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Enabling Smart Radio Environments in the Frequency Domain With Movable Signals

本文提出“可移动信号”，这是一种新颖的频域智能无线电环境方法，通过动态移动信号频谱来克服现有技术的实施挑战，分析结果表明该方法可实现比传统可重构智能表面（RIS）系统高四倍的接收功率。

原作者： Matteo Nerini, Bruno Clerckx

发布于 2026-05-04

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原作者： Matteo Nerini, Bruno Clerckx

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你正试图在一大间嘈杂的房间里向朋友喊话。通常，为了让声音清晰可闻，你可能会尝试靠近对方（空间域），或者以某种特定的方式喊叫，使声音能完美地反射墙壁（电磁域）。

本文提出了一种全新的第三种方法：改变你声音的音高（频域）。

以下是用简单类比对本文观点的拆解：

1. 问题所在：“调谐旋钮”坏了

在现代无线通信中，我们通常试图通过使用一种称为**RIS（可重构智能表面）**的特殊表面来修复糟糕的连接。可以将这些表面想象成智能镜子，它们可以电子方式改变形状，将信号精确地反弹到你想要的位置。

难点：这些“智能镜子”昂贵、复杂，且需要大量电力来驱动其微小的电子部件。这就像试图建造一面能在每毫秒瞬间改变形状的镜子。

2. 新想法：“可移动的信号”

作者建议移动信号本身，而不是试图移动镜子或人。

类比：想象你在弹钢琴。如果你想弹奏一个能与房间声学完美共鸣的特定音符，你不需要重建房间或移动钢琴。你只需要按下不同的琴键。
概念：本文称之为**“可移动信号”**。系统不再让信号停留在单一固定频率（就像单个音符），而是动态地在频率标尺上“滑动”信号，以找到信号传播最强的“甜蜜点”。

3. 场景 A：清晰的视距（LoS）

想象你和朋友站在一片没有障碍物的开阔田野中。

旧方法：为了获得最佳信号，你通常需要复杂的设备来调整信号的相位（如数字波束成形器）。这既笨重又损耗能量。
新方法：本文表明，如果你仅仅改变信号的频率，就能让来自所有天线的波完美对齐，就像士兵正步走一样。
结果：你获得了与复杂设备同样强的信号，但硬件要简单得多。你不需要昂贵的移相器；你只需要一个可以调节频率的发射机。

4. 场景 B：被阻挡的路径（非视距）

现在，想象你和朋友之间有一堵墙。你无法直接喊话；你必须让声音反弹到墙上。

旧解决方案（RIS）：你在墙上使用一面可以电子调整反射方式的“智能镜子”（RIS）。
新解决方案（FIS + 可移动信号）：作者提出使用**“固定智能表面”（FIS）**。
- 什么是 FIS？ 想象它是一面由均匀间隔的简单金属条组成的墙。它无法改变形状或设置。它是“笨”且静态的。
- 工作原理：即使这堵墙是“笨”的，它也有自然的节奏。如果你以完全正确的音高（频率）喊叫，墙壁会自然地将声音完美地反射给你的朋友。
- 神奇之处：通过“移动”信号的频率以匹配墙壁的自然节奏，该系统比昂贵的“智能镜子”表现更好。
重大优势：本文声称，使用带有可移动信号的“笨”墙，比使用带有固定信号的昂贵“智能镜子”能提供四倍的功率。这就像通过调节自行车的齿轮来获得法拉利的性能，而不是购买新引擎。

5. 权衡：“收音机调谐器”

这里有一个难点。要使这种方法生效，你需要一个非常宽的频率范围可供选择。

类比：如果你在弹钢琴，你需要整个键盘来找到完美的音符。如果只允许你按三个键，你可能就找不到完美的声音。
现实：系统需要一个宽的“频率范围”来滑动信号。本文建议，如果你能在大约比起始点宽 1.8 倍的范围内滑动信号，就能获得极佳的效果。

总结

本文认为，与其建造复杂、昂贵且耗电的“智能镜子”来修复无线信号，不如简单地像调节收音机调谐器那样调节射频。

在开阔空间：它用简单的频率调节取代了复杂的电子设备。
在被阻挡的空间：它通过找到完美的反射频率，将一面“笨”的静态墙壁变成了超高效的反射器。
结果：硬件成本大幅降低，功耗减少，而且令人惊讶的是，与当前顶尖技术相比，信号强度最高可达4 倍。

以下是论文《利用可移动信号在频域实现智能无线电环境》的详细技术总结。

1. 问题陈述

智能无线电环境（SREs）旨在通过将信道视为可控变量来增强无线通信。传统上，SREs 通过以下两个域实现：

电磁（EM）域： 利用可重构智能表面（RIS）动态改变表面的反射特性。
空间域： 利用可移动或流体天线物理改变距离并优化路径几何结构。

挑战： RIS 和可移动天线均依赖于电子可调组件（如 PIN 二极管、变容二极管）或机械致动器。这些组件引入了显著的实现挑战，包括高硬件复杂度、功耗、欧姆损耗和控制开销，从而阻碍了商业化进程。

差距： 频域作为 SREs 的第三种赋能者的潜力尚未得到充分探索。虽然频率选择已经存在，但通常局限于窄带。本文提出：我们能否通过在宽范围内动态“移动”信号频率来塑造信道，从而实现 SREs，进而消除对可调硬件的需求？

2. 方法论与 proposed 解决方案

作者提出了一种名为可移动信号（Movable Signals）的新概念，即根据信道实现情况动态优化发射信号的中心频率。为了支持这一概念，他们在非视距（NLoS）场景中引入了固定智能表面（FIS）。

关键概念：

可移动信号： 系统不调整移相器（RIS）或移动天线，而是调整信号频率 $f$ 。这利用了无线信道自然的频率选择性（相对于波长的路径长度差异）。
固定智能表面（FIS）： 在 NLoS 场景中，作者提出使用具有固定反射特性的表面（具体而言，是短路接地的元件，导致固定的反射系数 $\Gamma = -1$ ）。与 RIS 不同，FIS 不需要在线重新配置。
系统模型：
- 视距（LoS）： 带有均匀线性阵列（ULA）的多输入单输出（MISO）系统。
- 非视距（NLoS）： 由 FIS 辅助的单输入单输出（SISO）系统。

优化方法：

核心问题被表述为在保持预编码器或表面反射矩阵固定的同时，通过优化波长 $\lambda$ （或频率 $f$ ）来最大化接收功率 $P_R$ 。

LoS： 预编码器固定为等增益传输（EGT），权重相等（ $w = 1/\sqrt{N}$ ）。频率被调整，使得天线阵列上的相移在接收端同相叠加。
NLoS： FIS 反射矩阵固定为 $\Theta = -I$ （所有元件以 $180^\circ$ 相移反射）。频率被调整，使得反射路径（ $h_R \Theta h_T$ ）和镜面散射路径（ $-h_R h_T$ ）发生相长干涉。

3. 主要贡献

频域 SREs 的提出： 本文定义了一种新范式，其中信号频率是信道塑造的主要控制变量，从而消除了对可重构射频组件的需求。
最优频率的闭式解：
- LoS： 推导了最优频率 $f^*$ 作为接收角 $\theta$ 的函数： $f^*(\theta) = f_A / |\sin(\theta)|$ ，其中 $f_A$ 是对应于天线间距的频率。这实现了理论最大接收功率（ $P_R = P_T N$ ）。
- NLoS： 推导了 FIS 辅助系统的最优频率： $f^*(\theta_R, \theta_T) = f_A / |\sin(\theta_R) + \sin(\theta_T)|$ 。
覆盖分析： 分析了可用频率范围宽度（ $W = f_{max}/f_{min}$ ）与空间覆盖之间的权衡。本文提供了在可用频谱内可实现最优频率的覆盖区域的解析表达式。
与 RIS 的性能比较：
- 证明了带有可移动信号的 FIS 辅助系统可以实现 $4 P_T N^2$ 的接收功率。
- 将其与固定频率的 RIS 辅助系统进行比较，后者实现的功率约为 $P_T N^2$ （具体为 $P_T(N + |h_R h_T|)^2$ ）。
- 结果： 带有 FIS 的可移动信号可以实现比 RIS 辅助系统高达 4 倍 的接收功率。
实际传输协议： 提出了一种三阶段协议（导频传输、功率测量、反馈），用于从离散子信道集合中选择最优频率，而无需显式的信道状态信息（CSI）。

4. 关键结果

LoS 性能：
- 可移动信号实现了与理想等增益传输（EGT）相同的最大接收功率，但硬件复杂度显著降低（无需移相器）。
- 当频率范围宽度 $W$ 足够时（例如 $W=1.8$ ），可移动信号在平均性能上优于量化 EGT（1 比特移相器）。
- 频率和预编码的联合优化产生了最高性能。
NLoS 性能：
- 功率增益： 在渐近区域（ $N \to \infty$ ），FIS 辅助的可移动信号比固定频率的 RIS 辅助系统提供 4 倍 的功率增益。
- 原因： RIS 只能控制反射路径（ $h_R \Theta h_T$ ）的相位，而镜面散射项（ $-h_R h_T$ ）处于未控制状态。可移动信号通过调整频率，使两项均同相叠加。
- 硬件简单性： FIS 不需要可调负载（二极管/变容二极管），与 RIS 相比，大幅降低了成本、损耗和控制开销。
覆盖与带宽：
- 覆盖范围随频率范围宽度 $W$ 的增加而增加。
- 全半空间覆盖（ $C=\pi$ ）需要无限的频率范围，但在实际范围（例如 $W \le 1.8$ ）内可实现显著的覆盖。

5. 意义与影响

硬件效率： 最重要的贡献是消除了电子可调组件。这解决了 RIS 商业化的主要瓶颈（成本、功耗、复杂度）。
新设计范式： 将重点从“重构环境”转移到“使信号适应环境的自然频率响应”。
频谱利用： 该方法提出了一种新的频谱分配策略，即运营商利用碎片化的宽范围频谱块（通过载波聚合），而不是连续块，从而允许灵活的频率跳变以优化信道条件。
未来应用： 本文概述了未来的方向，包括多用户干扰抑制（通过频率正交化信道）、FIS 几何结构的离线优化以及混合多域 SREs（结合电磁、空间和频域）。

总之，本文证明了可移动信号结合固定智能表面提供了一种高效、低复杂度的传统 RIS 和可移动天线的替代方案，能够通过利用频域实现卓越的接收功率增益。