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潘存华教授2021年12月全职加入东南大学移动通信国家重点实验室，其近几年着力于可重构智能超表面（RIS）中的基础理论和关键技术研究，包括RIS相位设计、RIS信道估计和RIS辅助定位等。在RIS领域，申请多项发明专利，发表IEEE期刊论文50余篇，其中亮点论文1篇，ESI高被引论文6篇，ESI热点论文2篇。2022年3月份有18篇RIS相关IEEE期刊论文为热点下载论文，RIS相关论文的IEEE explore下载量接近10万次，5篇论文被IEEE通信学会列为RIS研究方向中的最佳阅读论文。相关成果已获得国内外同行引用近3000次（谷歌学术），包括30余位国内外院士和130余位IEEE Fellow引用和正面评价。RIS辅助数能同传的工作获2022年度IEEE通信学会伦纳德•亚伯拉罕奖（IEEE JSAC最佳论文奖）。领衔组织多个关于RIS技术的IEEE期刊专刊，包括信号处理领域顶级杂志IEEE JSTSP和车载通信领域权威期刊IEEE VTM。多次在Globecom、SECON等国际会议上组织关于RIS的Workshop专题活动。受邀共同创办IEEE通信学会关于RIS的新技术倡议组织（ETI），负责Workshop和Symposia专题。
潘存华教授研究组侧重于RIS系统中“两低一高”关键核心技术研究，即低计算复杂度传输设计、低信道估计开销和高精度定位。代表性研究成果包括：
1）低计算复杂度传输设计
针对RIS反射系数恒模约束的求解难点，首次采用Complex Circle Manifold（CCM）的方法[1]，该算法的几何解释见图 1。最近的工作[2]比较了现有工作求解RIS反射系数恒模约束下的13种算法（包括半正定松弛算法，梯度下降法，Majorization-Minimization算法等经典求解算法），研究结果证实了所采用的CCM算法计算时间最短，见图 2。13种算法仿真比较的Matlab代码可见https://github.com/wkz20042008/An-Overview-of-Signal-Processing-Techniques-for-RIS-IRS-aided-Wireless-Systems。
图 1 CCM算法的几何解释图
图 2 13种现有RIS相位求解算法性能比较图
针对max-min的非连续效用函数形式，利用log-sum-exp函数将其近似为连续函数，严格证明了该近似函数是关于基站波束成型矢量和RIS相位的双凹（biconcave）函数，再基于此连续函数提出一种基于优化极小化算法的低复杂度算法，推导了目标函数的连续性替代函数（surrogate function）[3]。研究结果表明所提算法与经典二阶锥规划（Second-Order Cone programming，SOCP）算法性能相似，见图 3，但计算时间降低近两个数量级, 见图 4。
图 3 所提算法和SOCP算法迭代收敛性能图
图 4 所提算法和SOCP算法计算时间对比图
2）低信道估计开销方案
在低频应用场景下，基于完全瞬时信道状态信息（CSI）进行RIS反射相位设计的方案（见图 5-(a)）需要大量导频开销，一般与RIS反射元素数目成正比。对于高移动性场景，比如车载通信，设备移动速度快，信道相干时间短，基于完全瞬时CSI的传输机制很难适用。因此，对于高移动性场景，基于双时间尺度CSI的传输方案更加实用，见图 5-(b)。具体地，对于基于双时间尺度CSI的传输方案，基站预编码根据瞬时有效信道（发射机到设备的瞬时CSI和经RIS反射路径的瞬时CSI叠加）设计，RIS相位根据统计CSI（比如角度信息，信道相关信息）设计。该方案导频开销量与传统无RIS场景下的信道估计开销量几乎相同，等于设备数，与反射元素数目无关，大大降低导频开销量。相关代表性研究成果包括[4]-[6]。
图 5 两种不同传输方案示意图
在高频毫米波通信场景下，信道具有稀疏特性，可以利用压缩感知等方法降低导频开销量。因此，基于完全瞬时CSI的传输方案可以用于高频毫米波通信场景中。巧妙地利用RIS辅助毫米波通信系统中的三个特性设计出导频开销量较低的瞬时级联信道估计方案[7]。假设K 为系统中设备个数，L 是基站-RIS链路间的多径个数，J 是RIS-用户链路间的多径个数，分析结果表明该方案所需导频开销量仅为
。
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(a) |
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(b) |
图 6 (a)信道估计协议和帧结构；(b)级联信道估计算法流程图
3）高精度定位
在目前无线定位系统中，基于毫米波技术的定位算法具有极高定位精度性能。然而，高频毫米波信号易被遮挡，会影响定位性能的稳定性。为此，可以将RIS引入当前无线定位系统中，即使直通链路被遮挡，通过RIS技术可以创建辅助传播链路，从而提高定位性能。由于RIS一般用于室内定位，用户到RIS的距离较近，较大概率处于近场范围内，如图 7所示。比如，对于口径50厘米的RIS面板工作在50 GHz频段，该场景下的Fraunhofer距离为83.33米。Fraunhofer距离一般定义为
，其中L为RIS面板孔径，
为无线信号波长。当用户离RIS面板小于Fraunhofer距离时，传统基于平面波的假设不再成立，应采用基于球面波的信道模型，对无线定位算法带来较大挑战。针对该难点，工作[8]基于近场信道模型的二阶Fresnel近似给出了RIS辅助定位近场下联合信道和定位估计的算法。图 8的仿真结果显示所提基于近场信道模型的定位算法比传统基于远场信道（Far-field, FF）模型的定位算法的定位精度更高。
图 7 近场信道模型下RIS辅助定位
图 8 定位误差性能
参考文献列表：
[1]C. Pan et al., “Multicell MIMO Communications Relying on Intelligent Reflecting Surfaces,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 19, no. 8, pp. 5218-5233, Aug. 2020
[2]C. Pan et al., “An Overview of Signal Processing Techniques for RIS/IRS-aided Wireless Systems,” Minor Revision in IEEE JSTSP(Journal of Selected Topics in Signal Processing), https://arxiv.org/abs/2112.05989
[3]G. Zhou, C. Pan et al., “Intelligent Reflecting Surface Aided Multigroup Multicast MISO Communication Systems,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 68, pp. 3236-3251, 2020
[4]K. Zhi, C. Pan, et al., “Power Scaling Law Analysis and Phase Shift Optimization of RIS-Aided Massive MIMO Systems With Statistical CSI,” IEEE Transactions on Communications, vol. 70, no. 5, pp. 3558-3574, May 2022
[5]K. Zhi, C. Pan, et al., “Two-Timescale Design for Reconfigurable Intelligent Surface-Aided Massive MIMO Systems with Imperfect CSI”, major revision in IEEE Transactions on Information Theory,https://arxiv.org/abs/2108.07622
[6]K. Zhi, C. Pan, et al.，“Is RIS-Aided Massive MIMO Promising with ZF Detectors and Imperfect CSI? ” accepted by IEEE Journal on Selected Areas in Communications, April, 2022.https://arxiv.org/abs/2111.01585
[7]G. Zhou, C. Pan, et al. “Channel Estimation for RIS-Aided Multiuser Millimeter-Wave Systems,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 70, pp. 1478-1492, 2022
[8]Y. Pan, C. Pan, et al.“Joint Channel Estimation and Localization in the Near Field of RIS Enabled mmWave/subTHz Communications ”, submitted to IEEE Transactions on Signal Processing
–本文完–
本文由东南大学任红供稿
