6G网络智能超表面技术探索*

李贝，刘秋妍**，狄子翔，李福昌，程新洲，郭熹，刘光海，李鸣杰

（1.中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048；2.中国联合网络通信有限公司嘉兴市分公司，浙江 嘉兴 314000）

0 引言

《国务院关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》聚焦2030 年前碳达峰目标，要求“加强新型基础设施用能管理”，为国家“双碳”战略实施提供了宏观指导，也对信息通信行业提出新的更高要求。通信运营商在绿色节能道路上不断探索，随着通信技术的不断演进，网络设备能耗不断，网络业务需求纷繁多样，人工智能等技术不断融合发展，智能超表面（RIS,Reconfigurable Intelligent Surface）技术可以对空间电磁波进行主动的智能调控，提高频谱和能源利用率，另外智能超表面技术的工作模式主要以无源发射、吸收、透射模式为主，智能超表面材料在绿色节能、硬件设计复杂度等方面具有较大优势，可降低网络运营维护成本，成为未来网络的候选关键技术之一。

1 智能超表面技术原理

1.1 发展历程

1999 年，D.F.SIEVENPIPER 教授提出的蘑菇型结构高阻抗表面，这是最早的人工电磁表面（即超表面）。之后2014 年，东南大学崔铁军教授团队提出了“数字编码与可编程超材料/超表面”的概念，创新性地利用二进制编码的形式来表征超表面。2016年，杨帆教授及其课题组首次提出了“界面电磁学”，旨在分析超表面电磁特性，指导各种电磁表面的设计与优化。2017 年，崔铁军教授团队提出了“信息超材料/超表面”的概念体系。近年来，RIS 技术突飞猛进的发展，2020 年6 月，IMT-2030推进组无线技术组成立了“RIS任务组”。2022年4月，智能超表面技术联盟（RISTA）正式成立[1]。

1.2 RIS简介

RIS 技术由一种基于超材料的技术发展而来，智能超表面硬件架构包含智能超表面阵列、馈电系统、控制系统。智能超表面阵列由多个智能超表面单元组成，智能反射单元均能独立改变入射信号的振幅、相位等来实现对无线传播信道的主动智能调控。如图1 所示，终端的接收信号r=s×w×n0，其中s为基站发送信号，w为信道衰减因子，n0为方差为σ2的加性高斯噪声，H为基站与RIS 之间的路径，g为RIS 与终端之间的路径，这两个路径的信道矩阵取决于RIS 的性能[2]。如果障碍物阻挡了基站和终端之间的直接路径，RIS 的反射可以为信号传输提供替代的路径，可以利用外部控制器来控制RIS 的反射特性。

RIS 技术按照技术成熟度包含可重配置能力、智能化程度、超材料表面设计与制造工艺共三个维度，可重配置能力是指超材料表面反射、透射等电磁特性的可重配置能力，智能化程度指控制电路依据无线环境时变特性和业务需求对超材料表面控制的智能化程度，RIS 可以对空间电磁波进行主动的智能调控，使得无线环境有利于信号的传输，提高频谱和能源利用率[3]；超材料表面设计与制造工艺是面向不同工作频段，智能超表面材料在绿色节能、硬件设计复杂度等方面具有较大优势，可降低网络运营维护成本。

RIS 技术按照结构可以分为被动RIS 和主动RIS[4]，如图2 所示。被动RIS 由多个无源反射元件组成，通过优化反射单元的相移来调整入射信号的角度。被动RIS优点是没有发射、接收射频链，可以在没有天线噪声放大和自干扰的情况下执行全双工模式，通过调整所有反射单元的相移达到增强接收端信号功率、抑制干扰信号，实现了更低的硬件成本和能耗，缺点是被动RIS 没有信号处理和放大的能力、性能上受到RIS 反射信道的限制；主动RIS 由多个有源反射元件组成，将反射型放大器集成到其反射元件中，以放大的方式主动地反射入射信号。主动RIS 的优点是与被动RIS 一样可以实现可调相移，在全双工模式下对入射信号进行振幅放大，还可以进一步放大反射信号，与将射频链连接到天线的有源继电器相比，主动RIS 不需要昂贵且耗电量大的射频链组件，但缺点是其硬件和能源成本略高于被动RIS。

图2 典型RIS结构

2 应用场景

在无线通信中，发射机与接收机之间理想的进行直线传播，λ表示自由空间波长，菲涅耳区是在收发天线之间由电波的直线路径与折线路径的行程差为n×λ/2 的反射点形成的、以收发天线位置为焦点，以直线路径为轴的椭球面。其中n=1 的区域称为第一菲涅耳区[6]，在该区域内没有遮挡物对无线电造成遮挡，如果有遮挡物，则信号强度会明显下降，这就出现了视距（LOS,Line of Sight）、非视距（NLOS,Non Line of Sight）传输，LOS 指发射和接收端无遮挡时传输，NLOS 指发射和接收端有遮挡时传输，此时存在信号衰减、发射、衍射和穿透损耗。菲涅耳区的大小取决于无线电波的频率、收发端之间距离和发射天线的性能等因素。

在辅助移动通信网络组网方面，业内已对RIS 在现有网络的典型场景中应用进行了研究，以RIS 在高铁覆盖场景中应用为例，申瑜等阐述了RIS 的引入可以在对2.1 GHz频段下为高铁的高架桥5G-R 系统带来最大8.52 dB、平均3.91 dB 的信号增益[8]，单馨漪等阐述了RIS 的引入可以在对2.1 GHz 频段下为高铁的车站场景5G-R 系统带来最大8.1 dB、平均4.63 dB 的信号增益，为高铁通信场景5G-R系统的设计提供了新思路[9]；奚韬等提出了在距离基站10 m的高铁轨旁布置一个RIS 或者将RIS 附在高铁车窗之上，其装备有N个能够调整反射波相位的可重构天线单元。通过RIS 辅助高铁空间调制（SM,Spatial Modulation）来解决目前存在的多普勒频移和容易受未知干扰的问题[10]；赵亚军等进一步总结了高铁上RIS 的部署包含铁路沿线、车厢顶部、车窗玻璃、车厢内壁四种部署方式[11]，上述研究均拓展了RIS 在网络中应用中的思路和解决方案，基于上述研究，提出了RIS 常用的典型应用场景如下，智能超表面既可以部署在收发端侧或者信道侧，在基站侧，智能超表面还可以用于改善AAU 设计；在收发端侧，智能超表面可应用于简化收发信机设计，基于数字编码超表面的发射机将信源比特映射成智能超表面控制信号，调控智能超表面对入射波的电磁响应，可实现FSK、PSK、QAM 调制收发信机[7]，动态调控电波传播方向和谐波能量分布，简化收发信机架构，降低设备功率消耗，如图3 所示。在信道侧，可以主动改善信道传播环境、增强有用信号等。

图3 基于数字编码超表面的收发射机框图[7]

（1）室外覆盖空洞场景，在非视距传输场景，增加反射径，形成虚拟视距；

（2）室外覆盖室内场景，低楼层非视距场景，增加反射径，提升深度覆盖；

（3）边缘覆盖增强场景，提升服务小区边缘接收功率，抑制邻区干扰；

（4）高铁覆盖场景，可以分别在铁路沿线、车厢顶部部署RIS，也可以在车窗玻璃部署透射型RIS、车厢内壁部署RIS，如图4（a）。车窗玻璃部署透射型RIS 使RIS 接收基站信号并透射到车厢内；

图4 RIS典型场景举例

（5）热点多流增强场景，在视距传输场景，增加反射径，从而形成多流，如图4（b）所示；

（6）透射型室外覆盖室内场景，透射型RIS 部署在建筑物玻璃表面，RIS 接收信号并透射到室内。

3 研究现状

3.1 仿真验证

为了贴近实际应用，假设远场通信（指远距离无线通信），即发射机距离RIS 较远时，天线发射的球面波到达RIS 时视为平面波，这种情况下，发射机称为在RIS 的远场。本文指发射源距离天线λ/2π 以外，用dtn表示基站与第n个RIS 元件之间的距离，drn表示终端与第n个RIS反射单元之间的距离，这里远距离无线通信指dtn和drn大于λ/2π 毫米波的RIS 场景，使用大规模阵列来模拟智能反射面的探针馈电的微带贴片元件，即用无限数组中的单个元素来模拟反射单元中的探针馈电的微带贴片元件。

RIS 由n个反射单元组成并部署在笛卡尔坐标系的y-z平面上，默认的反射器天线使用偶极天线作为激励器，馈电点在激励器上，偶极子平行于反射器单元。假设RIS的左下角与坐标系的原点重合，可以将RIS 模拟成均匀的平面阵列，该阵列有Nh行和Nv列，每个反射单元的面积为Au可以用式(1) 表示，其中Dh、Dv分别表示该反射单元水平、垂直方向上的元素间距，第n个RIS 反射单元的增益用Gu表示，该反射单元归一化功率辐射图为F(θ、φ)，其中θ、φ分别表示天馈的下倾角和方位角，用分别表示RIS 到基站、RIS 到终端的归一化功率辐射图。

第n个RIS 反射单元的复数反射系数用Rn表示，其中，n=1,…N。RIS 的反射系数由朝向和来自RIS 的信号的方向和极化，以及RIS 的材料特性和几何形状。

终端的接收信号r=s×w+n0，其中s为基站发送信号，w为信道衰减因子，n0为方差为σ2的加性高斯噪声，RIS场景下接收信号可以用式(2) 表示[12-13]：

以工作频段为27 GHz 的入射波为例，对远场通信RIS 辐射单元进行仿真，采用周期结构的格林函数来进行无限阵列建模，假设发射机天馈的方位角45°、下倾角为0°，发射机的径向距离（直径方向的距离）是波长的100 倍来满足远场通信的标准，如图5 所示，红色feed 点为馈电点，PEC 指反射器的接地平面，接地面规定了反射单元的边界。

图5 可视化远场通信大规模RIS的仿真[13]

3.2 基于原型样机的RIS实地测试

为了对RIS 实际性能进行分析，搭建室内办公室、室外两种环境进行RIS 原型样机测试，基站中心频率为27 GHz、带宽为400 MHz、发射功率为23 dBm、天线增益为26 dBi、收发模式为4 发4 收（4T4R），基站天线下倾角室内/室外为0/5 度，基站天线到地面高度为1.2 m，终端收发模式为2发2 收（2T2R）、增益为11 dBm。室内办公室RIS 试验部署如图6 所示，室内基站位于室内中央，到 RIS1、RIS2、RIS3的距离分别为2.3 m、4.2 m、3.6 m；RIS 中心频率为27 GHz、双极化、波长为11.1 nm、采用相位改变 180°的1-bit 移相器，可控的RIS 单元数量为112 行×112 列共12 544 个单元的阵列，每块RIS 均平行放置、RIS 采用固定波束，室外选取NLOS 区域，室外基站天线到RIS 中心点的距离为20 m。

图6 室内办公室RIS试验部署

对不同位置UE 的感知进行多轮随机定点测试分析，以1、2 点位置为例进行覆盖强度和下载速率的测试分析，图7 为室内办公室RIS 定点测试图，当RIS 采用固定波束时，UE1、UE2 较无RIS 相比覆盖增益最高可达11.25 dB，下行流量增益最高可达 227.95 Mbps。图8 为室外覆盖RIS顶点测试图。

图7 室内办公室RIS定点测试

图8 室外覆盖RIS定点测试

4 挑战与展望

RIS 可以实现辅助多小区网络、数能同传（SWIPT,Simultaneous Wireless Information and Power Transfer）网络、物理层安全（PLS,Physical Layer Security）网络、移动边缘计算（MEC,Mobile Edge Computing）网络、认知无线电（CR,Cognitive Radio）网络、毫米波（mmWave）通信系统等[14]。以辅助毫米波通信系统为例，毫米波具有高频段、波长短、带宽大、数据传输速率高等特点，所面临严重的路径损耗问题可以利用大规模天线阵列得到缓解，然而毫米波传播容易被障碍物遮挡，因此可以通过在合理位置部署RIS 来构建辅助信号传输。

随着技术不断演进，智能反射面技术有望与MIMO、MEC 等技术做如下方面融合发展取得新的突破，举例如下。

第一，RIS 与电磁波轨道角动量的融合。根据经典电动力学理论，电磁辐射还可以携带角动量。电磁波轨道角动量是角动量的一种，携带有电磁波轨道角动量的电磁波也被称为涡旋电磁波，它有多种生成方式，基于智能超表面的涡旋电磁场的生成方法是其中的一种[15]，例如通过智能超表面，可以产生双频段多模态涡旋电磁波。

第二，RIS 与通信感知一体化融合。通信感知一体化（ISAC,Integrated Sensing and Communication）是通信和感知两个功能的跨域融合技术，使未来的通信系统同时具有通信、感知两个功能，例如通过优化智能超表面的反射性能提高通信链路质量，按需动态提供波束赋形增益，还可以在同等条件下使系统具备较大天线孔径的优势和较高的定位精度，实现高精度感知定位能力[16-17]。

在RIS 的不断发展中，业内也研究并提出了现有RIS系统存在的不足.而对于解决这些问题，展望了未来的可研究方向。

（1）器件的设计和建模理论，以及理论到实践转化。智能表面器件单元的设计需要符合通信系统需求，从器件材料选取、器件结构两个方向来设计[18]。合理高效的器件单元的信号响应模型是智能表面设备性能评估的基础，另外现有的大多数RIS 研究和在无线物理层的应用尚且在理论分析和仿真验证，需进一步进行实践应用。

（2）信道测量和反馈机制。智能表面由大量的器件单元构成，没有射频和基带处理能力，所以基站无法分别获得基站到智能表面、智能表面到终端的信道信息[19-20]，因此基于智能表面的通信系统需要一个高效的信道测量机制。

（3）考虑RIS 的材料和制造过程。NASSERDDINE V 提出对于30 GHz 以上的高频段，变容二极管的品质因数较差[21]，基于PIN 二极管的设计通过串联电阻限流在保障增益的同时降低了RIS 板的功耗[22]。JIANG T 等提出了RIS 单元数增加带来接收端的信号强度的提升[21,23-24]。RIS性能依赖于物理材料和制造过程，因此需要考虑这些过程以便更准确地指导RIS 的优化，助力无线通信发展[25]。

5 结束语

本文对智能超表面技术进行深入剖析，对RIS 在高铁覆盖场景、热点多流增强场景等应用场景进行了探索，智能超表面既可以部署在收发端侧或者信道侧，来实现改善AAU 和收发信机设计，降低设备功率消耗，主动改善信道传播环境、增强有用信号等效果；接着对RIS 方案进行了验证，较无RIS 网络覆盖，RIS 覆盖、下行流量均获得明显增益。同时也看到RIS 技术在研发和应用中存在材料、制作等限制，随着通信技术的不断演进，建议形成RIS 产业链促进该技术的发展和应用。