面向6G小蜂窝网络的分布式ASTAR-RIS-MIMO新范式优化研究

《IEEE Open Journal of Vehicular Technology》：Optimizing Small Cell Performance: A New MIMO Paradigm With Distributed ASTAR-RISs

本文针对传统可重构智能表面(RIS)在6G小蜂窝网络(ScNs)中存在的信号覆盖范围有限、反射特性固定等挑战，提出了一种新型主动同时透射反射可重构智能表面(ASTAR-RIS)架构。研究人员通过设计分布式ASTAR-RIS单元与多输入多输出(MIMO)技术协同优化，开发了基于连续凸逼近(SCA)的相位偏移算法和双方法ON/OFF控制策略，实现了信号覆盖增强与功耗优化的平衡。仿真结果表明，该方案较传统RIS性能提升超过170%，为高密度网络部署提供了创新解决方案。

　　

随着6G技术时代的来临，无线网络正面临着前所未有的数据传输需求。传统的小蜂窝网络(ScNs)虽然能提升网络容量，却受限于资源分配不均和覆盖范围有限等问题。更棘手的是，常规的可重构智能表面(RIS)仅能在180度范围内被动反射信号，且反射特性固定，难以适应复杂多变的信道环境。尤其在密集部署场景下，信号衰减和干扰管理成为制约性能的关键瓶颈。

为解决这些挑战，由Shakil Ahmed领衔的研究团队在《IEEE Open Journal of Vehicular Technology》上发表了一项突破性研究。他们创新性地提出了主动同时透射反射可重构智能表面(ASTAR-RIS)概念，通过分布式部署ASTAR-RIS单元与多输入多输出(MIMO)技术深度融合，构建了一套动态优化网络性能的新范式。与传统RIS不同，ASTAR-RIS能够主动放大信号，实现360度全向覆盖，并具备动态波束管理能力，显著提升了密集网络环境下的信号质量。

研究团队首先构建了包含宏基站(mBS)、分布式ASTAR-RIS单元和三类用户(透射用户、反射用户、宏用户)的系统模型。通过建立考虑视距(LOS)与非视距(NLOS)分量的莱斯衰落信道模型，准确刻画了信号传播特性。ASTAR-RIS的每个单元n_l可独立控制透射系数β_kt^n_l和反射系数β_kr^n_l，且满足能量守恒定律β_kt^n_l+β_kr^n_l≥2。

关键技术方法包括：1) 基于最大比传输(MRT)的混合波束成形设计，优化模拟波束成形矩阵V和数字波束成形向量w_kt、w_kr；2) 采用连续凸逼近(SCA)方法求解非凸相位偏移优化问题，获得闭式解；3) 引入双方法动态控制ASTAR-RIS的ON/OFF状态，降低空闲能耗；4) 建立包含电路功耗、放大功耗和干扰功耗的多维度功耗模型。

系统性能优化结果

通过交替优化算法联合优化ASTAR-RIS相位偏移矩阵和mBS混合波束成形，系统在保证用户信噪比(SNR)公平性的前提下，显著降低了总功耗。仿真显示，当基站天线数增至8时，ASTAR-RIS方案的SNR达到38dB，较STAR-RIS和传统RIS分别提升25%和170%。

能效与覆盖平衡分析

研究首次量化分析了ASTAR-RIS放大功能带来的额外功耗∑η_l|β_nl|²。通过动态ON/OFF控制，在低业务量时段关闭部分RIS单元，实现功耗降低50%。同时，ASTAR-RIS的主动放大特性有效补偿了传输距离增加导致的信道衰减，在200米通信距离内保持SNR稳定在32dB以上。

多场景适应性验证

在存在邻区干扰的多细胞场景中，该方案通过优化波束方向图，将干扰信号∑_i≠cell|h_ki^Hw_is_i|²抑制在噪声水平以下。即使存在20%的信道状态信息(CSI)误差，系统仍能维持优于传统方案15dB的SNR性能。

k_t changing for various N₁.'>

这项研究的重要意义在于突破了传统RIS的技术局限，通过ASTAR-RIS与MIMO的协同设计，为6G超密集网络提供了可扩展的解决方案。其创新性体现在三个方面：首先，ASTAR-RIS的主动放大特性攻克了信号衰减难题；其次，动态ON/OFF机制实现了能效与性能的有机平衡；最后，所提出的优化算法有效解决了非凸优化问题，具备工程落地潜力。该研究不仅为未来无线网络架构设计提供了新思路，也为太赫兹通信、智能超表面等前沿技术的发展奠定了理论基础。