智能超表面及其标准化影响研究

杨丽华

（1.联想（北京）有限公司，北京 100094；2.联想研究院，北京 100094）

0 引言

2021 年6 月，国际移动通信（IMT,International Mobile Telecommunications）2030 推进组正式发布《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书[1]。此白皮书作为推进组的阶段性成果，内容涵盖总体愿景、八大业务应用场景、十大潜在关键技术等方面，并阐述了对6G 发展的一些思考。在现阶段，国际电信联盟无线通信部门（ITU-R,Radio Communication Division of the International Telecommunication Union）的主要目标是就IMT-2030（6G）的愿景达成全球共识，包括识别潜在用户应用趋势和新兴技术趋势、定义增强型/ 新型应用场景和相关能力、理解频谱方面的新需求等。在2023 年6 月的会议上，ITU-R WP5D 同意了新的建议草案“2030 年及以后的IMT 未来发展的框架和总体目标”，该草案可以被视为标准化的基础，以开发下一代IMT 标准。如图1 所示，ITU-R IMT.FRAMEWORK 定义了6 个典型场景（左）和15 个性能指标（右）。在IMT-2020（5G）“铁三角”的基础上，IMT-2030（6G）往外延伸，拓展出了一个六边形。在六边形最外围的圆圈上，列出了适用于所有场景的四大设计原则，即：可持续性、泛在智能、安全/ 隐私/弹性、连接未连接的用户。IMT-2030 的功能（图1 右），包括9 个增强功能（峰值数据速率、用户体验数据速率、频谱效率、区域流量容量、连接密度、移动性、时延、可靠性&安全以及隐私性&弹性）和6 个新增功能（覆盖、定位、感知相关、AI 相关、可持续性和互操作性）。

为实现上述6G 愿景，需从空口技术、网络技术和人工智能等方面进行6G 无线通信关键技术的研究。就空口技术而言，除了增强现有的无线空口技术外，如调制、编码、新波形、多址、全双工技、超大规模多输入多输出技术外，还需要探究新型无线传输技术。在传统无线传输技术中，无线环境是不可控的，其不可控性往往会对通信效率产生负面影响，并进一步降低服务质量。信号衰减限制了无线信号的传播距离、多径效应导致衰落现象、大型物体的反射和折射等都是主要的不可控因素。智能超表面技术（RIS,Reconfiguration Intelligent Surface）作为新型无线传输技术的一种，有望部署在无线传输环境中各个物体表面来突破传统无线信道的不可控性，构建智能可编程无线环境，为未来的无线通信引入新的范式。RIS 技术采用可编程新型亚波长二维超材料，通过数字编码对电磁波进行主动的智能调控，形成幅度、相位、极化和频率可控制的电磁场。一方面，RIS 可以复杂化信道散射条件，获得额外的复用增益；另一方面，RIS 可以在三维空间中实现信号传播方向调节和同相叠加，增加接收信号强度，提高通信设备之间的传输性能。因此，RIS 在未来无线网络覆盖增强和容量增强、提供虚拟视距链路、消除局部覆盖漏洞、增强小区边缘用户性能等方面具有巨大潜力，从而实现智能化和可重构的无线环境。因此，RIS 以其能够建立低成本、低功耗通信环境的潜在能力，成为6G 无线通信最有前途的技术之一[2-5]。

本文的主要安排如下：第1 节首先详细介绍了RIS 的三种运行模式和两种典型应用场景，进而对比了中继、网络控制中继器（NCR,Network Controlled Repeater）与RIS在硬件设计、运行机制、运行频率、通信双工模式、传输透明度和能力等五个方面的异同；第2 节重点介绍了RIS的五种工作模式；最后，第3 节分别从物理层和高层两个方面详细介绍了引入RIS 对未来网络标准化方面的影响。

1 RIS运行模式及部署场景

1.1 RIS运行模式

自2021 年10 月开始，欧洲电信标准化协会（ETSI,European Telecommunications Standards Institute）讨论并成功通过有关RIS 的多个项目，包括RIS 的硬件结构、部署场景与需求、信道建模、对现有架构的影响、通信模型和评估方案等多个方面[6-9]。目前，RIS 主流的运行模式可以概括为三大类：反射模式、折射模式和吸收模式。此外，根据RIS 的不同类型的电路设计及有无收发能力，RIS 又可以分为主动式、被动式和混合式等三种类型。接下来，将详细介绍两种分类中各个模式的原理。

（1）发射/折射/吸收模式

1）反射模式：在丰富的散射环境中，波能量在统计上均匀地分布在整个无线介质中，因此射线从所有可能的方向而不是一个明确定义的方向影响RIS。在反射模式下工作的RIS 可以在环境中充当反射器，可以反射来自多个方向的光线路径。此外，工作于反射模式下的RIS 不仅可以增加反射路径，更有重构无线信道实现波束对准的功能，即通过联合优化所有散射元件的相移，便可使反射信号/ 波束可以聚焦于接收端处，并在其他方向上为零[10]，进而实现增加覆盖、减少干扰和增加容量的目的。

2）折射模式：该模式允许入射电磁波穿过RIS，并通过调整其相位将其折射到不同的目标方向。折射和反射模式之间的主要区别是RIS 面板内部缺少屏蔽层，这使得电磁波能够穿过面板。折射模式的一个典型使用案例是室外到室内的场景。为了提高建筑物内某些区域的覆盖率，RIS 可部署于玻璃表面，从而将入射电磁波折射到不同的目标区域。

3）吸收模式：该模式的主要思想是吸收入射波，以防止其穿透建筑物墙壁。在理想情况下，具有一定中心频率和一定带宽的入射无线电波可以被完全吸收。吸收模式允许RIS 具有几乎为零的输出波，有利于缓解干扰，该模式在隐私和信息安全行业有一定的应用前景。一个典型的场景是在建筑表面上部署RIS 来屏蔽电磁波，从而使室内外或不同室内房间的电磁波相互隔离。基于石墨烯的RIS 具有吸收模式，它可以在一些给定的波段达到近100%的吸收。

（2）主动/被动/混合模式

1）主动式：该模式RIS 具有射频链路和连续信号处理单元。主动式RIS 可将整个表面或一部分元件用于发送和接收信号，对于未被使用的元件，可以动态调整开关以达到节能的目的。因此，相比于被动式RIS，主动式RIS具有按需灵活调控和绿色节能的优势[11]。当只有一部分元件能够传输和/或接收的RIS 结构通常被称为半主动结构。

2）被动式：与主动式RIS 相比，被动式RIS 通常由低成本且几乎是无源的元件组成，不需要专用电源。从能耗的角度来看，被动式RIS 能够调整入射的无线电波，在不使用任何功率放大器或射频链路，甚至不应用复杂的信号处理的情况下转发输入信号。此外，被动式RIS 可以在不显著增加自干扰或噪声的前提下同时工作在半双工和全双工模式下。被动式RIS 能够以极低的功耗和硬件成本集成到无线通信环境中，如建筑外墙、房间、玻璃或者工厂天花板等[12]。

3）混合式：混合式RIS 兼具主动式和被动式RIS 的优势。混合式RIS 不仅能够反射其输入信号，同时还具有感知能力[13]。在具有被动式RIS 提供的能效和覆盖等方面的优势下，混合式RIS 具有显著促进相干通信的潜力。

1.2 RIS部署场景

作为一种新的无线技术，RIS 动态控制发射机和接收机之间的无线信号，因此激发了一系列潜在的新场景：1）传统通信场景，包括增强容量、覆盖、频谱效率等；2）新型应用场景，包括高精度定位、通信感知一体化、物理层安全等。作为RIS 最典型和最重要的用例之一，本节将先介绍基于RIS 的覆盖增强场景，之后进一步介绍高精度定位这一新型应用场景，最后进一步分析RIS 部署存在的问题。

（1）基于RIS 的覆盖增强

基于RIS 的覆盖增强场景主要包含室外覆盖增强、边缘覆盖增强和室内覆盖增强等三个方面，场景示意图分别如图2（a）、（b）和（c）所示。具体而言，对于室外覆盖增强场景，如果UE 位于某个建筑物后面，被建筑物阻挡了，则该用户（UE，User Equipment）可能无法接收到来自基站的无线信号。尽管周围可能有一些建筑物，但无线信号的不规则反射可能会降低接收信号功率。如果RIS 部署在适当的位置，就可以建立基站-RIS-UE 的定向链路，从而提高UE 覆盖性能。对于边缘覆盖增强场景，当用户位于小区边缘时，由于其距离服务基站较远，因此收到来自服务基站的有用传输信号较差，从而可能导致通信链路中断；同时又由于小区边缘用户可能位于一个或者多个小区的覆盖范围交集处，因此该用户也会受到严重的邻小区干扰，以上两个原因会大大降低小区边缘用户的通信质量。RIS 可部署在基站和边缘用户之间，通过增强来自服务基站的反射信号提高边缘用户的信号质量。有研究表明，70%左右的通信发生在室内[14]。同时，与室外环境相比，室内环境由于较大的穿墙损耗，往往更加复杂。RIS 可以针对目标用户进行重新配置，有利于室内覆盖增强。该部署方式能够有效解决基站由于穿墙损耗到达室内用户的通信质量差的问题，为室内用户提供可靠、高速率的数据传输服务。

图2 基于RIS的覆盖增强场景

（2）基于RIS 的高精度定位

在4G/5G NR 蜂窝网络中，要定位的目标UE 通常对来自多个基站的Uu 定位参考信号（PRS,Positioning Reference Signal）进行测量和处理。通过测量来自多个基站的PRS 时到达时间差（RSTD,Reference Signal Time Difference）及基站的位置信息便可以计算得到目标UE 的位置。但是，4G/5G NR 的定位精度取决于多个因素：每个基站与UE 之间保证有直连路径、UE 侧观测到的与其有直连链路的基站的数量，及UE 侧PRS 测量结果等。RIS 具有易部署、低成本等特性，可以通过在UE 侧多部署一些RIS 从而增加RIS 与UE 之间的直连链路数目，因此，在网络中部署RIS 被认为是提高定位精度的一种很有前途的方式。如图3 所示，在基站与目标UE 之间存在阻塞的情况下，部署RIS 可以扩展从非直射基站发送的PRS 的覆盖范围，从而增加UE 处观测到的基站数量。此外，每个基站可能配置多套PRS，多套PRS 分别在不同的时隙进行传输。在不同的时隙开启RIS，可以保证UE 侧接收到来自每个基站的多个PRS 来实现PRS 的接收分集，从而显著提升定位精度。学术界对于RIS 辅助定位的场景进行了深入的研究，其中包括基于毫米波的室外场景[15]和典型室内场景[16]。文献[15]研究表明，在毫米波系统中，双RIS 辅助定位可以将定位精度提升到10-5～10-4m。文献[16]的仿真结果表明，与传统的基于接收信号强度的室内定位方案相比，RIS 辅助定位方案的定位误差可以降低至少3 倍。

图3 基于RIS的高精度定位场景

（3）RIS 部署存在的问题

作为一种新型的技术，RIS 部署在现有通信网络中依然面临很多问题。例如，现有通信网络中存在多种类型的业务和通信系统，因此，若将RIS 部署在网络中，首先需要考虑RIS 与不同通信系统之间的融合问题。其次，在热点区域密集部署RIS 时，需要考虑RIS 间和/ 或基站间的协作以减少密集部署RIS 为邻小区用户带来的干扰问题。此外，引入RIS 之后，传统的基站-UE 之间的信道变为基站-RIS 和RIS-UE 两个分段子信道。基站-RIS之间的信道通常为直连信道或低秩信道，即使RIS-UE 之间的信道为富散射高秩信道，基站-RIS-UE 级联信道的秩仍然受限于基站-RIS 之间的信道[17]，因此如何增加基站-RIS-UE 级联信道的秩是RIS 部署需要解决的另一大问题。最后，不同的通信场景需要不同的部署策略，因此需要根据实际通信需求进行RIS 的相关部署，此外还需要考虑RIS 的部署位置、部署密度、部署成本与系统性能提升之间的平衡问题[18]。

1.3 中继、NCR与RIS的比较

本节主要从硬件设计、运行机制、运行频率、通信双工模式、传输透明度和能力等几个方面比较中继、NCR和RIS 的异同，如表1 所示。在硬件设计方面，与中继和NCR 不同，RIS 对射频（RF,Radio Frequency）链路不受限制（即可能具有RF 链路也可能不具有RF 链路）；运行机制来说，中继能够发射和接收信号，NCR 只能接收信号，而RIS 则具有更多模式，如反射、折射、吸收、方向散射、发射和接收等；中继和NCR 均既可以工作在低频段，也可以工作在高频段，而RIS 不仅能工作在上述频段，还在太赫兹频段和非授权频段有一定的应用前景；在双工模式方面，中继只支持全双工模式，而NCR 和RIS 均可以支持全双工和半双工模式；网络侧和用户侧均可见中继，NCR 对用户侧是透明的，而RIS 则存在透明、半透明和非透明三种形式；在能力方面，中继具有一定的数据处理能力，而NCR 和RIS（包括主动式和混合式RIS）只具有数据和波束转发的能力。

表1 中继器、NCR和RIS的比较

2 工作模式

由于RIS 以多种方式部署的特性（如静态、半动态、动态），RIS 共具有以下五种工作模式，即：网络控制RIS、网络辅助RIS、单独RIS、基站控制RIS 和UE 控制RIS，如图4 所示。接下来将分别介绍各种工作模式的主要原理及各种工作模式需要具备的能力。

图4 RIS工作模式示意图

（1）网络控制RIS：网络控制和配置RIS 的控制信息来自于其从UE 和RIS 收集的信息。“RIS 控制器”也可以从UE 和RIS 本身收集数据，并将收集的数据提供给网络。

（2）网络辅助RIS：网络向“RIS 控制器”提供一定的反馈或辅助信息。“RIS 控制器”基于从UE 和RIS 本身收集的信息以及从网络处获得的辅助信息来配置RIS。

（3）单独RIS：“RIS 控制器”根据从UE 和RIS本身收集的信息来确定用于控制和配置RIS 的控制信息。

（4）基站控制RIS：网络授权基站（gNB，gNodeB）在特定的工作频率范围配置RIS，gNB 确定控制信息，并将控制信息发送给“RIS 控制器”。

（5）UE 控制RIS：网络授权UE 在授权频段和非授权频段的特定频率范围内配置RIS，UE 确定控制信息，并将控制信息发送给“RIS 控制器”。UE 可以预先配置RIS 或通过“RIS 控制器”进行（重新）配置。

3 标准化影响

从第2 节表1 中RIS 和NCR 的对比不难发现，两者在架构与功能上有很多相似之处，例如均具有控制模块和转发模块。在本节中，首先详细介绍3GPP 在NCR 相关项目进行的研究。2021 年12 月，3GPP 无线接入网（RAN,Radio Access Network）RAN 94 次会议上立项NCR SI；次年9 月份，3GPP RAN 97 次会议上NCR WI 立项，标志着正式启动NCR 标准化相关研究工作。2023 年2 月份，NCR 的RAN1 相关工作已经基本完成。RP-223505[19]从以下几个方面明确规定了NCR 的研究目标：

（1）NCR 是带内RF 中继器，其主要基于TR38.867[20]中的NCR 模型扩展FR1 和FR2 频带上的网络覆盖；

（2）仅适用于单跳；

（3）NCR 对UE 是透明的；

（4）NCR 可以同时维护gNB-NCR 链路和NCR-UE链路。

此外，基于上述研究目标，NCR 将引入以下特性：

（1）标准化用于控制“NCR-转发（NCR-Fwd,NCR-Forwarding）的控制信息的信令，包括波束成形、上行-下行时分双工（Uplink-Downlink Time-division Duplex,UL-DL TDD）、开-关（ON-OFF）信息等；

（2）标准化控制平面信令和流程，包括控制信息指示的信令配置；

（3）标准化NCR 管理的解决方案（即NCR 的识别和授权/ 验证）。

因此，作为NCR 技术的演进，RIS 标准化的相关研究应该关注以下几个方面：

（1）在部署频段方面，需要同时考虑低频段和高频段；初始阶段应该只考虑基站控制RIS，随着研究深入，可以进一步延伸到UE 控制RIS 和网络控制RIS；以反射模式为基础，并进一步延伸到折射模式和吸收模式；

（2）在典型应用场景方面，以增强小区边缘用户的覆盖性能为基础场景，并逐渐延伸到新型的应用场景，如高精度定位、卫星通信等。

接下来，分别从物理层和高层两个方面阐述RIS 部署在网络中潜在的未来网络标准化的影响。

3.1 物理层潜在标准化方向

当前通信系统中定义的控制信息，如波束及波束管理等，均基于发射和接收波束配对来实现，因此在传统的通信系统中引入RIS，不仅需要在现有的控制信息上进行增强，也需要引入新的控制信息以确保提升整个通信系统的可靠性和有效性。本节主要从控制信息、控制信令设计、信道测量和反馈等三个方面详细阐述RIS 可能引入的物理层方面的标准影响。

（1）控制信息

与NCR 类似，在RIS 辅助无线网络场景下，通信网络的控制信息可能包含空间信息、UL/DL TDD 配置信息、时间信息、ON/OFF 信息等。此外，还可能包含运行模式指示，反馈信息和控制模式指示等信息，各类控制信息的详细总结如表2 所示。

表2 RIS辅助通信网络的控制信息汇总

（2）控制信令设计

就控制信令的协议结构而言，由于RIS 可以由网络或者UE 等多个节点控制，因此将从控制信令的协议结构和信道结构两个方面详细介绍不同节点控制下的RIS 对标准化的影响。

1）网络控制的RIS：在5G NR 网络中，基站分为两部分：集中单元（CU,Centralized Unit）和分布单元（DU,Distributed Unit），其中DU 负责发送和接收信号。如果RIS 由网络控制，则DU 可以通过TS 38.300 中规定的Uu 接口或专用接口发送控制信号[21]。TS 38.300 中列出的Uu 接口的现有信道结构可以被重用，例如物理下行控制信道（PDCCH,Physical Downlink Control Channel）以动态方式可以携带一个或多个RIS 的控制信息，物理下行共享信道（PDSCH,Physical Downlink Shared Channel）用于半/ 静态控制信息配置，此外可能需要高层辅助完成相关配置。

2）UE 控制的RIS：对于UE 控制的RIS，可以通过传统的Uu/PC-5 接口或者专用接口来发送控制信号。TS 38.300中定义的Uu 接口和PC-5 接口的信道结构可以重用[21]。

（3）信道测量与反馈

基于RIS 的不同应用场景，归纳起来有三种类型的信道：

1）RIS-BS 信道是半静态的，而RIS-UE 信道是动态的（UE 移动性引起）；

2）RIS-BS信道是动态的，而RIS-UE信道是半静态的（例如RIS 部署在车辆顶端为车内用户提供无缝覆盖的场景）；

族长是一位年过半百的老妪，头戴一顶白羽头冠，身披白色羽毛大氅，眉宇间透着一股刚毅和凛冽。这位顽固的首领，在听说青辰要为女子施行割礼之后，及时地将他们拦在了天葬场外。

3）RIS-BS 信道和RIS-UE 信道都是动态的（例如RIS 部署在无人机上并且可以移动的场景）。

信道测量和反馈取决于RIS 的特性。如果RIS 不能执行信道测量，则需要优化和配置RIS 系数，从而通过BS 或UE 发送的参考信号来测量和反馈级联信道（BS-RIS和RIS-UE）。例如，通过在不同方向上反射的不同参考信号波束之间切换，可以选择服务于UE 的最佳波束。当BS 和UE 之间存在直连链路时，通过RIS 的ON/OFF 控制信息，可以实现将RIS 级联链路与直连链路相分离，即RIS 在OFF 状态时仅测量直连信道，RIS 在ON 状态时测量级联和直连链路信道之和，将直连和级联链路信道之和减去直连信道，即可得到RIS 相关的级联信道。若RIS 能够执行信道测量，其可以分别测量BS-RIS、RIS-UE 和BS-RIS-UE 等三段信道，并将测量结果反馈给BS 以获得单独/分离的信道。因此，在动态场景中，若RIS 拥有执行信道测量的能力，便可分别得到每条链路的信道。

3.2 高层潜在标准化方向

从高层角度来说，引入RIS 可能需要增强控制信息的交换、配置、测量和报告流程。由于多种类型RIS 的存在，因此可能需要RIS 和控制节点之间交换控制信息，包括RIS 运行模式、RIS 能力信息等。在RIS 辅助的定位和通感一体化场景中，需要增强测量配置与测量上报流程以辅助网络完成RIS 选择。下面将分别从干扰管理、RIS 辅助定位和RIS 控制节点切换等三个方面详细阐述部署RIS 带来的标准化影响。

（1）干扰管理

RIS 的一个典型场景为覆盖增强场景，在该场景下，RIS 部署在小区中以提升其边缘用户的通信质量。由于RIS 的器件特性，其器件在一定的频段范围内均会有响应。因此，在给定电压条件下，不同频段上的RIS 反射方向不同，从而导致干扰问题，即：在一个小区中部署RIS可能导致相邻小区的干扰，从而降低相邻小区中UE 的通信质量。尽管RIS 是一种很有前途的增强小区边缘用户覆盖的技术，但在B5G 或6G 网络中，当相邻小区边缘用户的接收功率不能满足服务质量要求时，如何在基站之间进行干扰协调和管理以提高邻小区用户的接收功率是后续标准化研究的重点内容。

（2）RIS 辅助定位

目前3GPP 对定位技术的研究中，毫米波和太赫兹以高可用带宽的优势为提升定位精度带来了希望。然而，由于毫米波和太赫兹波长短，信号可能被障碍物阻挡，增加非视线径，因此可能会降低定位精度。RIS 被认为是将非视距变为视距的一项关键技术，其能够主动为无线通信系统定制无线电环境的特性展示了其在定位场景中的优势。与部署基站相比，部署RIS 更灵活、成本更低。在RIS 的辅助下，通信网络可以获得更高的空间分辨率和定位精度。尽管RIS 是一种很有前途的提高无线网络定位精度的技术，但在RIS 辅助定位中UE 如何区分直接来自基站的PRS 和经过RIS 传输的PRS 是个亟需解决的问题。此外，RIS 辅助定位场景中也需要增强测量上报流程，以保证定位结果计算实体能明确知道所得到的测量结果来自基站、UE 或者RIS，及每个测量结果对应的基站、UE 或者RIS 的位置信息。

（3）RIS 控制节点切换

在未来的无线网络中，RIS 很可能并不只是固定到墙上或者玻璃上，也有可能部署在车上，如汽车或者高铁，为高速移动的UE 提供高质量的通信。在未来的网络中，当控制节点与RIS 之间的控制链路质量低于预配置阈值时，可能需要更改控制节点以保证当前用户的通信需求。因此，在该场景中，可从以下两个方面对现有切换信令进行优化，即：控制节点切换的触发条件和新控制节点的选择方法。

4 结束语

本文浅谈了智能超表面及其在无线网络中应用对标准化的影响。首先详细阐述了RIS 的运行模式、典型部署场景及RIS 部署存在的问题，并进一步总结了其与中继、NCR 等网络节点的异同；之后介绍了RIS 五种工作模式的原理与区别；最后分别从物理层和高层两个方面阐述了引入RIS 潜在的标准化方面的影响，对未来3GPP RAN 的标准化研究具有指导意义。