利用二维正交图案划分多址技术结合可重构智能表面增强阴影衰落抑制

《Sensors》：Enhancing Shadow Fading Mitigation with RIS Using Two-Dimensional Orthogonal Pattern Division Multiple Access

　　

该研究针对可重构智能表面(RIS)在无线系统中缓解阴影衰落时所引入的多径干扰问题，提出采用具备最优跳频图案的二维正交图案划分多址(OPDMA)方案。OPDMA可有效抑制多径传播、多普勒效应及用户间干扰所引发的失真，免去复杂均衡与信道估计需求，从而简化接收机设计并提升系统性能。研究人员基于代数Costas阵列的二维循环移位构造具备理想自相关与互相关特性的最优跳频图案。仿真结果表明，RIS辅助的OPDMA系统在误码率(BER)与系统吞吐量方面均优于现有的一维多址方法，改善了通信质量与系统效率。

研究背景与动机

随着5G向6G演进，超高速率、超低时延及复杂高频环境可靠性成为核心诉求。多径传播与多普勒频移是可靠通信的两类主要干扰源；可重构智能表面(RIS)以无源反射方式调节信号相位幅度，能以低成本扩展覆盖、缓解阴影衰落，但RIS反射会引入区别于自然信道的额外多径，使信道估计与干扰抑制更复杂。传统一维多址（频分FDMA、时分TDMA、码分CDMA及其RIS辅助形式）受限于正交资源分配与波束泄漏，RIS辅助非正交多址(RIS-NOMA)虽提升频谱效率却面临串行干扰消除(SIC)复杂度、误差传播与公平性难题。为此，研究人员将二维OPDMA引入RIS辅助系统，利用最优跳频图案在时频面的理想相关特性自动抑制RIS诱发多径，同时由RIS补强大规模阴影衰落，形成“大规模衰落由RIS抗、小尺度多径与多普勒由OPDMA抗”的协同机制。论文发表于《Sensors》。

主要关键技术方法

研究人员采用三项关键技术：其一，基于有限域本原元的Welch–Costas阵列代数构造，通过二维循环移位生成具备理想自相关与互相关的最优跳频图案，并以跳频间隔归一化的最大多普勒频移与最大多径时延约束保序正交性；其二，RIS端采用2-bit相位量化（4个离散相位态）的无源反射模型，依据跳频时隙频率由传播时延反推相位权重，实现与跳频图案联动的动态反射补偿；其三，在蒙特卡洛仿真框架下，设基站—RIS—用户同几何部署，大尺度对数正态阴影（均值0、标准差8 dB）加瑞利小尺度衰落，RIS辅助等效信道含直视(LOS)与非直视(NLOS)分量及RIS反射求和项，QPSK调制，与RIS-FDMA/TDMA/CDMA/NOMA在同SNR（0–20 dB）区间对比误码率(BER)与有效吞吐量。

研究结果

1. 2.
   可重构智能表面技术概述：给出RIS辅助等效信道增益表达式，含LOS与NLOS分量及N个反射单元幅度相位求和项，明确端到端接收信号模型y(t)=h·s(t)+n(t)；推导RIS第i单元在跳频槽k的相位权重θ_i,k与传播时延τ_i,k关系，并由中心频率f_c+m_kΔf（m_k为Costas序列位置函数）确定跳频频率—相位联动规律；列表比较基站、中继与RIS在功耗、成本、灵活性上的差异，凸显RIS优势。
2. 3.
   Welch–Costas阵列构造：在素阶有限域F_p取本原元g，定义放置函数f(k)=log_g(g^k+a) mod p生成置换矩阵；以p=7为例给出两个具体阵列C₂与C₄，绘出时—频面黑格分布；其自相关除零移峰值n外旁瓣仅0或1，证实理想自相关。
3. 4.
   基于Welch–Costas阵列的最优跳频图案构造：分三步——先按小区数M与每小区用户数l选族数N、每族图案数L满足N≤p-2、L≤p，由最大多普勒f_D,max与最小多普勒间距d_f、最大时延τ_max与最小时延间距d_τ给出保正交约束d_f>f_D,max、d_τ>τ_max/T_hop；再对原阵列首部插空行作垂直循环移位得N个族首图案；最后对各族首图案作水平循环移位得族内剩余图案，整体构成时频二维正交集。
4. 5.
   仿真结果与析：BER方面，在0–20 dB SNR下RIS-OPDMA全程最低，次序为RIS-OPDMA < RIS-NOMA < RIS-CDMA < RIS-FDMA < RIS-TDMA；当f_D,max< />_f时理想互相关维持、BER随SNR陡降，越界则退化。吞吐量方面，各方案随SNR上升趋饱和，RIS-OPDMA全程最高，传统OMA受限于频谱利用率与RIS反射多径，NOMA受功率域用户间干扰拖累。结果验证RIS补大尺度衰落、OPDMA抑小尺度多径—多普勒的协同增益。
5. 6.
   结论：RIS以低成本缓大规模阴影衰落但增小尺度多径；OPDMA凭理想相关跳频图案免复杂均衡估计、压低BER并提吞吐量；二者融合为6G及通感一体化(ISAC)提供“RIS抗阴影+OPDMA抗多径”框架，跳频图案的拇指状模糊函数亦利于感知。研究人员指出未给闭式BER、未建RIS硬件互耦与量化误差损伤模型，留待后续。

讨论与结论翻译浓缩

大规模与小尺度衰落仍是无绳系统难题；增基站或高增益天线抗大尺度衰落成本高，RIS为低成本替代但添多径，传统小尺度抗衰依赖繁复信道估计与均衡。基于理想自/互相关最优跳频图案的OPDMA可抑多径、多普勒与用户间干扰，降BER提吞吐。此类图案亦是6G通感一体化(ISAC)信号基础：感知端获拇指状模糊函数与理想互模糊函数以利高分辨探测与互扰抑制，通信端支撑OPDMA提升可靠度。RIS与OPDMA融合使RIS抗大尺度、OPDMA抗小尺度多径—多普勒—用户间干扰，构筑高效可靠无线与ISAC网络。