程的超材料，能够通过智能调整入射电磁波的特性（如相位和振幅），动态地改变无线传播环境，从而增强接收信号功率，而无需额外的功率消耗。与此同时，IM技术通过将信息比特编码到通信资源的索引中，例如天线、子载波、时隙或扩频码等，实现了在不增加带宽或功率的前提下提升传输效率。因此，将RIS与IM技术相结合，不仅能够充分利用RIS的环境调控能力，还能借助IM的高效信息编码机制，为未来通信系统提供新的解决方案。

在RIS与IM技术的融合中，有两种主要的应用方式：一种是将RIS作为波束成形器或相位对齐器，另一种是将RIS作为信息编码器。前者主要关注如何通过RIS的反射特性优化信号的接收功率，例如在RIS-RSSK（RIS辅助接收空间切换键控）和RIS-RSM（RIS辅助接收空间调制）等方案中，RIS利用信道状态信息（CSI）进行被动波束成形，以增强特定天线的接收信号。然而，这种方法通常需要在RIS端获取CSI，增加了系统复杂度和通信开销。此外，随着RIS规模的扩大，实现超快速控制以动态激活或去激活子表面变得愈发困难，这在实际部署中可能限制其性能。

相比之下，将RIS作为信息编码器的方案更加灵活，且避免了对RIS端CSI的依赖。例如，RIS-GSM（RIS辅助广义空间调制）通过将RIS划分为多个子表面，并根据激活的子表面索引来传输信息，实现了较高的频谱效率。然而，这种方法在实现过程中仍面临一些挑战，例如在高频谱效率配置下，激活的子表面数量较多，导致系统复杂度上升，同时可能引起信号干扰和检测难度增加。此外，对于大型RIS面板，动态控制子表面的激活状态需要较高的计算和硬件资源，这在实际应用中可能带来一定的限制。

基于上述问题，本文提出了一种名为RIS-启用的信道签名调制（RIS-CSM）的新方案。该方案在不依赖RIS端CSI的情况下，通过将RIS元素划分为多个独立的组，并为每组分配一组预定义的二进制反射模式，从而生成不同的信道签名。这些信道签名被用于信息的嵌入，使得信息的传输可以通过简单的信道估计和灵活的频谱效率配置实现。RIS-CSM的核心思想是利用RIS的反射特性来生成不同的信道响应，而非传统的波束成形方式。这种方法不仅降低了系统复杂度，还提升了频谱效率，为未来通信系统提供了一种新的思路。

RIS-CSM的实现依赖于一组预定义的二进制反射模式，这些模式来源于一个高维的Hadamard矩阵。Hadamard矩阵具有正交性，使得不同反射模式之间的干扰可以得到有效抑制。每个RIS组可以选择其中的一个模式进行反射，从而生成独特的信道签名。这些签名可以作为信息传输的索引，而无需复杂的波束成形过程。在接收端，通过最大似然（ML）检测方法，可以对这些信道签名进行解码，从而恢复出原始的信息比特。由于RIS-CSM不依赖于RIS端的CSI，因此在系统设计上更加简洁，同时减少了对信道信息获取的需求，提升了系统的鲁棒性和实用性。

为了进一步验证RIS-CSM的性能，本文对系统的误码率（BER）和容量进行了理论分析。在独立同分布（IID）的瑞利衰落信道模型下，推导出了一种闭合形式的误码率上界，并通过仿真结果验证了该理论分析的准确性。此外，本文还对系统的渐近性能和容量进行了研究，发现RIS-CSM在低信噪比（SNR）环境下能够实现较高的分集增益，而在高SNR环境下则表现出良好的编码增益。这些特性使得RIS-CSM在不同的信道条件下均具有良好的适应性。

值得注意的是，本文还探讨了空间相关性对RIS-CSM性能的影响。在低频谱效率配置下，适度的空间相关性能够提升系统的检测性能和容量，而在高频谱效率配置下，独立同分布的信道模型则表现出更优的性能。这一发现揭示了空间相关性与系统配置之间的复杂关系，也为RIS-CSM在实际部署中的优化提供了理论依据。此外，本文还通过大量仿真验证了这些理论分析，进一步证明了RIS-CSM在不同场景下的有效性。

在RIS-CSM的实现过程中，还特别关注了系统的硬件复杂度和检测复杂度。由于RIS-CSM采用的是简单的二进制相位控制，因此其硬件实现相对容易。同时，接收端的ML检测复杂度可以通过合理选择RIS组数、反射模式数量和接收天线数量进行控制，从而在不同应用场景下实现灵活的频谱效率配置。例如，在一个8×8的RIS系统中，当RIS组数为1、反射模式数量为8、接收天线数量为1时，系统的频谱效率为3 bpcu；而当反射模式数量增加到16时，频谱效率提升至4 bpcu。进一步增加RIS组数至2，反射模式数量保持为8，接收天线数量仍为1时，频谱效率可达到6 bpcu，对应的ML检测次数为64次。这种灵活的配置方式使得RIS-CSM能够适应不同规模的RIS和不同的系统需求，同时保持较低的计算复杂度。

此外，本文还对RIS-CSM与其他相关技术进行了比较分析，包括RIS-MIMO、RIS-GSM和RIS-CIM等。这些方案在不同的设计哲学下进行信息编码，例如RIS-MIMO利用多个天线进行信号传输，而RIS-GSM则通过激活不同的子表面来实现信息编码。然而，这些方案通常需要较高的CSI获取成本或复杂的波束成形机制，导致系统复杂度增加。相比之下，RIS-CSM通过简单的方式实现信息编码，既避免了对RIS端CSI的需求，又降低了系统的硬件复杂度，同时保持了较高的频谱效率。仿真结果表明，RIS-CSM在多种配置下均表现出良好的性能，特别是在低频谱效率和高CSI获取成本的场景下，其优势尤为明显。

本文的创新点在于提出了RIS-CSM这一全新的调制方案，其核心在于利用RIS的反射特性生成不同的信道签名，并通过这些签名的索引来嵌入信息。这种方法不仅简化了系统的实现，还提升了信息传输的效率。RIS-CSM的实现依赖于Hadamard矩阵中的正交反射模式，使得不同组之间的信号干扰可以得到有效控制。此外，该方案在接收端仅需进行简单的信道估计，从而降低了接收端的复杂度。在低SNR环境下，RIS-CSM能够提供较高的分集增益，而在高SNR环境下则表现出良好的编码增益，这种性能的可调节性使其在不同的通信场景中具有广泛的应用前景。

本文的研究结果表明，RIS-CSM在多个方面具有显著优势。首先，它能够在不依赖RIS端CSI的情况下实现高效的频谱利用，这为未来无线通信系统的设计提供了新的思路。其次，该方案通过简单的二进制相位控制实现信息编码，降低了硬件复杂度，同时提升了系统的鲁棒性。再次，RIS-CSM的频谱效率可以通过调整RIS组数、反射模式数量和接收天线数量进行灵活配置，使得系统能够适应不同的应用场景和性能需求。最后，该方案在低频谱效率配置下能够通过空间相关性提升系统性能，而在高频谱效率配置下则能够通过独立同分布的信道模型实现更高的传输效率。

综上所述，RIS-CSM作为一种新型的RIS辅助调制方案，具有较高的频谱效率、较低的硬件复杂度和良好的检测性能。它不仅能够有效解决传统RIS辅助调制方案中存在的CSI获取成本高、波束成形复杂等问题，还能够通过灵活的配置方式适应不同的通信需求。未来的研究可以进一步探索RIS-CSM在不同信道模型下的性能表现，以及如何通过优化反射模式和接收端的检测算法来提升系统的整体效率。此外，随着RIS技术的不断发展，RIS-CSM的应用范围有望进一步扩大，为未来的无线通信系统提供更加高效的解决方案。