面向6G的可重构智能表面部署与应用思考

李南希，朱剑驰，郭婧，陈鹏

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

伴随着通信系统的更替与发展，每一代通信系统都会孕育出具有时代特色的新型业务。十几年前，当移动用户欢喜于数兆比特每秒的上网速度时，可能难以想象现今遍地开花的户外直播以及随处可以享受到的高清观影体验。然而，回顾历代通信系统的发展，似乎都以更高的用户速率作为系统演进的主要驱动力，从3G时代的几Mbit/s，到4G时代的1 Gbit/s，再到5G时代的20 Gbit/s，移动通信系统可提供的数据速率已经逐渐超前于业务需求。从目前来看，业界还没有找到与5G大容量相匹配的杀手级应用，老生常谈的8K高清视频、增强现实/虚拟现实都难以给用户耳目一新的触动感。移动通信系统在迈向下一个台阶时，应该向何处迈步，成为了业界需要首先思考的重要问题。

在5G商用部署有序开展同时，全球各个国家相继开展了6G的研究工作。2019年3月，在芬兰举办的全球首届6G峰会上，来自全球29个国家的通信专家共同讨论并拟订了6G白皮书《6G泛在无线智能的关键驱动因素与研究挑战》[1]。紧随其后，业界围绕6G愿景、需求以及候选技术陆续发布6G相关白皮书，展开对6G时代的美好畅想[2-4]。虽然6G的雏形尚未形成，但从这些白皮书所描述的蓝图中，可以大致总结出业界对6G时代的愿景：构建全维度覆盖的泛在智联数字世界。根据这一愿景，首先要解决的是网络全维度覆盖问题。5G时代，解决大容量、广覆盖的代价是高额系统功耗带来的庞大电费支出。据业界估计5G网络的电费支出将为4G网络的3～4倍左右，这将会为运营商的网络运营带来沉重的负担。因此，在向6G网络演进的过程中，如何解决低成本、低功耗的系统覆盖及容量问题至关重要。

近年来，业界专家将目光聚焦在可重构智能表面（RIS, Reconfigurable Intelligent Surface）这一新兴技术。一方面，RIS与传统无线通信设备相比，具有低功耗、低成本、低实现复杂度等优势，这恰好切合了6G网络建设的痛点问题；另一方面，RIS为突破传统无线信道的不确定性和不可控性提供了可能，同时也为无线信号的传输增加了全新的自由度[5-9]。

本文将以RIS的部署与应用为着眼点，结合RIS的潜在应用场景，具体分析RIS在部署与应用时所面临的问题以及挑战，揭示RIS技术在面向6G部署时需要着重关注的痛点问题。

1 RIS技术概述

RIS一般由大量的近无源电磁器件构成，每个电磁器件都可以对入射电磁波的相位进行控制。经由RIS反射或透射后，由于波的干涉作用，电磁波在不同的空间方向上的强弱叠加状态会有所区别：在某些方向由于干涉相消，导致电磁信号能量的衰减；在某些方向由于干涉相长，导致电磁信号能量的增强。利用RIS的这种特性，可以根据电磁波的入射方向，有针对性地对电磁器件参数进行人为的调整，从而形成期望的电磁波图样，实现控制电磁波传输方向的目的。以RIS作为反射表面为例，其结构及反射波图样示意图如图1所示：

图1 RIS及反射波图样示意图

从技术原理上来看，RIS技术与波束赋型技术有很多相似的地方，它们都是利用波的干涉原理，通过对信号的相位（以及幅度）进行调整以形成期望的波束图样，从而提升无线信号传输的性能。RIS与波束赋形的不同在于：RIS只能在模拟域对无线信号进行调整，而波束赋形即包含了模拟域的处理，同时也包含了数字域的处理。虽然RIS不如波束赋形技术灵活，但它的成本和实现复杂度更低。

从部署的角度来看，RIS与中继类似，它们都可以作为基站和用户之间的中间节点。RIS与中继的不同在于：RIS一般不包含射频链路，也即RIS无法对信号进行解码转发或放大转发。但也得益于此，RIS不会引入额外的热噪声。另外，由于RIS的轻量特性，使其可以很容易地被嵌入移动通信网络中（比如外墙表面、路边设施等），这使得RIS的部署更加灵活。

2 RIS潜在应用场景

目前，业界和学术界关于RIS的研究主要聚焦在两个方面[5]，一是将RIS作为新型无线发射机，直接参与信号的调制和传输；二是将RIS作为无线传输的中继节点，以反射面的形式改善无线信号的传输性能。

对于基于RIS的新型无线发射机，虽然学术界已有一些理论研究成果[10-11]，但其与现有发射机相比，在硬件器件和结构上都有较大差异。考虑到产品发展的延续性，这种新型无线发射机可能不会作为6G的主流产品出现。另外，现有的大规模MIMO系统的基站产品形态已相对稳定和成熟，产业化进程处于良性态势，RIS很难打破现有产品的市场环境，异军突起。从性能角度来看，由于RIS一般不包含射频链路器件，系统的数据流数可能难以与现有MIMO系统匹敌，再加上基于RIS的高阶信号调制方法也处于研究阶段，所以RIS系统的容量可能很难在短期内达到现有MIMO系统的水平。结合上述分析来看，基于RIS的新型无线发射机可能不会成为6G时代RIS的主流应用方式，因此本节主要考虑将RIS作为无线传输中继节点的应用方式，并分析其潜在的应用场景与部署方式。

2.1 室外场景

随着低频段频谱资源的耗尽，6G系统需要向更高频段开拓可用的频谱资源。然而，高频系统在无线信号覆盖方面存在天然的短板，高频信号的传输更容易受到物体遮挡而导致无线链路的中断。如何解决无线网络的覆盖问题，一直是运营商所关注的重点。RIS凭借其轻量、灵活、低成本等天然优势，很有可能会在6G网络的室外覆盖场景中发挥重要的作用。目前来看，RIS在室外场景的潜在应用包括：

（1）建立视距环境

行人、车辆的移动，甚至由于植被以及树叶的生长，都有可能对高频信号的传输产生遮挡，导致传输中断。虽然3GPP NR标准中为高频频段专门制定了波束管理流程，其中就包含了针对路径遮挡问题的波束恢复策略，但这无法从根本上解决遮挡问题。RIS技术的出现，为这一问题的有效解决带来了转机。通过在建筑外墙的合适位置部署RIS，可以人为地营造出基站到RIS、RIS到用户的双视距（LoS, Line of Sight）传播环境，提升无线链路的鲁棒性和可靠性，具体如图2所示：

图2 通过RIS建立视距环境

（2）弱覆盖区域补盲

由于建筑、植被等环境因素的影响，移动通信网络的覆盖会呈现一定的不均匀性，可能会出现零星的弱覆盖区域。这些弱覆盖区域的面积可能很小，但是会导致部分用户的通信业务无法正常进行，对用户体验造成不好的影响，比如共享单车停放区域的弱覆盖、电子售货机放置区域的弱覆盖等。针对这些零星弱覆盖区域，一方面，可能很难通过网络优化或系统调参的方式解决；另一方面，通过增加布站的方式提升相应区域的覆盖性能也不太现实。因此，需要寻找一种低成本、易实施的解决方案。而RIS正适合于解决该场景的覆盖问题，通过RIS的部署，可以有针对性地将无线信号反射到相应弱覆盖区域，提升其覆盖性能。

（3）邻区干扰抑制

通常来说，基站天面在部署时会进行一定的机械下倾，在保证本小区覆盖的同时，对邻区干扰进行一定的抑制。然而，小区边缘用户的覆盖性能和邻区干扰抑制始终存在一定的矛盾性。虽然NR系统引入了波束赋形技术，可以更好地平衡本小区信号和邻区干扰的关系，但是边缘用户的性能仍然不是很理想，尚有很大的提升空间。通过RIS的部署，可以更好地解决边缘用户的邻区干扰问题。举例来说，可以在小区边缘建筑表面部署RIS，通过信号反射取代信号直射，进一步抑制对邻小区的干扰，如图3所示：

图3 通过RIS抑制邻区干扰

2.2 室内场景

伴随着新型应用的出现，各种类型的数据业务层出不穷，从最基本的语音、上网业务，到现在的视频直播、AR/VR类业务，这些新型业务的出现不断对移动通信网络的性能提出更高要求。可以注意到，大部分的数据业务实际上都发生于室内，室内覆盖已成为现在和未来的重要场景。

与室外通信场景相比，室内的通信环境更为简单，通信距离更短，用户移动性更低，但是无线传输面临着更大的穿透损耗，以及更加严重的多径问题。另外，由于建筑材料、家具表面的微小坑洼，室内反射主要以漫反射为主，信号能量散开在室内空间中，很难实现均匀的覆盖。不同位置、不同房间的覆盖性能可能存在较大差异，且难以控制。

从4G时代的无源室内分布式系统到5G时代的有源室内分布式系统，室分系统逐渐成为室内覆盖的主流解决方案。然而，室分系统也存在一定的局限性：首先，室分系统的建设成本较高；其次，室分系统可能存在布线困难的问题，部分建筑不适合部署室分系统；最后，室分系统的建设可能涉及多个运营商，在运维、共建共享方面存在一定的困难。

RIS技术为室内覆盖解决方案提供了一种新的思路。一方面，由于RIS本身由无源或近无源器件组成，且占用空间较小，可以打消人们对于电磁辐射的顾虑；另一方面，RIS易于部署在室内墙面上，不需要额外的布线，且可通过室内装饰的方式呈现，不会有突兀的视觉观感。通过在室内部署多个RIS，可以将室外基站信号反射到各个屋内，提升室内覆盖性能。另外，RIS也可以很好地与其他室内覆盖方案相结合，作为室内覆盖增强方案的额外补充。

3 RIS部署与应用思考

得益于RIS的轻量化特点，其在部署上存在很大的灵活性，可以部署于建筑物的表面、路边设施表面等。当RIS应用于移动通信网络中时，需根据RIS对网络侧和终端侧的透明程度来决定其具体的应用方式，具体可分为全透明RIS、半透明RIS和非透明RIS。

3.1 全透明RIS

全透明RIS指其对于网络侧和终端侧都是透明的，即基站和终端都不需要感知RIS。此时，RIS的部署不会引入额外的控制信令开销，不会影响基站和终端的特性，也不作为网络的中间节点。在设计方面，全透明RIS不需要实时动态地调整其反射波束图样，可采用预配置的方式设定若干种波束图样，在部署时结合实际需求选择某种预配置图样。在成本方面，全透明RIS不需要数字处理模块，因此实现成本较低。在应用方面，全透明RIS适合于小区级的部署，可用于弱覆盖区域补盲、特定区域的覆盖提升等，此时RIS只需要将无线信号反射到指定的区域即可，不需要精细的反射波束控制。

全透明RIS与建筑物、植被等一样，都是无线通信环境中的一部分，其差异在于，经由RIS反射的无线信号在一定程度上是可控的，可以具有一定的方向性。全透明RIS宜采用静态的配置方式，配置好反射波束图样后一般不再调整。因此，全透明RIS对无线通信环境的干涉有限，只能粗粒度地调整无线信号的覆盖，无法实现用户级的信号增强。

3.2 半透明RIS

半透明RIS指其对于网络侧和终端侧的某一侧透明。考虑到终端的实现成本与复杂度，本节只考虑RIS在终端侧透明，在网络侧不透明的情况。对于半透明RIS，基站可以通过特定的控制信号主动调整RIS的整体电磁单元响应，从而生成需要的反射波束图样。在RIS和用户间的信道测量方面，由于用户终端无法感知RIS，所以用户只能对基站到RIS与RIS到用户的级联信道下的参考信号进行测量、反馈，至于基站如何对用户反馈的信道信息进行处理与利用，则需要更进一步的研究。在设计方面，半透明RIS可以根据基站的控制，动态地对反射波束图样进行调整。考虑到布线的成本及施工难度，RIS和基站之间的信号传输更适宜于采用无线的方式。因此，基站很难实现对RIS上每个电磁单元单独的进行控制，一种可行的方式是基站将期望的反射波束的角度信息传输给RIS，由RIS自行生成相应的波束图样；另一种方式是基站采用波束训练的方式，将期望的波束索引号传输给RIS，再由RIS生成相应的波束图样，具体如图4所示。在成本方面，半透明RIS可能需要数字处理模块对基站发送的控制信号进行解调，同时可能需要增加供电模块，因此其成本较全透明RIS可能会高出很多。在应用方面，半透明RIS同时适用于小区级部署以及用户级的信号增强。

图4 通过RIS辅助的波束训练过程示意图

半透明RIS可以更好地对无线信道环境进行调整，改善基站与用户间的信道状况。半透明RIS可采用动态配置的方式，结合基站的控制，动态生成期望的反射波束图样，实现更精细化的波束，提升无线信号的传输质量。半透明RIS对通信系统的影响主要体现在网络侧，不会影响终端的实现复杂度。

3.3 非透明RIS

非透明RIS指其对于网络侧和终端侧都是不透明的，此时RIS作为移动通信网络中的一个非透明的中间节点参与无线信号的传输过程，其与非透明中继在网络架构中的地位类似，区别在于：①RIS与解码转发中继相比，它无需对用户的数据信号进行解调，因此RIS不需要很强的数字处理能力；②RIS与放大转发中继相比，它在反射信号时不会引入额外的噪声，并且可以将能量聚焦，提升传输性能。非透明RIS与半透明RIS也有一定的区别，具体在于：非透明RIS可能需要具备自主向用户发送特定的参考信号的能力，以便于信道测量。虽然这里说是自主，但实际上相应的时频资源等传输信息还是需要由基站配置，否则用户无法知道应该如何对相应的参考信号进行测量。然而，在实际应用中是否允许RIS自主发送参考信号还有待研究与评估。

除此之外，从多用户传输的角度考虑，RIS实际上是不知道各个用户信号实际的物理资源位置的，除非RIS能够知道基站的调度过程。因此，RIS无法自主地知道应该在何时将反射波束调整成何种图样，也即RIS对波束图样的调整，很大可能还是依赖于基站的控制，无法实现自主控制。

非透明RIS与非透明中继不同，它的具体优势与应用还有待更进一步的研究，目前很难给出定论。但可以预见的是，非透明RIS可以更好地掌握基站与RIS间以及RIS与用户间的信道状况，如果妥善地加以利用，可以更好地对级联信道进行精细化调整，提升上、下行信号质量。另外，非透明RIS在设计上需要着重考虑其实现成本，如果成本过高，则将很难应用于未来的6G移动通信网络。

3.4 RIS应用的其他思考

本节主要列出一些RIS在应用时可能面临的具体问题，主要包括：RIS的方向性、RIS对不同运营商网络的影响。

（1）RIS的方向性

RIS在面向6G的应用中，需要考虑传输的方向性，结合前文对RIS应用场景的分析，在上行和下行传输中可能都需要RIS的辅助。一方面，用户终端的发射功率相比基站的发射功率要小很多，上行信道往往是覆盖瓶颈，所以上行传输对于RIS的需求更高；另一方面，对于视距阻挡、弱覆盖、邻区干扰抑制等应用场景，下行传输也需要RIS的辅助。因此，在RIS的反射图样设计方面，需要同时考虑上、下行反射图样的需求。另外，还需要考虑上、下行反射图样的切换问题。如何保证RIS在上、下行两个方向上都可以有效地工作，是未来的研究重点。

（2）RIS对不同运营商网络的影响

不同运营商对RIS的部署需求可能存在不一致性，一个运营商部署RIS后也可能会对同区域内其他运营商的网络性能带来影响。对于全透明RIS，这种影响是静态的；而对于半透明或非透明RIS，这种影响则是动态变化的，相当于引入了新的信道时变特性。当RIS在网络中大规模部署时，如果不同运营商分别对各自的RIS进行调整，可能会产生一定的相互影响，使得传输性能无法达到预期。一种可能的解决方案是限制RIS电磁单元的工作频段，使其只能实现特定频带内信号的相位调整，但是这个取决于器件材料特性，有待进一步研究。在RIS部署前，首先需要评估其对于不同运营商网络的影响，如何避免这一影响，将成为RIS部署的一个痛点问题。

4 结束语

本文基于RIS的技术原理以及潜在应用场景，对其在6G网络中的部署及应用进行了分析，着重探讨了全透明RIS、半透明RIS和非透明RIS在设计、成本以及应用等各个方面的特性和可能面临的问题。除此之外，本文对RIS传输的方向性以及其对不同运营商网络的影响进行了分析，阐明了相关研究重点及需要关注的痛点问题。希望本文的分析可以起到抛砖引玉的作用，为RIS的研究与发展提供一些参考，协同促进相关产业的发展。