可重构智能表面潜在标准化工作分析*

李南希，朱剑驰，程振桥

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

可重构智能表面（RIS,Reconfigurable Intelligent Surface）技术作为一项非常具有变革性的6G 潜在关键技术，受到了业界和学术界的广泛关注[1-3]。不同于传统通信的被动适应信道，RIS 技术的出现为无线环境的主动调控提供了新的思路与手段。截至目前，许多高校和公司都已陆续开展了RIS 原型机的研发与测试验证工作，例如：2021 年，中国电信联合中兴通讯开展5G 高频外场测试验证工作，验证了通过部署RIS，可以将距基站150 m 以外弱覆盖区域的接收信号强度升10 dB 以上[4]；2021 年7 月，中国移动携手东南大学在 5G 现网完成智能超表面技术实验，结果表明智能超表面可以有效改善现网弱覆盖区域的信号强度和用户速率；2022 年8 月，中兴通讯完成动态智能超表面技术验证，结果表明基站和智能超表面协同波束赋形技术不仅可有效提升基站覆盖范围，还可以支持用户在移动性场景下的无缝连接。通过这些实测验证，充分展现了RIS 面向未来网络部署的可行性及潜力。

为了推动RIS 技术落地，首先需要完成RIS 技术的相关标准化工作。2021 年的3GPP Rel-18 研讨会中，有公司提出了对转发型RIS 的研究，包括RIS 的应用场景、系统架构、信道建模、控制方式等研究内容。但是最终并未纳入Rel-18 的课题范畴，其主要原因包括两方面：一是当时RIS 技术并不成熟，应用场景、器件、架构等都不明确。再加上有公司对其鲁棒性和可靠性提出了质疑，总体来说，各公司对RIS 的接受度并不高；二是当时有另一个研究课题被同台提出，即网络控制中继（NCR,Network Controlled Repeater），该技术是面向传统直放站（Repeater）的演进，在传统放大转发的基础上，引入了网络侧对中继的控制，特别是对波束的控制。从功能上来看，NCR 和RIS 非常相像，这也使得想引入波束转发能力的公司转向支持NCR 立项。最终NCR 纳入了Rel-18 的研究课题范畴[5]，并于2022 年成功转为标准化项目[6]，于2023 年基本完成了核心的标准工作。目前，已步入Rel-19 课题研讨阶段，有10 家左右的公司再次提出了对RIS 研究课题的立项诉求，主要包括研究其信道建模、系统模型、评估方法、控制方式等[7-9]。而关注NCR 在Rel-19 演进的公司数量也很多，主要聚焦在：功率控制、带外控制等方面[10-12]。根据目前进展，RIS 被纳入了信道模型的研究课题范畴，但仅属于其中的一部分，其他内容还包括通感一体化、FR3 频段的信道建模[13]。因此，RIS 最终能否纳入Rel-19 的课题范畴，还存在一定的不确定性。不过，从各公司的观点转变中可以感觉到，RIS 的标准化工作已越来越近。

本文从3GPP 标准化的角度入手，以NCR 已完成的标准化工作为基准，进一步剖析转发型RIS 的潜在标准化工作，为RIS 器件选型及设计提供了一定参考。

1 NCR标准化工作概述

NCR 的基本架构如图1 所示[14]，主要由两个功能实体组成，其中NCR-MT 是用于NCR 和基站（BS,Base Station）进行信息交互的功能实体，NCR-Fwd 是用于NCR 和用户终端（UE,User Equipment）以 及NCR 和BS 之间进行信息转发的功能实体。整个系统包括三条通信链路，分别是接入链路（A-link,Access Link）、回程链路（B-link,Backhaul Link）以及控制链路（C-link,Control Link）。NCR 通过C-link 与基站进行控制信息的交互，需要解码C-link 上的信息。但是A-link 和B-link上的数据对于NCR 来说是透传的，也即NCR 不会解码这两个链路上的数据，而是直接根据控制信息进行波束转发，以提升链路性能。

图1 NCR架构示意图

与传统Repeater 相比，NCR 最大的特性就是引入了网络侧的控制功能，从而使得其能工作在更有效的状态下。因此，对于NCR 来说，其最核心的标准化工作就是控制信息和信令的设计，包括波束信息、时分双工（TDD,Time Division Duplex）模式下的上下行时隙配置以及开关控制等，具体如下所述：

（1）波束信息：主要用于指示NCR 在三条链路上的转发波束。更具体地，网络侧配置一个或多个转发资源列表，每个列表包含若干个转发资源，每个资源又与“ 时间资源” 加“ 波束索引” 相关联，其具体信息结构如图2 所示。波束信息指示的最小时间粒度为符号级，这也就意味着NCR 需要支持符号粒度的波束切换。另外，网络侧可以通过周期、半静态（或称半持续）以及动态的方式实现波束信息的指示，以便灵活适配当前网络状态。

图2 转发资源信息结构示意图

（2）TDD 上下行时隙配置：主要用于指示NCR 当前网络的时隙配置情况。由于NR TDD 系统中可以进行灵活的上下行时隙配置，为使NCR 确定当前的转发方向是上行还是下行，需要该时隙配置指示。考虑到NCR 的实现复杂度，目前协议仅支持半静态的时隙配置指示，不支持动态指示。

（3）开关控制：主要用于控制NCR 的开关状态。引入该控制信息的目的有两个，一是从节能的角度考虑，在网络侧无需NCR 转发信息的时候关闭NCR，从而降低能耗；二是从干扰管理的角度考虑，避免NCR 转发非期望信号带来的额外干扰。目前协议采用了隐式的开关控制，即NCR 默认处于关闭状态，只在波束信息指示对应的持续时间内处于开启状态。在这种方式下，无需额外的信令开销，降低了系统复杂度。

除了新引入的上述特性外，NCR 的许多特性或行为都遵从NR 已有的协议规范，包括随机接入、波束管理、信道状态信息测量与上报等。

2 NCR与RIS的对比

从NCR 的标准化工作中可以基本了解到其具有的功能，其中最核心的便是波束转发功能，而这与转发型RIS的功能有高度重合。为了更进一步了解NCR 和RIS 的相似性和差异点，本节从多个方面对这两种技术进行了对比，并将对比结果总结在了表1 中。

表1 NCR与RIS对比

（1）系统架构：RIS 与NCR 类似，也需要具备与网络侧通信的能力，以便接入当前网络，接收网络侧的控制信息。此外，RIS 需要单独的控制模块以对表面电磁单元进行调控，而这部分不涉及数字基带处理器件，也无需射频链路，可采用低复杂度、低功耗的实现方案。从通信链路上来看，RIS 仅有两条链路，如图3 所示，其中C-link 与NCR 类似，而转发链路只有一条，记为F-link。其主要原因在于RIS 采用的是反射或透射式转发，因此无法以波束赋形的方式接收入射电磁波，仅具备出射电磁波的波束调控能力。因此，不同于NCR 的B-link 和A-link设计，RIS 在转发链路上仅需考虑出射方向的波束赋形。

图3 RIS架构示意图

（2）硬件器件：NCR 主要由天线、射频及数字基带处理器件构成，其主要功耗产生在射频和基带。RIS 的通信模块硬件构成与NCR 相似，但是转发部分与NCR 不同，主要由电磁单元和控制器件构成。在功耗方面，通常每个电磁单元的功耗是很低的，以最常用的PIN 二极管为例，单个功耗在mW 级别，而如果采用变容二极管，则功耗更低，在μW 级别。因此RIS 电磁表面的功耗不高，主要功耗集中在控制器件上，可达十数瓦[15]，这是由于目前通常采用基于FPGA 的控制方式，随着产业化发展，后续如采用专用芯片实现电磁单元状态的控制，其功耗将大幅降低。

（3）数据处理：RIS 和NCR 均对转发链路的数据进行透传，仅需处理C-link 的控制信息。而控制链路对可靠性的要求较高，对数据速率一般没有很高的要求。对RIS 而言，这意味着其通信模块的功能不需要特别强大，可能无需支持高阶调制阶数，也无需支持大带宽，可以尽可能地降低硬件成本和复杂度。

（4）波束能力：目前协议规定NCR 支持的最大波束数目为64，但这并不意味着NCR 最大只支持64 个物理波束，只是在波束指示时最多采用64 个波束索引。对于RIS来说，其表面的电磁单元数量巨大，可达数百、甚至数千级别，而NCR 采用的天线数量很难达到这个量级。因此，RIS 的波束精度会更高，可以支持更多样的转发波束图样。但是考虑到控制信令开销以及网络侧调度的复杂度，最终在进行波束指示时，很可能会像NCR 一样对最大波束索引数量进行限制，大概率也会限制到64 个波束索引。

（5）协议影响：NCR 的协议影响仅在网络侧，对于用户侧是透明的。也就意味着现网用户不需要设备升级便可以直接受益于NCR 的部署，这对于市场规模化应用是有利的。从协议影响上，RIS 应与NCR 一致，即仅存在网络侧影响，而对用户侧透明。当然，RIS 在后续演进中可能会引入用户侧的协议影响，但是在此之前需要对其性价比进行充分的论证。

（6）噪声及干扰：由于NCR 本质上还是采用放大转发的方式，会引入额外的热噪声，而RIS 采用反射或透射的转发模式，不会引入额外噪声。但是他们都可能会带来一些额外的干扰，这主要是由于其透传特性。NCR 和RIS都不需要知道转发数据的具体频域信息，因此会对工作频段范围内的所有信号进行波束转发。为了抑制干扰，NCR引入了开关控制机制，仅在需要其转发信息的时间段内开启。借鉴NCR 经验，RIS 也可以引入开关控制机制，在节能的同时实现一定程度的干扰抑制。

3 RIS潜在标准化工作分析

考虑到RIS 与NCR 在功能、架构上的相似性，从标准演进的角度来看，RIS 大概率会尽可能地重用NCR 已完成的标准工作，包括控制信息、控制信令等。因此，NCR 的标准工作可以为RIS 的标准化提供一定的借鉴与参考。本节主要阐述RIS 潜在标准化工作，同时从标准化的角度分析RIS 在设计上需要考虑的问题及限制。

3.1 信道建模

信道是无线传输的重要组成部分，因此信道建模往往也是开展一项新的无线技术研究的首要工作，合理的信道模型及假设是无线技术研究的基础。5G 研究阶段，信道的研究也是重点工作之一，最终3GPP 形成了TR 38.900[16]和TR 38.901[17]，其中38.901 在38.900 的基础上对频段进行了进一步扩展，从0.5 GHz 到100 GHz，并一直更新到Rel-17 版本，它也是5G 技术评估中广泛采用的信道模型。对于RIS 技术来说，传统的信道模型已无法适用，其主要原因在两个方面，一是RIS 的引入将信道拆分成两段，RIS 在两段信道中分别作为收端和发端，且其不能被简单建模为一个或多个散射体；二是RIS 的部署位置在基站和用户中间，很可能某段信道会具备近场特性，即需要采用球面波假设替代传统的平面波假设。目前，学术界及业界已经广泛开展了RIS 信道模型的研究，比如文献[18]给出了大尺度路损建模方法，并通过实测验证了所述模型的有效性，这是一个很好的开始，但是距业界达成共识可能还有一段很长的路要走。

在RIS 系统模型方面，由于RIS 器件选型尚未达成共识，并且业界就RIS 中到底需要具备哪些模块与器件也未形成统一结论。而系统模型也是信道建模的一部分，尤其是如何在信道中表征RIS 表面，如何对RIS 电磁单元进行建模：是对每单元的反射/透射特性进行建模，还是对RIS表面整体进行建模，这些问题都需要进一步地探讨与研究。

根据各公司的观点来看，目前阶段的信道建模研究很可能不是针对单一技术，而是针对潜在的多项技术，比如RIS、通感一体、新型频谱等。由此可见，信道建模相关工作的开展将面临不小的挑战。需要说明的是，信道建模虽然是RIS 标准化工作的重要一环，但其实质上不具备协议影响，因此不会影响本节对RIS 潜在标准工作的分析与探讨。

3.2 随机接入

同NCR 相似，RIS 也需要发起随机接入，一方面为了获得必要的系统信息并与网络侧保持上、下行时间同步，另一方面为了获取网络侧的控制信息以进行波束转发。从网络侧来说，需要验证RIS 的合法性及安全性，完成RIS的识别和鉴权，规避非法的RIS 设备。因此，上述要求侧面揭示了RIS 必须具备与网络侧进行信息交互的通信模块。

从随机接入整体框架上来看，RIS 很大可能会重用NR引入的基于同步信号块（SSB,Synchronization Signal Block）的小区搜索与随机接入过程，如图4 所示：

图4 RIS随机接入示意图

RIS 需要检测网络侧传输的SSB，并基于所选择的SSB 在相应的RO（PRACH Occasion，PRACH 时机）上发送前导码（Preamble）。以图4 为例，RIS 选择SSB#3，并发起随机接入。接入成功后，RIS 会进行能力上报，这时网络侧将知道该设备不是普通的用户终端，而是RIS 设备。虽然也有标准化方案可以在随机接入过程中就让网络侧知道该设备为RIS，比如像RedCap 终端一样，为RIS 分配专门的前导码资源，但是这会导致前导码资源的进一步紧缩，增大其他用户终端随机接入冲突的概率。另一方面，RIS 设备不具移动性，无需频繁发起随机接入，且每个小区中的RIS 设备数量远小于用户终端数量。因此，为RIS专门分配前导码资源并不是一个合理的方案。

当RIS 被用于覆盖补盲时，需要考虑基于RIS 辅助的随机接入。此时，网络侧需要采用一个或多个SSB 波束指向RIS，并控制RIS 采用相应的波束对这些SSB 进行转发。而对于用户终端来说，RIS 是完全协议透明的，用户的随机接入行为并不会发生变化。如图5 所示，基站将SSB#3、#4、#5 的波束打向RIS，并时分的控制RIS 在相应时刻将上述SSB 转发至三个方向，以拓展覆盖。该实例中，UE1 检测到SSB#4，UE2 检测到SSB#5，但实际上它们并不知道RIS 参与了转发过程，随后，UE1 和UE2 分别在相应SSB 关联的RO 上发送前导码，发起随机接入过程。

图5 基于RIS辅助的随机接入示意图

然而这整个过程涉及到两个问题，一个是SSB 数量的问题，根据现有协议，每个小区可使用的最大SSB 数目是固定的，对于FR1 最多使用8 个SSB，对于FR2 最多使用64 个SSB。而基于RIS 的随机接入需要占用一定数量的SSB 用于覆盖延拓，这就意味着网络侧可用于其他区域覆盖的SSB 数量就减少了。因此，可能需要对SSB 设计进行优化。另一个问题是，SSB 是以时分的方式发送的，但是不同用户在发送前导码时，可能会使用频分的RO 资源，如图5 中的RO#4 和RO#5。虽然这种情况不会总是发生，具体取决于基站的RO 频率复用因子的配置，以及SSB 到RO 的映射参数配置。但是RIS 在设计之初就需要考虑到这种情况，以免对网络侧产生额外的限制，导致灵活性和性能的损失。为解决这个问题，RIS 需要支持多波束同时入射转单波束出射的能力。

3.3 信道信息获取

对于用户侧透明型RIS，也即半透明RIS，用户对信道的测量行为不会由于RIS 的引入而发生改变。因此基站可以通过原有的信道测量机制获取引入RIS 后的整体信道信息，但是需要注意的是这里不能假设该信道信息就是“BS-RISUE”链路的信道信息，其中还可能包括“BS-UE”的信道。

当RIS 具备基本的通信模块时，BS 可以获取C-link链路的信道信息。但是C-link 的信道不等同于F-link 中BS 到RIS 的信道，因为这两个信道的“接收天线”不同，一个是传统天线，另一个则是表面电磁单元。然而这两条链路的波束方向是大体一致的，可以利用C-link 实现“BS-RIS” 这段链路的波束对齐。

从上面的分析可以看出，BS 想获得级联信道的分段信息是非常困难的，所以也很难实现BS 预编码矩阵和RIS 转发权重矩阵的联合优化。因此，需要转变思路，探索更加实际且容易落地的方式。目前来看，一种可行的方法就是复用NR 的波束管理框架，即采用波束扫描加波束细化的方式为目标区域的用户提供服务。此外，为简化信道估计，现有协议中采用传输配置指示（TCI,Transmission Configuration Indication）的方法。TCI 可以指示当前传输与相应参考信号的准共址（QCL,Quasi Co-Location）关系，通俗点说就是当前传输的信道跟哪些参考信号传输的信道“比较像”。QCL 有不同的类型，其中QCL-Type D 表征空间接收参数的准共址关系。如果当前传输与某一参考信号具备QCLType D 的准共址关系，则UE 可使用与接收该参考信号的相同空间滤波参数来接收当前传输，也即采用相同的接收波束。由于在随机接入阶段，BS 已经可以知道由RIS 服务的用户所选择的SSB，因此可以利用TCI 指示后续传输与SSB 波束的QCL-Type D 准共址关系。更进一步，BS 可以采用更精细的波束传输信道状态信息参考信号（CSI-RS,Channel State Information-Reference Signal），并根据用户的测量反馈结果，选择更精细的波束服务该用户。

3.4 波束指示

整体上看，RIS 的波束指示信息及信令基本可以复用NCR 的相关内容，尤其是C-link 部分。对于F-link，可以考虑复用A-link 的波束指示框架及信令设计。同NCR类似，RIS 的波束指示也可以考虑采用半静态、周期和非周期的方式，以适配不同的调度需求。

3.5 转发波束切换

RIS 在应用于实际系统中时，需要根据BS 的调度情况实时进行波束切换。由于NR 系统已支持符号级的调度，为更好地适配当前系统，RIS 需要支持符号级的波束切换。表2 总结了不同子载波间隔下大致的OFDM 符号长度。考虑到RIS 的典型应用在毫米波频段，为此RIS 需支持级别的波束切换，这对RIS 电磁单元的器件选型可以提供一定的参考。

4 结束语

本文从NCR 的标准化工作入手，剖析了NCR 与RIS在功能、结构、硬件方面的相似性及差异点。更进一步，以NCR 的标准化工作为基准，详细分析了RIS 的潜在标准化工作，包括信道建模、随机接入、信道信息获取、波束指示和转发波束切换五个方面。同时阐明了RIS 在设计上需要考虑的问题，为RIS 器件选型提供了一定参考。希望本文的分析可以起到抛砖引玉的作用，推动业界对RIS潜在标准工作的思考与研究，协同促进相关产业的发展。