【MATLAB源码-第412期】文章复现-基于MATLAB的可旋转智能反射面RIS的辅助通信系统建模与性能分析

操作环境MATLAB 2024a1、算法描述摘 要随着无线通信系统向高频段、高容量、广覆盖和智能化方向持续演进传统依赖发射端与接收端主动处理能力的链路设计方式已经难以完全满足未来复杂场景下对覆盖增强、链路稳定性和能效优化的多重需求。智能反射面作为构建可编程无线传播环境的重要技术路径近年来在通信领域受到广泛关注。与传统固定部署且工作状态相对静态的反射辅助装置不同可旋转智能反射面在保持无源反射优势的同时引入了额外的几何自由度使系统能够根据用户位置变化动态调整反射面的姿态从而改善级联链路增益提升传播环境的可控性。本文围绕可旋转智能反射面辅助通信系统展开研究建立移动用户场景下的连续时间传播模型分析反射面旋转对基站到用户级联链路的影响机理在此基础上讨论旋转角优化原则与相位协同设计思路并进一步结合频谱效率、时延扩展以及旋转误差鲁棒性三个方面对系统性能进行系统阐述。研究表明相较于无旋转方案和固定角度旋转方案动态旋转策略能够更有效地匹配用户运动过程中的几何关系使级联路径维持较高的有效反射能力从而获得更优的频谱效率表现与此同时动态旋转还可在一定程度上减小时延扩展改善多径传播带来的时域离散化问题即便存在旋转角误差系统整体性能仍然优于不进行旋转控制的传统方案。本文的分析结果说明可旋转智能反射面不仅拓展了智能反射面辅助通信系统的设计维度也为未来高动态场景下的环境自适应通信提供了有价值的工程思路。关键词 智能反射面可旋转RIS动态旋转优化频谱效率时延扩展高动态无线通信一、引言智能反射面技术的提出使无线通信系统从“仅优化发射机和接收机”逐步迈向“同时塑造传播环境”的新阶段。传统无线链路的衰落、多径扩散和覆盖空洞通常被视为外部环境所带来的被动限制而智能反射面的核心价值正在于通过大规模可控反射单元对入射电磁波的相位、幅度乃至传播方向进行重构从而把原本难以控制的环境因素转化为可设计、可利用的系统资源。随着第六代移动通信、车联网、低空通信、高速移动通信等应用场景不断出现智能反射面不仅被赋予覆盖增强和节能传输的任务也被寄予在复杂动态环境中实现链路稳定增强的期望。然而在许多已有研究中反射面往往被假设为静止不动或者默认其单元具有理想化、各向同性的方向特性。这样的建模虽然有助于分析相位控制和波束赋形机制但对实际部署中的几何约束、方向性特征以及用户运动带来的入射角变化考虑不足。在用户不断移动的场景中基站、反射面和用户三者之间的相对几何关系随时间变化反射面的有效受光 面积、反射角匹配程度以及级联链路增益也随之改变。如果仍然采用固定安装姿态或固定旋转角度那么在某些路段或某些位置反射链路能够带来的增益可能明显减弱甚至低于预期。正因如此可旋转智能反射面的概念具有重要意义。它在传统相位调控的基础上增加了反射面姿态控制 这一维度使系统不再仅依赖单元级电磁响应而是从空间几何层面主动适配用户轨迹。对于单用户直线运动场景而言反射面可以围绕某一轴进行角度调整通过动态改变面板法向方向使入射方向与反射方向之间保持更合理的几何关系。这种机制本质上是把传播路径优化从“电磁层面的相位校正”扩展到“几何层面的路径整形”因此具有很强的理论意义和工程价值。围绕这一思路本文重点讨论可旋转智能反射面辅助下的通信系统建模与性能分析问题。全文从系统结构和传播机理出发依次分析旋转角优化原则、相位设计方法、频谱效率提升机制、时延扩展抑制能力以及旋转误差条件下的鲁棒性表现。通过面向论文复现任务的系统化梳理可以更清晰地理解图3、图4和图5背后的物理含义与方法逻辑也有助于为后续基于 MATLAB 的建模仿真提供完整的理论支撑。二、可旋转智能反射面辅助通信系统模型本文研究的对象是一个典型的下行通信场景。系统中包含一个基站、一个移动用户以及部署在基站侧附近的可旋转智能反射面。基站和用户均采用单天线反射面由大量反射单元构成形成规则的平面阵列。在场景设置上用户沿着既定方向进行线性移动反射面则能够围绕某一固定轴进行转动从而使面板朝向随时间变化。与传统静态 RIS 模型相比该系统最关键的区别在于反射面各单元的实际空间位置会因旋转角的改变而发生变化因而基站到反射面、反射面到用户的传播距离以及方向增益也会随时间动态变化。从传播路径看系统同时存在直达链路和级联反射链路。直达链路由基站直接到用户级联链路则由基站到 RIS再由 RIS 到用户。由于移动用户的轨迹已知或可预测因此在连续时间域内可以对用户位置进行描述并进一步推导各时刻直达路径长度、反射路径长度以及不同反射单元对应的传播时延。对于反射链路来说除了距离衰减外还受到反射面方向性带来的增益影响。也就是说RIS 是否以合适的姿态面对基站和用户会直接影响级联链路的有效强度。在理想化分析中通常假设链路以视距传播为主并忽略复杂的小尺度衰落影响。这样做的目的不是否认多径与散射在真实环境中的存在而是为了突出可旋转 RIS 在几何构型优化方面所带来的核心增益。在这样的前提下级联链路的强弱主要由三部分因素决定第一是基站到反射单元以及反射单元到用户的传播距离第二是反射单元相对于入射方向和出射方向的方向增益第三是 RIS 相位控制对各路径叠加关系的调节能力。三者之中旋转控制直接作用于前两项并间接影响第三项的设计效果因此是本文分析的重点。与固定姿态 RIS 相比可旋转 RIS 的特殊性还体现在“时间相关性”上。固定 RIS 的结构参数是静态的而可旋转 RIS 的面板法向量是时间函数因此整个级联信道也成为显式的时变信道。这种时变并不是由快衰落随机引起而是由可控的机械旋转与用户运动共同导致。也正因为如此若能够提前获得用户轨迹或位置信息系统就有可能在用户经过不同位置时及时调整 RIS 姿态实现一种带有预测性质的环境辅助通信。三、旋转角优化原理与相位协同设计思路在可旋转智能反射面系统中最核心的问题是如何确定每个时刻的旋转角使级联链路的增益最大化。直观来看反射面如果能够同时“更好地看到”基站和用户那么其有效反射能力就会增强。由于反射面面对不同方向时的等效接收面积和辐射面积存在明显差异因此姿态角的选取本质上是在寻找一种平衡使入射方向与出射方向在几何意义上更加匹配。对于单用户直线运动场景可以将基站与用户相对 RIS 的方向关系映射为两个主要角度一个反映基站相对于 RIS 的方位另一个反映用户相对于 RIS 的方位。当用户处于起始位置附近时RIS 若朝向基站一侧能够获得较强的入射耦合但随着用户逐渐远离单纯保持对准基站的固定角度并不能保证面向用户一侧依旧具有足够好的反射条件。因此系统需要在两者之间寻找折中。动态旋转策略的基本思想就是使反射面在每个时刻都尽可能兼顾入射和反射两个方向从而让级联链路保持较高有效增益。从优化思想上看这一问题并不只是简单地“把 RIS 转向用户”也不是单纯“始终对准基站”。如果完全偏向某一侧另一侧的方向增益会迅速恶化导致整体反射效率下降。更合理的方式是在基站方向和用户方向之间取一个随时间变化的最优折中姿态。该策略的意义在于它不追求单边链路的局部最优而追求两段级联链路乘积意义下的整体最优。从图3的结果可以看出正是这种动态折中机制使得动态旋转方案在整个用户通过过程中都能维持更优的频谱效率曲线。在确定旋转角后RIS 相位控制仍然不可或缺。因为即使反射面姿态合适不同反射单元对应的传播时延也仍然存在差异。如果不能对这些单元施加适当的相位补偿那么各单元反射信号在接收端叠加时可能出现相消从而削弱总接收功率。因此动态旋转与相位设计实际上是相辅相成的。前者解决的是几何增益与方向匹配问题后者解决的是多单元信号相干叠加问题。只有二者共同作用RIS 所带来的增益才能得到充分释放。进一步看相位设计不仅影响接收功率也与系统的时延特性密切相关。当 RIS 相移能够补偿不同级联路径之间的相对时差时接收端看到的等效延迟扩展将有所减小。这样一来系统不仅在功率维度受益在时域色散控制方面也会得到改善。因此旋转角优化与相位协同设计并不是彼此独立的两个模块而是围绕“级联信道整形”这一共同目标展开的统一方法框架。四、频谱效率性能分析频谱效率是衡量通信系统有效利用频谱资源能力的重要指标也是 RIS 辅助通信中最常用的性能量化手段之一。在可旋转智能反射面系统中频谱效率的提升来源于两个方面一方面动态旋转增强 了级联链路的平均增益提高了接收信号功率另一方面相位协同使各反射单元的信号能够更好地相干叠加进一步提升有效信噪比。两者共同作用最终表现为频谱效率曲线的整体抬升。结合论文中的图3可以发现在无 RIS 条件下系统频谱效率随着用户远离反射区域不断下降这反映出仅靠直达链路时用户位置变化会持续削弱链路质量。加入 RIS 但不进行旋转控制后系统性能有所改善但提升幅度有限且整体曲线仍然较低。这说明固定姿态 RIS 虽然能够提供额外反射路径但由于其法向方向与用户运动过程不匹配实际有效反射能力不能始终保持在较优状态。若将 RIS 固定在某一特定旋转角度例如朝向基站的固定角度系统在初始阶段可能表现较好因为此时入射方向匹配度较高反射链路较强。但随着用户逐渐移动这种固定姿态的局限性会迅速显现RIS 与用户的几何关系恶化反射增益下降导致曲线后段明显下滑。该现象说明固定角度旋转并不能真正适应高动态场景其提升只是局部的、阶段性的。与之相比动态旋转方案的优势体现在全程适配能力上。由于 RIS 能根据用户位置持续调整姿态因此在用户通过整个路径时级联链路能够维持相对稳定而较高的有效增益。对应到频谱效率曲线动态旋转方案不仅明显优于无 RIS 和无旋转 RIS也优于固定角度旋转方案。虽然理想各向同性 RIS 作为理论上限其曲线通常仍略高于动态旋转方案但这种理想模型往往不具备现实可实现性因此动态旋转 RIS 在实际工程意义上已经体现出很强的性能优势。此外图3中解析结果与仿真结果较为接近也表明所建立的连续时间传播模型以及旋转角优化思路具有较好的合理性。对于工程实现而言这一点非常重要因为它意味着系统设计并非仅依赖数值试探而是有明确的理论支撑。换言之可旋转 RIS 的性能提升不是偶然现象而是来源于传播几何、方向性增益和相干叠加三者共同决定的结果。五、时延扩展特性分析如果说频谱效率反映的是系统在功率和容量层面的收益那么时延扩展则更多体现系统在时域上的传播质量。对于 RIS 辅助通信系统而言直达路径与大量反射路径的存在会带来时延离散若这种离散过大则可能加重符号间干扰给接收端均衡、同步与解调带来额外困难。因此评价 RIS 方案时不仅要看其是否提升接收功率还要看其是否恶化或改善传播时延结构。图4展示了不同 RIS 单元规模下无旋转方案与动态旋转方案的时延扩展变化关系。总体来看随着移动距离变化时延扩展会呈现逐步收敛的趋势而在相同单元规模下动态旋转方案对应的时延扩展通常低于无旋转方案。这一结果说明RIS 的动态姿态调整不仅有利于提高方向增益还能够在一定程度上缩小不同反射单元到接收端的有效传播时间差使各路径到达时间更加集中。从机理上看无旋转 RIS 在用户运动过程中其不同单元对应的反射路径长度变化缺乏统一调节因此当用户位置发生改变时部分单元的路径增长速度与其他单元并不一致导致整体时延扩展较大。动态旋转 RIS 则相当于通过改变面板几何构型重新分配了各单元相对基站与用户的空间关系使得不同反射路径的长度差异得到一定补偿。再配合适当的相位设计级联路径在时间域上的离散程度自然会有所减小。另一个值得关注的现象是 RIS 阵列规模的影响。随着单元数增加系统总反射能力增强但路径分布范围也可能增大因此不同规模下的时延扩展曲线并不完全一致。一般而言大规模 RIS 能带来更强的功率增益但如果不进行合理姿态控制其路径差异也可能更加显著。图4所体现出的结果说明动态旋转策略对于不同规模 RIS 都具有改善作用尤其在单元数较大时这种改善更具价值。因为当阵列规模增大后若仍采用静态姿态其几何失配所带来的负面影响也会被放大而动态旋转能够有效缓解这一问题。从工程应用角度看时延扩展的下降意味着系统在实现上更容易与现有调制体制和接收结构兼容。特别是在高速移动、窄波束通信或者高频宽系统中时域扩散的控制往往至关重要。因此动态旋转 RIS 的意义并不局限于“提高接收功率”而是表现为对传播环境多维特性的综合优化。六、旋转误差下的鲁棒性分析在实际系统中RIS 的旋转控制不可能始终达到理论最优角度。机械执行机构存在分辨率限制、响应延迟、控制误差和安装偏差外部环境还可能带来扰动因此研究旋转误差下的系统表现具有现实必要性。图5正是围绕这一问题展开考察在不同误差范围下动态旋转 RIS 的频谱效率变化。从结果看旋转误差会使频谱效率出现下降这是符合直觉的。因为一旦实际旋转角偏离理论最优值RIS 对入射方向和出射方向的匹配程度就会降低级联链路增益随之减弱最终导致接收信号质量下降。而且误差范围越大性能退化越明显。这说明系统对姿态控制精度确实存在一定依赖动态旋转 RIS 并非完全无条件地保证性能提升。但更重要的结论在于即便存在较明显的旋转误差动态旋转方案在多数情况下仍然优于不进行旋转控制的传统方案。这表明动态旋转机制本身具有较好的鲁棒性。换句话说只要系统能够大致跟随用户位置变化进行姿态调节即使控制角存在一定偏差反射面的整体几何适配关系依旧比完全固定不动更合理因此仍能带来可观收益。这一结论对工程实践十分关键。因为在真实部署中设计者并不一定需要追求极高成本的超精密旋转机构只要控制系统能够把误差保持在可接受范围内动态旋转 RIS 就已经能够体现出明显优势。这样的鲁棒性意味着该方案在实际实现上更具可行性也降低了其走向工程应用的门槛。同时旋转误差分析还提示我们未来系统设计可以进一步考虑联合优化问题。例如将用户轨迹预测误差、机械控制误差、相位量化误差以及信道估计误差统一纳入同一框架建立更完整的鲁棒优化模型。这样不仅能更真实地评估系统性能也有助于推动可旋转 RIS 从理论研究走向实用设计。七、结论本文围绕可旋转智能反射面辅助通信系统展开了系统性的分析与阐述。首先从连续时间传播模型出发说明了在移动用户场景中RIS 的旋转会改变反射单元的空间位置、方向性增益以及级联链路的传播结构。其次围绕旋转角优化问题讨论了动态旋转策略通过平衡基站方向与用户方向之间的几何关系来增强级联链路有效增益的基本机制并指出该策略需要与相位协同设计相结合才能充分释放 RIS 多单元相干叠加的优势。在性能层面本文从频谱效率、时延扩展和误差鲁棒性三个维度进行了分析。结果表明动态旋转 RIS 相较于无 RIS、无旋转 RIS 以及固定角度旋转 RIS都能够取得更优的整体性能表现。其优势不仅体现在提高接收信号功率和频谱效率还体现在减小时延扩展、改善传播时域结构方面。进一步地在存在旋转角误差的条件下动态旋转方案虽然会出现一定程度的性能下降但总体上仍优于传统不旋转方案显示出较好的鲁棒性和工程可实施性。总体来看可旋转智能反射面为 RIS 辅助通信系统引入了新的空间控制维度使环境自适应能力从单纯的相位调控扩展到几何姿态调控。这种扩展使系统在高动态场景中具备更强的链路适配能力也为未来面向车联网、低空平台通信、无人系统协同通信以及高速移动场景的智能无线环境构建提供了新的思路。后续研究可进一步从多用户联合优化、非视距传播建模、硬件非理想因素建模、控制时延补偿以及机械旋转与电子调相联合设计等方向展开以推动可旋转智能反射面技术向更深入、更实用的层面发展。参考文献[1] K. Wang, C.-T. Lam and B. K. Ng, “Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Communications Using Dynamic Rotations,” ICCT 2022.2、仿真结果演示3、关键代码展示略4、MATLAB 源码获取V点击下方名片关注公众号获取