Reconfigurable intelligent surfaces (RISs), also known as intelligent reflecting surfaces (IRSs), or large intelligent surfaces (LISs), ¹ have received significant attention for their potential to enhance the capacity and coverage of wireless networks by smartly reconfiguring the wireless propagation environment. Therefore, RISs are considered a promising technology for the sixth-generation (6G) of communication networks. In this context, we provide a comprehensive overview of the state-of-the-art on RISs, with focus on their operating principles, performance evaluation, beamforming design and resource management, applications of machine learning to RIS-enhanced wireless networks, as well as the integration of RISs with other emerging technologies. We describe the basic principles of RISs both from physics and communications perspectives, based on which we present performance evaluation of multiantenna assisted RIS systems. In addition, we systematically survey existing designs for RIS-enhanced wireless networks encompassing performance analysis, information theory, and performance optimization perspectives. Furthermore, we survey existing research contributions that apply machine learning for tackling challenges in dynamic scenarios, such as random fluctuations of wireless channels and user mobility in RIS-enhanced wireless networks. Last but not least, we identify major issues and research opportunities associated with the integration of RISs and other emerging technologies for applications to next-generation networks. ¹ Without loss of generality, we use the name of RIS in the remainder of this paper. 

This paper investigates a downlink multiple-input single-output intelligent reflecting surface (IRS) aided non-orthogonal multiple access (NOMA) system, where a base station (BS) serves multiple users with the aid of IRSs. Our goal is to maximize the sum rate of all users by jointly optimizing the active beamforming at the BS and the passive beamforming at the IRS, subject to successive interference cancellation decoding rate conditions and IRS reflecting elements constraints. In term of the characteristics of reflection amplitudes and phase shifts, we consider ideal and non-ideal IRS assumptions. To tackle the formulated non-convex problems, we propose efficient algorithms by invoking alternating optimization, which design the active beamforming and passive beamforming alternately. For the ideal IRS scenario, the two subproblems are solved by invoking the successive convex approximation technique. For the non-ideal IRS scenario, constant modulus IRS elements are further divided into continuous phase shifts and discrete phase shifts. To tackle the passive beamforming problem with continuous phase shifts, a novel algorithm is developed by utilizing the sequential rank-one constraint relaxation approach, which is guaranteed to find a locally optimal rank-one solution. Then, a quantization-based scheme is proposed for discrete phase shifts. Finally, numerical results illustrate that: i) the system sum rate can be significantly improved by deploying the IRS with the proposed algorithms; ii) 3-bit phase shifters are capable of achieving almost the same performance as the ideal IRS; iii) the proposed IRS-aided NOMA systems achieve higher system sum rate than the IRS-aided orthogonal multiple access system.

Due to the explosive growth in the number of wireless devices and diverse wireless services, such as virtual/augmented reality and Internet-of-Everything, next generation wireless networks face unprecedented challenges caused by heterogeneous data traffic, massive connectivity, and ultra-high bandwidth efficiency and ultra-low latency requirements. To address these challenges, advanced multiple access schemes are expected to be developed, namely next generation multiple access (NGMA), which are capable of supporting massive numbers of users in a more resource- and complexity-efficient manner than existing multiple access schemes. As the research on NGMA is in a very early stage, in this paper, we explore the evolution of NGMA with a particular focus on non-orthogonal multiple access (NOMA), i.e., the transition from NOMA to NGMA. In particular, we first review the fundamental capacity limits of NOMA, elaborate on the new requirements for NGMA, and discuss several possible candidate techniques. Moreover, given the high compatibility and flexibility of NOMA, we provide an overview of current research efforts on multi-antenna techniques for NOMA, promising future application scenarios of NOMA, and the interplay between NOMA and other emerging physical layer techniques. Furthermore, we discuss advanced mathematical tools for facilitating the design of NOMA communication systems, including conventional optimization approaches and new machine learning techniques. Next, we propose a unified framework for NGMA based on multiple antennas and NOMA, where both downlink and uplink transmissions are considered, thus setting the foundation for this emerging research area. Finally, several practical implementation challenges for NGMA are highlighted as motivation for future work.

The novel concept of simultaneously transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RISs) is investigated, where the incident wireless signal is divided into transmitted and reflected signals passing into both sides of the space surrounding the surface, thus facilitating a full-space manipulation of signal propagation. Based on the introduced basic signal model of `STAR', three practical operating protocols for STAR-RISs are proposed, namely energy splitting (ES), mode switching (MS), and time switching (TS). Moreover, a STAR-RIS aided downlink communication system is considered for both unicast and multicast transmission, where a multi-antenna base station (BS) sends information to two users, i.e., one on each side of the STAR-RIS. A power consumption minimization problem for the joint optimization of the active beamforming at the BS and the passive transmission and reflection beamforming at the STAR-RIS is formulated for each of the proposed operating protocols, subject to communication rate constraints of the users. For ES, the resulting highly-coupled non-convex optimization problem is solved by an iterative algorithm, which exploits the penalty method and successive convex approximation. Then, the proposed penalty-based iterative algorithm is extended to solve the mixed-integer non-convex optimization problem for MS. For TS, the optimization problem is decomposed into two subproblems, which can be consecutively solved using state-of-the-art algorithms and convex optimization techniques. Finally, our numerical results reveal that: 1) the TS and ES operating protocols are generally preferable for unicast and multicast transmission, respectively; and 2) the required power consumption for both scenarios is significantly reduced by employing the proposed STAR-RIS instead of conventional reflecting/transmiting-only RISs.

A novel simultaneously transmitting and reflecting (STAR) system design relying on reconfigurable intelligent surfaces (RISs) is conceived. First, an existing prototype is reviewed and the potential benefits of STAR-RISs are discussed. Then, the key differences between conventional reflecting-only RISs and STAR-RISs are identified from the perspectives of hardware design, physics principles, and communication system design. Furthermore, the basic signal model of STAR-RISs is introduced, and three practical protocols are proposed for their operation, namely energy splitting, mode switching, and time switching. Based on the proposed protocols, a range of promising application scenarios are put forward for integrating STAR-RISs into next-generation wireless networks. By considering the downlink of a typical RIS-aided multiple-input single-output (MISO) system, numerical case studies are provided for revealing the superiority of STAR-RISs over other baselines, when employing the proposed protocols. Finally, several open research problems are discussed.

In this letter, simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) are studied. Compared with the conventional reflecting-only RISs, the coverage of STAR-RISs is extended to 360 degrees via simultaneous transmission and reflection. A general hardware model for STAR-RISs is presented. Then, channel models are proposed for the near-field and the far-field scenarios, based on which the diversity gain of the STAR-RISs is analyzed and compared with that of the conventional RISs. Numerical simulations are provided to verify analytical results and to demonstrate that full diversity order can be achieved on both sides of the STAR-RIS.

The ultimate goal of next generation multiple access (NGMA) is to support massive terminals and facilitate multiple functionalities over the limited radio resources of wireless networks in the most efficient manner possible. However, the random and uncontrollable wireless radio environment is a major obstacle to realizing this NGMA vision. Given the prominent feature of achieving 360{\deg} smart radio environment, simultaneously transmitting and reflecting surfaces (STARS) are emerging as one key enabling technology among the family of reconfigurable intelligent surfaces for NGMA. This paper provides a comprehensive overview of the recent research progress of STARS, focusing on fundamentals, performance analysis, and full-space beamforming design, as well as promising employments of STARS in NGMA. In particular, we first introduce the basics of STARS by elaborating on the foundational principles and operating protocols as well as discussing different STARS categories and prototypes. Moreover, we systematically survey the existing performance analysis and beamforming design for STARS-aided wireless communications in terms of diverse objectives and different mathematical approaches. Given the superiority of STARS, we further discuss advanced STARS applications as well as the attractive interplay between STARS and other emerging techniques to motivate future works for realizing efficient NGMA.

This article revisits integrated sensing and communication (ISAC) systems that operate in the near-field region of large antenna arrays while utilizing large bandwidths. The article first describes the basic characteristics of a wideband sensing and communication (S&C) channel, highlighting the key changes that occur during the transition from the far-field to the near-field region, namely strong angular-delay correlations and non-uniform Doppler frequencies. It is then revealed that the near-field effect can facilitate wideband-like S&C functionality, leading to efficient signal multiplexing and accurate distance sensing, and making large antenna arrays a viable alternative to large bandwidths. In addition, new capabilities for Doppler-domain signal multiplexing and velocity sensing enabled by non-uniform Doppler frequencies, which cannot be achieved by extending the bandwidth alone, are presented. Motivated by these results, several paradigm shifts required to leverage the full potential of near-field wideband ISAC systems are discussed, with particular emphasis on spectrum allocation, antenna array arrangement, transceiver architecture, and waveform design.