Star-RIS与便利的360°智能无线电环境 从硬件模型到信道模型的无线电工程技术

引言

随着6G移动通信愿景的提出，智能无线电环境（Smart Radio Environment, SRE）成为突破传统无线传播限制的关键技术方向。可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）通过大量低成本无源元件主动调控电磁波传播路径，其中同时透射与反射可重构智能表面（Simultaneously Transmitting and Reflecting RIS, Star-RIS）因其能够实现360°全空间覆盖而备受关注。本文从无线电工程技术角度出发，系统阐述Star-RIS的硬件模型与信道模型，为建设便利的360°智能无线电环境提供理论基础与工程指导。

一、Star-RIS硬件模型

1.1 基本架构与工作原理

Star-RIS由周期性排列的超材料单元构成，每个单元可同时支持透射和反射两种工作模式。与传统反射型RIS仅能覆盖半空间不同，Star-RIS的每个单元包含透射组件和反射组件，通过PIN二极管或变容二极管等可调元件独立控制透射系数和反射系数，从而实现对入射信号的幅度与相位联合调控。其硬件架构主要包括：介质基板、金属贴片阵列、偏置网络和控制电路。

1.2 透射-反射联合调控模型

设Star-RIS包含 \(N\) 个单元，第 \(n\) 个单元的入射信号为 \(x_n\)，则透射信号和反射信号可表示为：

\[
yn^{t} = \betan^{t} e^{j\thetan^{t}} xn ,\quad yn^{r} = \betan^{r} e^{j\thetan^{r}} xn
\]

其中 \(\betan^{t}, \betan^{r} \in [0,1]\) 分别为透射和反射幅度系数，\(\thetan^{t}, \thetan^{r} \in [0,2\pi)\) 为相应相位。根据能量守恒约束，有 \(\betan^{t2} + \betan^{r2} \le 1\)。工程实现中常采用三种工作模式：

• 耦合模式：同時透射与反射，能量分配可调；
• 透射模式：\(\betan^{t}=1, \betan^{r}=0\)；
• 反射模式：\(\betan^{t}=0, \betan^{r}=1\)。

1.3 硬件损伤与工程约束

实际Star-RIS硬件面临幅度-相位耦合、量化误差、互耦效应等非理想因素。工程设计中需考虑：相位分辨率（通常1~3比特）、幅度离散化、控制电路功耗以及大规模阵列的同步控制问题。透射与反射单元间的电磁耦合需通过单元间距与基板材料优化加以抑制。

二、Star-RIS信道模型

2.1 系统传输模型

考虑一个典型Star-RIS辅助通信系统：基站（BS）、Star-RIS和用户（UE）分别位于透射区和反射区。Star-RIS位于BS与用户之间，将空间划分为透射区（t）和反射区（r）。接收信号通用模型为：

\[
\mathbf{y}^{s} = \left( \mathbf{H}{RU}^{s} \boldsymbol{\Theta}^{s} \mathbf{H}{BR} + \mathbf{H}_{BU}^{s} \right) \mathbf{x} + \mathbf{n}^{s}, \quad s \in \{t, r\}
\]

其中 \(\mathbf{H}{BR}\) 为BS到Star-RIS的信道，\(\mathbf{H}{RU}^{s}\) 为Star-RIS到第 \(s\) 区用户的信道，\(\mathbf{H}{BU}^{s}\) 为直接链路，\(\boldsymbol{\Theta}^{s} = \mathrm{diag}(\beta1^{s} e^{j\theta1^{s}},\dots,\betaN^{s} e^{j\theta_N^{s}})\) 为Star-RIS调控矩阵，\(\mathbf{n}^{s}\) 为噪声。

2.2 信道建模方法

适用于Star-RIS的物理信道模型包括：

1. Saleh-Valenzuela几何信道模型：适用于毫米波/太赫兹频段，将多径分量分为若干簇，每个簇内包含多条射线。直达径与Star-RIS反射/透射径的联合建模为：

\[
\mathbf{H} = \sum{l=1}^{L} \alphal \mathbf{a}r(\phil^r,\thetal^r) \mathbf{a}t^{H}(\phil^t,\thetal^t)
\]

其中 \(\alphal\) 为复增益，\(\mathbf{a}r, \mathbf{a}_t\) 为收发阵列导向矢量。对于Star-RIS，需针对透射与反射分别构建阵列响应与传播相位。

1. 近场/远场信道模型：大规模Star-RIS尺寸较大时，用户可能处于近场区，需采用球面波前模型替代平面波假设。近场信道中，不同单元到用户的距离差异不可忽略，应引入距离相关相位项。

1. 互耦与空间相关模型：密集排布单元间存在电磁互耦，可采用耦合矩阵对理想导向矢量进行修正，以保证信道模型与硬件实测的一致性。

2.3 信道估计挑战

Star-RIS的透射与反射双链路使导频开销和信道状态信息获取复杂度显著增加。工程中可采用：基于压缩感知的稀疏信道估计、分段导频协议（先估计BS-RIS信道，再估计RIS-用户信道）、以及利用透射-反射联合稀疏性的双阶段估计方法。

三、Star-RIS辅助的360°智能无线电环境

3.1 360°覆盖机制

Star-RIS部署于室内墙面或建筑外立面时，可将基站信号同时透射至室内、反射至室外，实现全空间无缝覆盖。图1（示意）中， Star-RIS位于交界处将入射信号一分为二：透射波束服务于透射区用户，反射波束服务于反射区用户，配合波束赋形可同时满足多用户、多方向覆盖需求。

3.2 工程部署与干扰协调

部署时应考虑Star-RIS的位置选择（如建筑物拐角、室内隔断），以最大化透射与反射联合覆盖增益。由于透射与反射共享入射能量，需联合优化\(\boldsymbol{\Theta}^{t}\)和\(\boldsymbol{\Theta}^{r}\)，解决和速率最大化、能量效率、以及��用户干扰抑制等工程问题。常用算法包括交替优化、半定松弛和深度学习辅助优化。

##

Star-RIS通过透射-反射联合调控为构建360°智能无线电环境提供了关键硬件基础上新的自由度。从工程角度，需兼顾硬件模型的离散化与损伤约束与信道模型的精度、复杂度之间的权衡。建立在真实近场、互耦和非理想硬件条件下的联合信道建模与优化算法，将是推动Star-RIS从理论仿真走向实际部署的核心挑战，也是构建便利全向智能无线电环境的必由之路。