STAR-RIS辅助的感知定位研究简述

刘经纬

关键词： 可重构智能表面；STAR-RIS；通感一体化；RIS辅助的定位

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）20-0106-03

0 引言

为了应对即将到来的第六代（6G） 无线通信技术所需要的极高的频谱和能量效率，研究者们提出了包括但不限于超大规模多输入输出（Ultra-massive Multiple-Input， Multiple-Output，MU-MIMO） ，超密集网络（Ultra-Dense Network， UDN） 和太赫兹（THz） 通信等，但这些技术都要求大量的基站、天线，会导致高能耗与高硬件成本。因此，可以通过在现有无线环境中部署RIS，调整入射到每个RIS元件上的无线信号的相位和幅度，改变无线信号的传播路径以满足特定要求。而通信感知一体化系统（Integrated Sensing And Communication，ISAC） 则可以通过通信网络组成的传感器，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、成像等能力可以帮助通信系统提升性能。值得注意的是，当前大部分RIS研究都集中在单一功能RIS，即透射型或反射型RIS上，这种RIS只能实现半空间的无线信道调控，而位于RIS的另一侧的无线设备无法受益，甚至可能比传统无线环境更差。为了解决这个问题，文献[1]提出了一种新颖的同时透射和反射智能表面的观点，即STAR-RIS。相比传统的反射/透射RIS，它可以为通感一体化提供更多覆盖空间以及更高的自由度，这对实现RIS辅助的通感一体化系统具有重要意义。

1 STAR-RIS 简介

1.1 基本原理

文献[1]首次提出STAR-RIS 的概念，STAR-RIS 的每一個阵列单元可以同时对入射信号进行反射和透射，如图1所示，显示了STAR-RIS的工作原理。

1.2 工作模式

STAR-RIS的TRCs的改变由控制器控制。为更好地对STAR-RIS进行操作，同时降低硬件复杂度，文献[2]提出了三种STAR-RIS的工作模式，如图2所示，分别为：

1） 能量分配（Energy Splitting，ES） ：所有阵列单元可以独立地同时进行透射和反射；

2） 模式切换（Mode Switch，MS） ：同一个单元在同一时刻只能透射或反射；

3） 时间切换（Time Switching，TS） ：所有的阵列单元在一个时隙内只能透射或反射。

2 研究现状

由于较低成本与较小隐私危险，利用无线信号进行传感和定位的服务已经引起了很大的注意[3]。无线传感和定位的原理是识别由环境动态引起的无线指纹（即无线信道的某些特征）的变化[4]，从而感知物理世界的状态与变化。

文献[5]研究了STAR-RIS辅助的同步室内与室外三维定位问题，给出了相应的理论分析和算法设计。作者专注于STAR-RIS支持的同步室内和室外三维定位，并通过Fisher信息分析和Cramér Rao下限（CRLB） 研究基本性能限制。基于依赖原子范数最小化的离线压缩感知技术设计了一种有效的定位算法，从理论上证明，可以同时为室内和室外用户实现厘米级的高精度三维定位。

文献[6]研究了基本限制，即通过Fisher信息分析的Cramér Rao 下限（CRLB） 以及STAR-RIS 在毫米波频率下的三维 （3D） 定位性能，研究了STAR-RIS透射信号和反射信号之间功率分配的影响以及两个移动台之间的功率分配问题。通过最大化对应于STAR- RIS反射和折射矩阵的两个子空间之间的主角，能够找到这些同时操作的最优解。当系统参数得到很好的优化时，室内和室外MS 都可以实现高精度3D定位。

除了上述传感和定位应用外，STAR-RIS还可以在集成传感和通信（ISAC） 发挥作用，STAR-RIS有望使ISAC受益更多，因为它可以使覆盖范围翻倍。此外，ISAC也可能有助于改进STAR-RIS辅助的无线通信。具体来说，通过传感功能，用户可以估计一些通信参数（例如到达角或离开角），从而促进CSI获取，但这在STAR-RIS中是一项具有挑战性的任务。

文献[7]提出了一种新颖的STARS传感结构，其中，专用传感器安装在STARS上，以解决传感的路径损耗和杂波干扰，推导出传感目标的二维（2D） 到达方向（DOA） 估计的Cramer-Rao界（CRB） ，然后根据最低通信要求将其最小化，提出了一种将复杂的CRB最小化问题转化为可跟踪的修正Fisher信息矩阵（FIM） 优化问题的新方法，研究了STARS的独立和耦合相移模型：1） 对于独立相移模型，为了解决ISAC 波形和STARS系数的耦合问题，基于惩罚对偶分解（PDD） 框架的高效双环迭代算法；2） 对于耦合相移模型，基于PDD框架，提出了一种低复杂度交替优化算法，通过用闭合形式交替优化STARS的幅度和相移系数来解决耦合相移约束。数值结果表明：在通信约束下，STARS 在 CRB 方面明显优于传统 RIS；对于低通信要求或足够的STARS元件，耦合相移模型实现了与独立模型相当的性能；增加STARS的无源元件数量比传感器的有源元件效率更高；与传统的 RIS 相比，STARS使用实用的2D最大似然估计器可以获得更高的传感精度。

文献[8]提出了一种同时透射和反射表面（STARS） 的综合传感和通信（ISAC） 框架，其中设计了一种新型的双向传感STARS架构，以促进全空间通信和传感。基于所提出的框架，其提出了一个联合优化问题，其中，用于估计传感目标二维到达方向的Cramer-Rao界（CRB） 被最小化，考虑了两种情况来增强传感性能。对于两个用户的情况，其提出了一种交替优化算法，特别在闭合形式的表达式中获得了可部署传感器的最大数量。对于多用户情况，提出了一种扩展的CRB （ECRB） 度量来表征传感器数量对传感性能的影响。基于所提出的度量，提出了一种新的基于惩罚的双环（PDL） 算法来解决ECRB 最小化问题。为了解决ECRB的耦合问题，提出了一种通用的解耦方法，将其转换为易于处理的加权线性求和形式。仿真结果表明：考虑传感器部署，所提出的PDL算法可以实现接近最优的性能；在不违反服务质量要求的通信情况下，减少BS处的接收天线不会降低感测性能；就实现最佳传感性能而言，最好部署比传感器更多的无源元件。

本节主要介绍了STAR-RIS 的辅助定位以及STAR-RIS辅助的通感一体化的研究情况，表1总结了相关研究情况。

3开放问题

STAR-RIS在无线通信中展现出巨大潜力，但目前关于STAR-RIS的研究仍然有限，有更多的研究领域有待深入讨论。

1）在接收的指纹区别不大的情况下，南于STAR-RIS阵元数日庞大以及硬件限制，获取完美的信道状态信息会导致巨大的训练开销以及复杂的信号处理。此外，STAR-RIS的信道估计设计依赖于其硬件设计和具体工作模式，并且STAR-RIS的透射和反射系数都需要与导频序列共同设计。尤其在ES工作模式下，STAR-RIS透射与反射相移相互耦合，这使得信道估计设计更加复杂，所以传统的RIS的信道估计方法不能直接应用于STAR-RIS。

2）难以有效地优化STAR-RIS的波束形成，因此难以减少传感和定位误差。与只关注反射区的用户／物体的RIS辅助的传感和定位系统不同，STAR-RIS需要考虑平衡反射区和透射区的性能，因此不能直接应用RIS辅助的传感和定位系统的方法。

3）STAR-RIS的传输和反射特性会导致STAR-RIS和ISAC节点之间的链路中的两个半空间混合回波信号，从而难以识别信号。此外，同波信号的多次跳跃和STAT-RIS的能量分裂会导致传感信噪比，从而影响传感精度。