STAR-RIS輔助的感知定位研究簡述

劉經緯

關鍵詞： 可重構智能表面；STAR-RIS；通感一體化；RIS輔助的定位

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）20-0106-03

0 引言

為了應對即將到來的第六代（6G） 無線通信技術所需要的極高的頻譜和能量效率，研究者們提出了包括但不限于超大規模多輸入輸出（Ultra-massive Multiple-Input， Multiple-Output，MU-MIMO） ，超密集網絡（Ultra-Dense Network， UDN） 和太赫茲（THz） 通信等，但這些技術都要求大量的基站、天線，會導致高能耗與高硬件成本。因此，可以通過在現有無線環境中部署RIS，調整入射到每個RIS元件上的無線信號的相位和幅度，改變無線信號的傳播路徑以滿足特定要求。而通信感知一體化系統（Integrated Sensing And Communication，ISAC） 則可以通過通信網絡組成的傳感器，更好地感知和理解物理世界，而且，感知所提供的高精度的定位、成像等能力可以幫助通信系統提升性能。值得注意的是，當前大部分RIS研究都集中在單一功能RIS，即透射型或反射型RIS上，這種RIS只能實現半空間的無線信道調控，而位于RIS的另一側的無線設備無法受益，甚至可能比傳統無線環境更差。為了解決這個問題，文獻[1]提出了一種新穎的同時透射和反射智能表面的觀點，即STAR-RIS。相比傳統的反射/透射RIS，它可以為通感一體化提供更多覆蓋空間以及更高的自由度，這對實現RIS輔助的通感一體化系統具有重要意義。

1 STAR-RIS 簡介

1.1 基本原理

文獻[1]首次提出STAR-RIS 的概念，STAR-RIS 的每一個陣列單元可以同時對入射信號進行反射和透射，如圖1所示，顯示了STAR-RIS的工作原理。

1.2 工作模式

STAR-RIS的TRCs的改變由控制器控制。為更好地對STAR-RIS進行操作，同時降低硬件復雜度，文獻[2]提出了三種STAR-RIS的工作模式，如圖2所示，分別為：

1） 能量分配（Energy Splitting，ES） ：所有陣列單元可以獨立地同時進行透射和反射；

2） 模式切換（Mode Switch，MS） ：同一個單元在同一時刻只能透射或反射；

3） 時間切換（Time Switching，TS） ：所有的陣列單元在一個時隙內只能透射或反射。

2 研究現狀

由于較低成本與較小隱私危險，利用無線信號進行傳感和定位的服務已經引起了很大的注意[3]。無線傳感和定位的原理是識別由環境動態引起的無線指紋（即無線信道的某些特征）的變化[4]，從而感知物理世界的狀態與變化。

文獻[5]研究了STAR-RIS輔助的同步室內與室外三維定位問題，給出了相應的理論分析和算法設計。作者專注于STAR-RIS支持的同步室內和室外三維定位，并通過Fisher信息分析和Cramér Rao下限（CRLB） 研究基本性能限制。基于依賴原子范數最小化的離線壓縮感知技術設計了一種有效的定位算法，從理論上證明，可以同時為室內和室外用戶實現厘米級的高精度三維定位。

文獻[6]研究了基本限制，即通過Fisher信息分析的Cramér Rao 下限（CRLB） 以及STAR-RIS 在毫米波頻率下的三維 （3D） 定位性能，研究了STAR-RIS透射信號和反射信號之間功率分配的影響以及兩個移動臺之間的功率分配問題。通過最大化對應于STAR- RIS反射和折射矩陣的兩個子空間之間的主角，能夠找到這些同時操作的最優解。當系統參數得到很好的優化時，室內和室外MS 都可以實現高精度3D定位。

除了上述傳感和定位應用外，STAR-RIS還可以在集成傳感和通信（ISAC） 發揮作用，STAR-RIS有望使ISAC受益更多，因為它可以使覆蓋范圍翻倍。此外，ISAC也可能有助于改進STAR-RIS輔助的無線通信。具體來說，通過傳感功能，用戶可以估計一些通信參數（例如到達角或離開角），從而促進CSI獲取，但這在STAR-RIS中是一項具有挑戰性的任務。

文獻[7]提出了一種新穎的STARS傳感結構，其中，專用傳感器安裝在STARS上，以解決傳感的路徑損耗和雜波干擾，推導出傳感目標的二維（2D） 到達方向（DOA） 估計的Cramer-Rao界（CRB） ，然后根據最低通信要求將其最小化，提出了一種將復雜的CRB最小化問題轉化為可跟蹤的修正Fisher信息矩陣（FIM） 優化問題的新方法，研究了STARS的獨立和耦合相移模型：1） 對于獨立相移模型，為了解決ISAC 波形和STARS系數的耦合問題，基于懲罰對偶分解（PDD） 框架的高效雙環迭代算法；2） 對于耦合相移模型，基于PDD框架，提出了一種低復雜度交替優化算法，通過用閉合形式交替優化STARS的幅度和相移系數來解決耦合相移約束。數值結果表明：在通信約束下，STARS 在 CRB 方面明顯優于傳統 RIS；對于低通信要求或足夠的STARS元件，耦合相移模型實現了與獨立模型相當的性能；增加STARS的無源元件數量比傳感器的有源元件效率更高；與傳統的 RIS 相比，STARS使用實用的2D最大似然估計器可以獲得更高的傳感精度。

文獻[8]提出了一種同時透射和反射表面（STARS） 的綜合傳感和通信（ISAC） 框架，其中設計了一種新型的雙向傳感STARS架構，以促進全空間通信和傳感。基于所提出的框架，其提出了一個聯合優化問題，其中，用于估計傳感目標二維到達方向的Cramer-Rao界（CRB） 被最小化，考慮了兩種情況來增強傳感性能。對于兩個用戶的情況，其提出了一種交替優化算法，特別在閉合形式的表達式中獲得了可部署傳感器的最大數量。對于多用戶情況，提出了一種擴展的CRB （ECRB） 度量來表征傳感器數量對傳感性能的影響。基于所提出的度量，提出了一種新的基于懲罰的雙環（PDL） 算法來解決ECRB 最小化問題。為了解決ECRB的耦合問題，提出了一種通用的解耦方法，將其轉換為易于處理的加權線性求和形式。仿真結果表明：考慮傳感器部署，所提出的PDL算法可以實現接近最優的性能；在不違反服務質量要求的通信情況下，減少BS處的接收天線不會降低感測性能；就實現最佳傳感性能而言，最好部署比傳感器更多的無源元件。

本節主要介紹了STAR-RIS 的輔助定位以及STAR-RIS輔助的通感一體化的研究情況，表1總結了相關研究情況。

3開放問題

STAR-RIS在無線通信中展現出巨大潛力，但目前關于STAR-RIS的研究仍然有限，有更多的研究領域有待深入討論。

1）在接收的指紋區別不大的情況下，南于STAR-RIS陣元數日龐大以及硬件限制，獲取完美的信道狀態信息會導致巨大的訓練開銷以及復雜的信號處理。此外，STAR-RIS的信道估計設計依賴于其硬件設計和具體工作模式，并且STAR-RIS的透射和反射系數都需要與導頻序列共同設計。尤其在ES工作模式下，STAR-RIS透射與反射相移相互耦合，這使得信道估計設計更加復雜，所以傳統的RIS的信道估計方法不能直接應用于STAR-RIS。

2）難以有效地優化STAR-RIS的波束形成，因此難以減少傳感和定位誤差。與只關注反射區的用戶／物體的RIS輔助的傳感和定位系統不同，STAR-RIS需要考慮平衡反射區和透射區的性能，因此不能直接應用RIS輔助的傳感和定位系統的方法。

3）STAR-RIS的傳輸和反射特性會導致STAR-RIS和ISAC節點之間的鏈路中的兩個半空間混合回波信號，從而難以識別信號。此外，同波信號的多次跳躍和STAT-RIS的能量分裂會導致傳感信噪比，從而影響傳感精度。