本文根据：“UAVs with Reconfigurable Intelligent Surfaces:Applications, Challenges, and Opportunities” 本文链接

I.摘要
- 无源射频技术
- - 系统组成
II.引言
- 无人机的特点
- 无人机的角色
- 无人机辅助的无线通信
- RIS
- 支持RIS的无人机通信
III.RIS辅助无人机通信的应用
- A. RIS辅助的无人机通信扩大了通信覆盖范围
- B. RIS辅助的无人机通信可以增加信道容量
- - 频谱效率与信道容量的关系
  - 有源特性与无源特性
  - 如何提升信道容量
- C.RIS辅助的无人机通信可以实现大规模接入
- D.RIS辅助的无人机通信可实现频谱共享
- E.RIS辅助的无人机通信来提升物理层安全（PLS）
- F.RIS辅助的无人机通信来实现无线信息和功率同时传输
- 总结表
IV.研究挑战和探索方向
- A. 信道建模
- B. 信道估计
- C. RIS控制器和开销
V.新兴技术
- A.机器学习
- B. 毫米波和太赫兹
- C.可见光通信

I.摘要

可重构智能表面(RIS，Reconfigurable Intelligent Surface)是一种可以集成到墙壁中并影响电磁波传播的超材料。这种典型的无源射频(RF，Ratio Frequency)技术正在出现在室内和室外使用，有潜力在日益严峻的无线电环境中提高无线通信的可靠性。本文进一步介绍了移动RIS，特别是无人机(UAV)携带的RIS，以支持未来的蜂窝通信网络和业务。我们详细阐述了几个用例、挑战和未来的研究机会，以低成本和低能源足迹设计和优化无线系统。

无源射频技术

射频技术（RF）是Radio Frequency的缩写。较常见的应用有无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID），常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。其原理为由扫描器发射一特定频率之无线电波能量给接收器，用以驱动接收器电路将内部的代码送出，此时扫描器便接收此代码。

系统组成

标签(Tag): 由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；
阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；
天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。
———摘自《百度百科》

II.引言

无人机的特点

UAVs have unique characteristics, such as higher degrees of freedom regarding positioning and trajectory, low deployment and maintenance costs, and the ability to establish clear lineof-sight (LoS) links with other nodes. Therefore, UA Vs are considered not only as cellular network users, but also as network support nodes for increasing the performance of traditional and new users of mobile networks.

无人机具有定位和轨迹自由度高、部署和维护成本低、能够与其他节点建立清晰的视线(LoS)连接等独特特性。因此，UAV不仅被视为蜂窝网络用户，还被视为提高移动网络传统用户和新用户性能的网络支持节点。

无人机的角色

根据第三代合作伙伴计划(3GPP)，网络化的UAV可以是空中基站(ABS)、空中中继(AR)或空中用户设备(AUE)。
       空中基站：当地面通信基础设施损坏或不可用时，UAV可作为空中基站提供与终端的连接。
       空中中继：空中中继是终端用户和无线接入网(RAN)之间的中间无线接入节点，通过放大和转发(AF)或解码和转发(DF)在基站和终端之间发送和接收数据。
       空中用户设备：空中用户设备是连接到蜂窝网络的UAV，用于实现各种通信业务或命令控制信令。

无人机辅助的无线通信

在一些无人机辅助无线网络通信的应用中，研究人员确定并表明了通信中的吞吐量、容量、安全性和可靠性得到了显著的提升。

RIS

可重构智能面(RIS)是一种新兴技术，能够定义新的无线传输和传播模式，并控制通信信道。RIS是一种包含电子可控和低功耗模拟处理元件的超表面。可实时调整无源反射元件的吸收、反射、折射和相位，从而将入射电磁信号引导到所需方向。反射信号的相位和振幅使有效信道增益最大化。RIS可以部署在不同的位置，并以最小的成本和努力附着在建筑物、车辆和室内墙壁等表面上。另一个优点是它与目前的无线电技术兼容。它在宽频带和频率范围内支持先进的无线波形和全双工和半双工通信，并且有许多RISs设计选项。

支持RIS的无人机通信

III.RIS辅助无人机通信的应用

RISs和UAVs的集成对于多路通信和网络用例是有益的。下面我们将讨论该框架在覆盖范围、大量多路访问，物理层安全和无线信息和功率同时传输这些方面的影响。

A. RIS辅助的无人机通信扩大了通信覆盖范围

UAV作为空中基站和空中用户的解决方案被视为在未来蜂窝网络部署中提供动态和自适应覆盖的关键推动者。但是，这种有源空中通信会产生显著的能量开销。因此，RIS辅助无人机通信成为了被动的选择。
RIS中有一种特殊的表面称为智能全表面（IOS，Intelligent Omini-Surface)。它的两侧都有天线元件，可以反射两侧的入射信号，从而可以覆盖死区，提供大规模360°覆盖和更高的频谱效率。UAV通过在其下方携带IOS，在合适的高度飞行，从而在需要的地方提供反射射频表面。IOS最大的优点是可以通过调整两侧的相移向量来控制从RIS到潜在接收者的出射信号的方向且。通过优化UAV的轨迹和相移向量，出射信号可以到达预期的用户设备位置。如图2所示，UAV携带IOS，部署在基站覆盖范围的边缘，扩大了原始的小区域覆盖。

B. RIS辅助的无人机通信可以增加信道容量

频谱效率与信道容量的关系

信道容量：信道能无错误传送的最大信息率，对于只有一个信源和一个信宿的单用户信道，它是一个数，单位是比特每秒或比特每符号。它代表每秒或每个信道符号能传送的最大信息量。可以通过香农定理来解释：
C=Wlog2(1+SN)C = Wlog_2(1 + \frac{S}{N})C=Wlog2(1+NS)
C代表信道容量，单位是比特每秒（b/s）；
w代表传输信息所需要的带宽，单位是HZ;
S代表的是信号平均功率；
N代表的是噪声平均功率

频谱效率：单位频率单位时间能获得的传输能力。表示为：
CW=log2(1+SN)\frac{C}{W} = log_2(1 + \frac{S}{N})WC=log2(1+NS)

因此，可以看出它们之间的关系：在带宽一定的情况下，频谱效率越高，信道容量越大。

有源特性与无源特性

无源器件的简单定义：如果电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，则这种器件叫做无源器件。从电路性质上看，无源器件有两个基本特点：（1）自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量。
（2）只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。
常见的无源电子器件有：二极管

有源器件的基本定义：如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：
（1）自身也消耗电能。
（2）除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。

如何提升信道容量

在地面基站和终端之间的上行链路和下行链路上配置空中中继，可以提高可达率。可以针对UAV的位置、轨迹、发射功率和方向进行不同的优化。RIS-UAV是提高吞吐量和信道容量的一种替代方法。总的来说，RIS在全双工(FD)模式下工作，这比空中中继常用的半双工(HD)模式提高了频谱效率。其中，RIS具有无源特性，使得其中继策略能够克服任何天线噪声放大和自干扰，这意味着与有源全双工中继相比，计算量更少，功耗更低。通过控制某些RIS原件的相移来逆干扰信号并消除或削弱干扰信号，可以实现干扰消除。此外，RIS可以通过优化天线单元的相移，与UAV一起为几个地面终端引入丰富的LoS链路散射。由于RIS的特性，以及UAV提供的LoS能力，频谱效率将超过目前的解决方案来增加信道容量。
其他应用：可以通过多架无人机并在可用的地方结合静态RIS来实现可扩展性。信道质量好(高信噪比)的LoS链路可以在空中-RIS的辅助下通过结合空间多路复用和/或多用户MIMO(多输入多输出)进一步提高频谱效率。

C.RIS辅助的无人机通信可以实现大规模接入

到2025年，物联网(IoT)设备的数量预计将超过750亿;从而使带宽资源极其稀缺。出现了两种挑战：
(1) 海量的物联网设备需要连接、交互和交换数据
(2) 正在进行的城市化任务需要大量小型物联网设备预计将部署设置在室内和室外，出现了阴影和可靠链接不可用的问题
解决问题1：将RIS技术与UAV的动态集成，通过优化RIS相移向量来最大化系统容量，可以有效地解决大规模接入的挑战。
解决问题2：RIS辅助通信系统引导室内无线信道，以满足不同于普通用户的用户需求。当UAV是RIS通信系统的组成部分时，可以解决室内外虚拟现实(VR)用户将面临三大挑战:海量数据传输带来的能源消耗、临近VR设备的干扰、多链路通信。

D.RIS辅助的无人机通信可实现频谱共享

传统的频谱共享技术通常采用认知无线电，需要高效可靠的频谱感知技术来减少对主用户的干扰。然而，频谱感知是以能源为代价的，在复杂的信道条件下，可靠性可能会严重受损。对于无人机系统来说，能源消耗对于系统长期运行至关重要。而RIS通过对信道矩阵的对角化，可以显著降低设备在同一频段内同时发射时的干扰。这个特性使RIS成为实现频谱共享的独特选择。

在
Joint Power Control and Passive Beamforming in
IRS-Assisted Spectrum Sharing:Q,Q,W;R,Zhang中，如图3，通过相移优化实现信道对角化，提出了一种RISs辅助的频谱共享策略，来提升第二用户的信道容量并同时满足主用户的服务质量。

E.RIS辅助的无人机通信来提升物理层安全（PLS）

UAVs可以提供不同类型的物理层安全支持，通过在空中和地面节点之间建立的主导LoS链路。例如，UAVs可以作为合法用户之间的空中中继，优来化传输功率，降低窃听者的数据速率。除此之外，UAV可以部署作为友好干扰器，向可能的攻击发送强大的人工噪声(AN)，以保护合法用户的隐私和数据。然而，无线威胁和攻击已经被开发出来，即使使用提出的保护技术，也会降低无线网络的性能。
安装在无人机上的RISs可以用来对付智能攻击者。据研究表明，合法用户的保密率随着通信点之间距离的减小而增加。因此，无人机的自由运动模型可以减小发射源与目标用户之间的距离。（我的理解是，原来发送源需要打到目标用户，而现在有了携带RIS的UAV，且UAV可以自由运动，如今发射源只需打到RIS的板子上，距离变少了，保密率提升了）。并且在此基础上，对反射信号进行相移调整，使反射信号与原始信号在合法用户处有建设性地叠加，从而提高信噪比。此外，IRS的一些反射单元可以采用不同的相移来产生具有破坏性的反射信号，以最小化特定位置的接收信噪比，限制被窃听的机会。

F.RIS辅助的无人机通信来实现无线信息和功率同时传输

要实现无线信息和功率同时传输，可以通过使用用于信息解码(ID)或信息收集(EH)的电磁(EM)波来实现数据和功率的传输。
      目前两种广泛应用的SWIPT方案：功率分裂(PS)和时间切换(TS)。功率分裂方案将在功率域中接收的信号分成一部分用于能量收集，另一部分用于信息传输。在不同的时间节中，时间切换方案在能量收集和信息传递之间进行切换。
      由于UAV独特的机动性、易于部署和低成本，UAV技术已被提出用于协助SWIPT，特别是当ID(信息解码)或EH(能量收集)设备分布在恶劣环境或灾区时。其中，1.无人机可以飞到离地面ID或EH设备最近的点，以最大化加权和率(WSR，weighted sum rate )。 2.使用无人机发送ID和EH信号将克服ID或EH设备分布在地面设备间距大的广阔区域时所出现的远近问题。无人机可以作为移动接入点(AP，access points )，缩短地面设备与AP之间的距离。

      此外，RIS辅助无人机SWIPT技术将增强EH和ID的性能，适用于各种分布的地面设备。RIS辅助无人机SWIPT技术的部署将使附加波束形成无源波束与原始EH或ID波束一起，以最大限度地提高加权和率。反射移相器可以通过RIS控制器来设计无源波束形成，以优化EH和ID性能。图5展示了这种场景，部署了RIS辅助无人机，以缩短距离并增强SWIPT的ID和EH性能。RIS辅助无人机SWIPT为优化ID和EH的性能提供了额外的选项。

总结表

下表总结了RIS辅助无人机网络相对于现有和新兴的地面蜂窝网络的主要优势。

标准	地面蜂窝网络	集成空中通信节点	空中RIS辅助的网络
覆盖范围	不同的使能技术提供了5G覆盖扩展，如中继、设备到设备(D2D)、多跳网络等缺点：仍然存在一些挑战，而且随着信道条件的变化，服务质量也会下降。	空中通信节点可以在需要时扩展覆盖范围。缺点：为了覆盖范围更广，需要形成一群无人机，这不仅消耗能源，而且成本高昂。	除了无人机的自由定位和跟踪目标用户设备的能力外，空中RIS还可以通过通过将波束定向到用户设备来增加覆盖范围。除此之外，部分RIS元件可用于对UAV的车载电池充电。
信道容量	设备到设备(D2D)、多种无限制式(multi-RAT)通信和蜂窝密集化(cell-densification)都是增强容量的驱动技术。缺点：这不仅增加了网络部署成本，还增加了操作的复杂性和成本。	5g空中系统利用LoS信道-多输入多输出来开拓信道容量。缺点：这可能会给地面用户和其他空中节点带来严重的飞行员污染。	空中RIS系统利用地面和空中系统的信道容量性能，并促进利用能适当定义元素数量的灵活性来解决飞行员污染等问题。此外，高自由度可以提高光谱效率。
物理层安全	5G利用了信号处理，如预编码，以降低保密中断概率。缺点：在发送端和接收端计算复杂度增加。	5G空中系统通过发射人工噪声(AN)信号为地面用户创建安全区。各种通信技术可以防止或减轻干扰和欺骗。缺点：空中系统有限的能量可能无法维持这些预防计划。	空中RIS通过将功率导向合法用户，提高了无线的安全性。由于采用了无源相移，在能源效率方面可以取得显著的收益。
大量接入	人们提出了不同的海量访问技术，既有正交的，也有非正交的，因此需要复杂的收发器设计。	空中辅助网络可以动态部署在离终端用户更近的地方，为大量设备提供服务。缺点：UAV频谱接入和干扰降低了可扩展性。	一个空中的RIS将信号反射到需要的用户并减轻干扰。通过协调多无人机-RIS系统和静态RIS，可以实现可扩展性。
频谱共享	为了更好地利用频谱，考虑对多个5G频段进行动态频谱共享。缺点：协调和同步、来自移动用户的干扰和MAC协议是频谱共享仍然面临的许多挑战。	空中辅助网络为频谱共享提供了更大的自由度，例如通过策略性UAV定位限制干扰足迹。	在RIS的帮助下，空中RIS系统实现了灵活的频谱共享，允许多个用户共享频谱而不会对彼此造成有害干扰。
无线信息和功率同时传输	SWIPT建议用于采用功率分频或时间切换的地面网络。缺点：由于分布式用户的远近问题，用户公平性很难实现。	无人机和LoS链路的3D移动模式可以解决远近问题。此外，空中节点是提供SWIPT的关键因素，特别是在地面网络受损的地方。缺点：特别是当需要服务的用户分散时，空中节点有限的飞行时间是一个挑战。	空中RIS辅助系统与地面或空中网络的信号一起提供能量收集(EH)和信息解码(ID)波束，以便它可以同时为多个用户服务。在进行以用户为中心的SWIPT任务时，通过使用部分RIS元素对空中节点持续充电的能力将延长飞行时间。

IV.研究挑战和探索方向

A. 信道建模

信道建模需要精确的数据来描述路径损耗，以及阴影、散射和衰落效应等。开发RIS辅助UA V通道的精确模型需要考虑各种因素。这些包括地面和空中距离，RIS制造材料，元素的数量，RIS的几何形状。无人机作为空中节点，具有快速的动态移动模式，其运动和旋转改变了空中阴影，会导致广泛的时空变化。

B. 信道估计

一般情况下，RIS的性能取决于相移向量的优化，相移向量是信道与无线电之间的函数。因此，估计RIS元件与服务无线电之间的信道是必须的，把信道确定下来才能实现最佳波束的形成和无线电信道的控制。
RIS元件的被动性质具有低复杂性和能效，不需要功率放大器和数据转换器。但是，这种被动的性质使得估计信道更加困难。
因此，提出了一种被动RIS配置的变体来处理这个问题。RIS元件可以与几个低功率有源传感器一起使用，这些传感器负责传感和估计无线电信道。当这些有源元素嵌入到RIS中时，就可以用来发送和接收导频信号，以获得准确的信道状态信息(CSI)。

C. RIS控制器和开销

控制器负责提供天线元件的相移矢量。一般情况下，假设所需的相移被转移到RIS控制器的内存中，然而，这种方法要求计算节点和RIS之间有一个完全同步和可靠的控制链路。但是对于RIS-UAV系统，计算节点与RIS之间的控制链路的信道条件将面临随着时间变化的问题，可能会经历衰落和阴影，影响实时上传相移修改的过程。除此之外，RIS中元素的大小和数量可能从几个到几百或更多，这将产生巨大的信号开销。
因此，需要新的解决方案来提供稳定的低延迟控制链路，并在不影响性能的前提下限制控制信令和处理开销。对上述问题的一个可能的解决方案是使用无人机群，提供分布式计算和通信能力，以确保控制链路的可靠性和可用性。

V.新兴技术

即将兴起的6G无线网络将提供一套新技术，以满足未来无线服务和应用的需求。因此，这里讨论了RIS-UAVs与6G网络集成的重要方面。

A.机器学习

智能RIS辅助无人机：通过利用机器学习(ML)和人工智能(AI)来实现。智能RIS辅助无人机将提供自主决策、知识提取和预测，以及接近最优的优化性能。
监督学习：通过有标记数据的训练来完成学习。
无监督学习：通过无标记数据的训练来完成学习。
强化学习：通过实时数据的训练来完成学习。
这个部分介绍了很多ML算法提升RIS辅助无人机通信性能的应用，这里只列举一个：ML算法可用于提高RIS信道估计、频谱效率和平衡不同的折衷。采用有监督的ML算法对历史信息进行训练，进行信道估计。这些信息可以使用传统的方法收集，如导航辅助、盲、半盲和决策定向信道估计技术。这些标记数据可以用来训练监督算法，以实现可靠和准确的瞬时信道条件预测。然而，训练阶段产生的大量数据可以看作是无人机有限的能量和飞行时间的绊脚石。因此，利用深度神经网络(DNNs)或卷积神经网络(CNNs)可以有效地从数据集中提取重要特征，减少计算时间和复杂度。

B. 毫米波和太赫兹

未来6G无线网络的一个独特特点是使用更高的频段，超过100GHz。但是，使用更高的频带会导致严重的衰减和分子吸收的高路径损耗，增加传输信号的阻塞率，影响无线通信服务的可靠性和可用性。
太赫兹通信在短距离LoS设置中显示出巨大的潜力。RIS辅助无人机技术可以与使用太赫兹波段的发射机进行短距离通信。此外，RIS元件可以控制信道条件，为传出链路提供最佳信号路径。

C.可见光通信

可视光通信(VLC)也是一种将用于6G的新兴技术，因为它提供了低部署成本和超高数据速率，并且可以在未经许可的频谱中运行。缺点：覆盖范围有限；在发光二极管发射机和光电探测器接收机之间的每一个微小的移动的信号损失；对LoS的需要。
RIS辅助的UAV技术有助于克服这些缺点，提高VLC的性能。采用特殊组成的RIS，以能够控制入射光束；UAVs的自由迁移模式将使发光二极管和RIS之间的快速和准确的校准，以确保LoS；RIS将调整它的相移向量，以扩大覆盖范围，并根据需要增加数据速率。

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