在主动RIS辅助的环境背散射通信系统中实现总速率最大化

《Results in Engineering》：Sum Rate Maximization in Active RIS-assisted Ambient Backscatter Communication system

本文研究了一种主动可重构智能表面（RIS）辅助的无线环境后散射通信（AmBC）系统，通过联合优化基站波束赋形向量、IoTDs的功率分割系数和RIS的相位偏移，在满足发射功率、RIS功率预算和IoTDs能量采集约束下最大化总速率。问题被分解为三个子问题，并采用迭代算法求解。仿真结果表明，主动RIS可有效提升系统总速率，同时降低能耗，延长IoTDs电池寿命，为绿色通信提供支持。

　　
本论文聚焦于基于主动智能表面（RIS）的环境感知通信（AmBC）系统的性能优化研究。研究背景中提到，物联网设备数量预计将从2025年的20.1亿台激增至2033年的39.6亿台，这对无线通信系统提出了容量、能效和可靠性的更高要求。传统AmBC系统存在信号衰减严重、设备发射功率受限等问题，而引入RIS技术可显著改善通信质量。

在系统模型部分，研究构建了包含基站（BS）、RIS和多个用户设备及IoTDs的立体网络架构。特别值得注意的是，RIS采用主动反射型放大器设计，既能够反射信号又具备信号放大的功能，且相位调整通过光纤闭环反馈实现，这为动态优化提供了物理基础。接收信号模型中，每个IoTDs通过功率分配系数将接收信号分为能量收集和通信两部分，而RIS的相位偏移和放大系数则通过调整信号路径相位和幅度来增强有效信号。

优化策略的核心在于联合求解三个关键参数：基站波束赋形向量、IoTDs的功率分配系数以及RIS的相位偏移。研究采用分阶段迭代算法，将复杂的多变量优化问题分解为三个子问题，通过循环迭代逐步逼近最优解。这种分而治之的策略既降低了计算复杂度，又保证了各参数的协同优化。

在具体实现层面，算法通过动态调整相位偏移（Φ）和功率分配系数（ρ）来优化能量收集与信号传输的平衡。RIS的放大系数（a）和相位参数（θ）被设计为可调节变量，其约束条件包括最大发射功率和系统能耗预算。仿真结果显示，采用主动RIS的系统能够将总速率提升40%-60%，特别是在设备数量较多或信道条件恶劣时优势更为明显。

实验验证部分通过对比不同方案（被动RIS、随机相位RIS、无RIS系统）的性能，直观展示了主动RIS在信号增强方面的优势。当RIS反射元素数量从8个增至40个时，系统总速率提升了约82%，证实了硬件扩展的有效性。特别值得注意的是，在设备数量增至12台时，总速率仍保持23%的增长，体现了算法的鲁棒性。

研究局限性方面，作者承认当前模型未考虑实际部署中的干扰管理和信道状态信息（CSI）的误差问题。后续工作计划针对这些关键挑战展开研究，例如开发干扰抑制算法和自适应信道估计技术。

该研究为物联网环境中的低功耗通信提供了新的技术路径，其成果不仅体现在理论模型上，更为实际部署中的硬件设计和算法优化指明了方向。研究团队通过将通信理论中的波束赋形技术与智能表面反射控制相结合，开创了AmBC系统性能提升的新思路，其提出的迭代优化算法在计算效率方面表现优异，适用于大规模物联网场景的工程实现。

该研究在以下方面具有创新性和应用价值：
1. **能效优化机制**：通过功率分配系数与RIS协同优化，在保证信号质量的前提下，将设备平均功耗降低约35%
2. **动态相位控制**：采用实时相位调整技术，使系统在信道快速变化场景下仍能保持稳定连接
3. **硬件可扩展设计**：通过调整RIS反射单元数量（N）和基站天线数量（M），系统性能呈现线性增长特征
4. **算法通用性**：提出的迭代算法可适配不同规模的物联网网络，在8-128个设备场景下均保持有效

研究验证了在典型城市环境中，当RIS距离基站120米、IoTDs分布半径100米时，系统总速率较传统方案提升47.2%。在设备密度最大的场景（每平方公里部署超过50个IoTDs），主动RIS方案仍能保持比被动方案高32%的速率优势，这为大规模物联网部署提供了可行性依据。

该研究在通信理论层面推动了AmBC与智能表面技术的融合创新，在工程实践层面为智能反射面（RIS）的硬件设计提供了参数优化方案。其提出的功率分配系数动态调整机制，特别适用于电池供电设备在动态负载下的能效管理需求，在智能家居和工业物联网场景中具有直接应用价值。

未来研究方向建议：
- 开发基于数字孪生的RIS参数预配置系统
- 探索非正交频分复用（OFDM）调制方案与RIS的协同优化
- 研究多RIS协作场景下的干扰抑制技术
- 开发面向边缘计算的轻量化RIS硬件原型

本研究为6G通信系统中的环境感知通信提供了关键技术储备，其提出的动态相位调整和联合功率分配机制已被纳入IEEE标准组织（IEEE标准协会）关于智能反射面技术白皮书的修订草案中，成为该领域的重要技术参考。