多层反射智能表面在高效单光束自由空间光通信系统中的建模与优化研究

为解决自由空间光通信(FSO)系统因严格视距要求和光束发散导致的信号衰减问题，研究人员通过多层反射智能表面(RIS)的被动光学方法优化单光束FSO性能。研究表明，RIS可将接收功率从-80 dBm提升至-50 dBm，信噪比(SNR)从6 dB增至16 dB，误码率(BER)从10-2降至10-5，功率效率提升44.64%，为长距离热带部署提供了高效解决方案。

　　

自由空间光通信（FSO）技术因其光纤级传输速率和无需物理布线的优势，成为卫星-地面链路和乡村网络回传的理想选择。然而，窄光束对机械振动和长距离发散的高度敏感性，导致传统FSO系统在10公里传输中误码率可达10^-2，功率损失超过10 dB。更棘手的是，热带气候下的环境扰动会进一步加剧信号衰减。如何在不增加系统复杂度的前提下提升光束稳定性，成为制约FSO技术规模化应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，来自Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University（IMSIU）的研究团队创新性地提出采用多层反射智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）的被动光学方案。通过硅-玻璃-聚合物复合结构实现光束重定向，该研究在MATLAB R2023b中建立包含高斯光束传播和菲涅尔反射的数学模型，首次证明被动RIS可使10公里链路的接收功率提升30 dB，达到与主动系统相当的10^-5误码率水平。这项发表于《Journal of Proteomics》的研究，为构建节能型光无线基础设施提供了新范式。

研究采用三大核心技术方法：1）基于传输矩阵法（Transfer Matrix Method, TMM）的多层RIS光学建模；2）λ/2单元间距与π/4相位偏移的波前控制；3）1550 nm波长下硅（ε_r=4.5）、玻璃（ε_r=2.25）等材料的反射特性仿真。通过对比有无RIS的50 mm×50 mm面板在10 km传输中的表现，量化评估接收功率、SNR和BER等核心指标。

3.1 材料介电常数影响
当相对介电常数ε_r从2.25增至4.5时，反射系数由0.67降至0.56。低ε_r聚合物外层使系统功率效率达44.64%，验证了材料选择对反射增强的决定性作用。

3.2 相位一致性效应
λ/2间距下π/4均匀相移使BER改善三个数量级，波前相干性分析表明，相位对齐可抵消长距离传播导致的波前畸变。

3.3 10公里链路验证
RIS辅助系统将SNR从6 dB提升至16 dB，在5 mm偏移容忍度下保持0.9 W稳定接收功率，其性能超越需无人机中继的混合FSO/RF系统。

4.讨论与意义
该研究突破性地证明：被动多层RIS通过①低ε_r材料界面反射优化、②亚波长级相位控制、③多物理场耦合设计，可实现与主动系统相当的44.64%功率效率。相比传统自适应光学，该方案无需机械校准且能耗降低80%，特别适合马来西亚等热带地区的长距部署。未来结合动态可重构RIS与密集波分复用（DWDM）技术，有望进一步突破现有FSO系统的容量极限。