面向6G的智能反射面无线通信

张全君，王 浩，吴阿沛

（1.广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000；2.蓝鸽集团有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

5G包括多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）系统、毫米波通信以及超密集组网等核心技术。5G存在网络信号较差时无法实现连续的网络接入和数据传输的局限性。通过提高基站密度，可提高网络密度，但会导致系统能量消耗巨大。射频传输链包含若干模拟转换器和低噪声放大器等器件。在Massive MIMO天线阵中，各天线单元组成一条射频传输链，整体造价和能耗较高。如果传输条件较差，将极大地降低MIMO系统的性能。毫米波段很宽，但是毫米波传输过程中的损耗较大，且易受到阻碍，因此有必要开发可持续发展的新型通信网络[1-3]。智能反射面因其能够克服毫米波的局限性而获得了广泛应用。

1 智能反射面的概述

1.1 智能反射面的概念

智能反射面（Intelligent Reflective Surface，IRS）也称为可重配置智能面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）、大型智能面（Large Intelligent Surface，LIS）或软件定义面（Software Definition Surface，SDS）。IRS是一个低成本无源反射元件，每一面均能调控入射的信号。变化的参量包括相位、振幅、频率、偏振以及方位等。基于智能反射面的无线通信如图1所示。

图1 基于智能反射面的无线通信

IRS可以智能重建传播环境改善传输质量。当直线链路不顺畅时，IRS可以控制传播环境扩大无线网络的覆盖面，改善频谱利用率和能源利用率。IRS通信技术具有诸多优势：第一，可以在室内和室外任意位置部署；第二，仅抑制反射，能耗低、电磁污染小，满足环保需求；第三，能够改善网络的位置准确率，加强网络的安全性，实现全双工和全频带的通信；第四，成本低、易实现，在物联网、汽车联网等多种无线网络中应用广泛；第五，可以提高无线传输性能。合理应用IRS技术实现智能化管理无线网络，可以改造当前无线系统结构，是6G通信网的关键组成部分。

1.2 智能反射面研究现状

IRS是一种超薄的物质结构，能够适应不断改变的无线环境，不断进行自我调节。超导物质是按照特定的宏观排列形式构成的一种人造复合电磁，可以根据需要自由设置基本元素和布置形式，从而构建出传统技术无法达到的超常规介质参量，以调节电磁波。但是，常规的电磁超导体建立在介质参量不断改变的基础上，难以实时控制电磁波。2014年，崔铁军教授领导的研究小组在世界上首次提出“数字化编码与可编程超导物质”，利用二进制数字编码技术对超导物质进行编程调控电磁信号。该方法可以降低设计难度，简化结构的优化过程，把超导体从实体形式转换为数字形式。利用超导物质构成的可重组超导表面，可以用于被动反射、有源信号发送以及接收。理论上，IRS无线网络的中心理念是将在终端上执行的功能转移到其周围，具有广阔的发展前景[4-6]。

2 智能反射面应用场景

2.1 边缘智能

边缘智能包含边缘缓存、边缘计算等技术，通过储存降低网络中的数据流量。IRS可以有效改善边缘缓存、计算以及学习性能，通过智能调节入射波的相位，减轻边缘设备能耗，增强协同上行链路和下行链路的性能[7]。

2.2 地理定位

与Massive MIMO技术类似，采用智能反射面技术，可以有效提高室内外位置的定位准确率。IRS技术的发展将极大地促进无线通信技术的应用。

2.3 物理层面的安全性

安全问题已成为无线通信和信息安全领域中的重要课题。采用智能反射面技术可以提高用户数据的传送速度，降低安全隐患。

2.4 D2D通信

设备到设备（Device to Device，D2D）通信采用智能反射面技术，减少了器件间的干扰，降低了器件间的功率消耗，增加了数据传送速度，实现了从终端到终端的数据传输。

2.5 无线承载通信

无线承载通信是一种新型的、广泛用于物联网的通信技术。利用智能反射面有效配置无线承载通信，可以提高数据和能源的传输效率。

2.6 无人驾驶通信

由于无人驾驶通信具有传输距离远、部署灵活、机动性强、覆盖范围广以及经济适用等特点，已成为业界关注的重点。IRS的应用场景包括大楼或飞机机体等，如图2所示[8]。

图2 应用场景

3 面向6G的智能反射面无线通信研究

3.1 信道估计方面

通过准确的信道状态信息（Channel State Information，CSI）的数据支持，实现IRS的信道评估效果。IRS的信道估算需考虑IRS的反射器被动特性和大量的反射元件，因此IRS的辅助下行链路传输方案通常在一个基站内进行信道估算，由基站向IRS传输其估算数据，然后由控制中心根据该数据来调节反射元件的相位。将信道估算的时间分成若干时槽的最小均方误差（Minimum Mean Square Error，MMSE），实现信道估算。全部IRS单位进入“OFF”模式，基站估算使用者的通道CSI。在各时间槽中，仅1个反光元件在“ON”模式下运行，其他反光元件仍在“OFF”模式下。该方法可以方便地获取仅涉及工作单位的CSI。利用MMSE估计算法估算各时隙可得到全部CSI，但是在存在大量移动使用者的情况下，信道估算的负荷较大。多用户上行发送数据可以分为3个相继的过程，采用由各使用者共用的IRS至基站之间的链路，大大缩短了导频距离[9,10]。

3.2 毫米波通信方面

IRS的发展通常围绕着毫米波通信的发展，单一或多个应用场合的毫米波通信可以采用单一或多个IRS，也可以采用小型天线阵或大型天线阵。毫米波的通道模式与常规波段的通道模式存在一定的区别。针对基于IRS的单用户MIMO下行链路通信、多天线分布、单天线用户分布以及多个IRS的情况，需研究有源和无源波束的最优组合，在IRS通道模式下得到单一IRS的最佳封闭解和多个IRS辅助的近似最优化结果。即便IRS的反射元件存在较小的相位偏移，使用者的接收信号能量也会随着反射元件数量的增加而增大。

3.3 将IRS与毫米波通信结合

应用IRS和毫米波通信技术可以优化通信终端，改善网络性能。将基于IRS的无线通信技术与MIMO、毫米波通信、可见光通信、超密集网络以及非正交多路接入等技术相融合，尤其是IRS和毫米波通信相结合，是当前的研究热点。毫米波是一种频域为30～300 GHz、波长为1～10 mm的电磁波。在毫米波区建设800 MHz的超级宽带通信，通信速度可达到10 Mb/s，很好地适应了国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU） 对 5G通信的需求。随着5G中频率、低频率的大量商业化应用，将会大幅提高通信质量。因此，深入开展对毫米波技术的探讨，既能促进5G的大规模应用，又能为5G的后续发展和6G技术的研究提供坚实的理论依据。MIMO通信波长短、路径损耗大且其覆盖距离存在较大限制，因此需采用MIMO技术进行波束赋形增益补偿，同时采用毫米波技术促进天线阵的微型化应用。

4 结 论

随着5G的发展和6G技术的研究，IRS技术将在未来通信领域中发挥出更大作用，包括完善5G的商业化部署等。