摘要
尽管第五代（The 5th Generation，5G）无线网络仍在全球范围内部署，但学术界和工业界都在热情地展望超越5G （Beyond 5G，B5G）的未来，例如旨在满足比5G更严格要求的第六代（The 6th Generation，6G）无线网络。实现超可靠无线通信的根本挑战来自于时变无线信道。此外，无线网络不断增长的能源消耗已成为下一代移动通信系统亟需解决的关键问题之一。针对上述挑战和问题，近几年新提出的低成本、低能耗、高可靠、易部署的可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）能够通过大量无源反射元件巧妙地调整信号反射，来动态地改变无线信道以提高通信性能，已成为6G通信系统的关键候选技术之一。RIS是一种具有可编程电磁特性的人工超表面，通常由大量精心设计的电磁单元排列而成。RIS能够有效地调整入射信号的幅度和相位，实现对无线信道的实时调控，来帮助无线通信系统克服自然无线传播环境中的负面影响，从而显著增强用户端接收到的信号功率。因此，预计新的RIS辅助的混合无线网络将非常有希望在未来实现可持续的容量增长。本论文将RIS技术应用于无小区网络和中继系统中，开展基于RIS的无线通信系统的性能分析和优化研究，主要研究内容包括以下三个方面： 首先，为了有效提高未来无线网络的容量和覆盖范围，本文利用RIS和无小区网络的互补优势，考虑了一个RIS辅助的无小区网络，其中每个由专用RIS辅助的用户可以与多个基站相关联。首先描述了RIS辅助的无小区网络中每个用户的平均信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）。然后通过设计基站-用户关联，提出了一个SINR平衡问题，使所有用户的最小SINR最大化。针对该问题的非凸性和组合性特点，本文提出了两步分式线性化算法进行优化求解，即，通过广义分式规划和重组线性化方法，将嵌套的混合整数线性分式规划（Mixed-Integer Linear Fractional Program， MILFP）转化为可解的混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming，MILP）问题。最后提供了仿真结果，以验证所提出的算法相比于其他基准方案的有效性。 其次，继续考虑RIS辅助的无小区网络，其中每个用户在专用RIS的辅助下可以与一组基站关联以进行相干传输。具体来说，每个RIS通过无源波束形成的方式促进了基站向其关联用户的传输，同时也散射了其他非关联基站传输的信号，从而在网络中产生额外的信号和干扰路径。首先以封闭形式推导每个用户接收机的平均SINR。然后通过联合设计基站发射功率分配和基站-用户关联，提出了一个联合优化问题，使RIS辅助的无小区网络中所有用户的加权sum-SINR最大。针对此非凸问题，本文提出了一种有效的两层迭代算法来解决。仿真结果表明，该方案极大地提高了RIS辅助的无小区网络的性能。 最后，为了利用中继和RIS的优点，在本文中考虑了一个RIS辅助的无线中继系统，在RIS的协助下，解码转发中继（R）将数据从源（S）转发到目的节点（D）。首先本文推导了系统可达速率上界的封闭形式，在均匀的发射功率和噪声条件下，导出了RIS的最优部署形式，为实际设计提供了参考。然后，对于一般的系统设置，通过优化RIS部署，制定了可实现的速率最大化问题。虽然问题是非凸的，但本文提出了一个解决方案来找到最佳的RIS部署，并提供了一些数学和理论见解。研究表明，在RIS辅助的中继系统中，最优策略是将RIS部署在中继附近，而不是像无中继的传统系统那样部署在S或D附近。数值计算结果验证了理论分析的正确性，表明RIS和中继能够相互补充，速率性能较基准方案有显著提高。
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