可重构智能表面与网络控制中继器的性能比较

孙艺玮，顾琪，苏鑫，王菡凝，袁弋非

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

第六代无线通信（6G,sixth-generation wireless communications）描绘了“万物互联，数字孪生”的总体愿景[1]，这要求通信系统在各个方面对性能进行改进，包括更高的数据速率、海量的连接等。为了在6G 中实现这些要求，可重构智能表面（RIS,Reconfigurable Intelligent Surface）是最受欢迎的候选技术之一[2-3]。然而，为了找到RIS 成功标准化的路径，仍然需要从目前大规模商用的相近技术中吸取经验教训[4]。因此，RIS 与目前最新3GPP Release-18（R18）标准中的相近技术——网络控制中继器（NCR,Network Controlled Repeater）之间的比较是一个值得研究的问题。

RIS 是一种廉价的被动可控的无源反射振面，可以通过对反射振元数字编程来实现电磁波反射方向的控制，从而在有限的功耗下获得更理想的电磁传播环境[5]。RIS 具有包括多小区组网、无线携能通信、移动边缘计算、多播网络、保密通信系统和认知无线电等在内的广阔的应用前景[6]。然而，为了在通信系统中应用RIS，仍有包括非视距基站信号的传输、L 型场景下的盲区覆盖、毫米波室内通信以及5G 基站下的信号增强等问题亟待研究[7]。因此，学术界针对这些问题对RIS 展开了广泛的研究，包括波束赋形[8]、信道估计[9]、物理层安全[10]、用户分配[11]和资源优化[12]等。

由于RIS 在通信系统中经常扮演中继的角色，因此RIS 与传统中继的性能比较自然引起了研究人员的关注。文献[13]指出，要想在总发射功率和能效方面优于解码前向中继，需要RIS 的阵列规模足够大。而文献[14]则比较了RIS 与更一般形式的中继在速率和能效上的差异。文献[15]中还将RIS 与全双工/半双工中继进行了比较。在文献[16]中，作者比较了RIS 与智能中继器的容量和可靠性。

作为一种先进的中继，NCR 在学术界被广泛研究[17-18]，并在3GPP R18 中被标准化。NCR 是一种单跳固定带内射频中继器，用于覆盖频率范围1（FR1,Grequency Range 1）和频率范围2（FR2,Frequency Range 2）频段，对用户透明，可以同时维持gNB-中继器链路和中继器-用户链路[19]。需要说明的是，FR1 和FR2 频段是5G 移动技术的两个主要频率范围。FR1 通常指6 GHz 以下，而FR2 是通常所说的毫米波频段。学术界对RIS 与NCR 在各方面的对比进行了初步的研究[20-21]，其中文献[20]在链路层面比较了RIS 与NCR 的性能，而文献[21]侧重于城市场景下的覆盖。然而对于网络部署而言，RIS 与NCR 系统性能的比较更具有指导意义。RIS 与NCR 的系统性能亟待进一步的仿真评估。

因此，本文针对RIS 和NCR 分析了技术细节上的不同点，并建模仿真了两者的系统性能，根据性能对比为标准化及工程应用提供了参考。

1 RIS和NCR的技术比较

RIS 与NCR 在系统参数、工作模式、控制信令等细节方面都存在一定的差异。具体而言，RIS 与NCR 的技术比较见表1。首先，RIS 的元件数目远多于NCR 的有源元件数目，这表示RIS 的波束会比NCR 的更窄，指向性更高，在覆盖区域一定的情况下，势必会引入大量额外的波束资源，如何进行低开销的波束训练/扫描是RIS 相较于NCR 的增量研究之一。其次，NCR 的控制链路和回程链路是带内链路，共用射频模块；由于RIS 具有无源特性，可以考虑在RIS 控制和信号反射之间采用独立的射频，这样可以提供更多设计灵活性，简化控制链路，优化RIS 性能。再者，NCR 需要功率放大，对供电需求很大，节能方案效果不显著；而RIS仅需对控制模块供电，可以通过控制方案设计达到显著节能的效果。最后，NCR 的射频单元可以关断以停止转发；而RIS 无相位加载时可以进行镜面反射，因此可以进一步设计不同的开关策略。

表1 RIS与NCR技术对比表

NCR 是一种纯面向需求而生的技术，高频场景下覆盖增强就是它的初心，这已经决定了它的发展上限。NCR 的应用场景以及能够达到的性能，可以作为RIS 的一个可达下限，随着产业的发展，RIS 在覆盖增强之外还有更多可能性。

2 系统模型

本文考虑如图所示的中继辅助的无直射径的单发单收通信系统，其中图1（a）中继为RIS，图1（b）为NCR。本节将对本文考虑的系统模型（包括信号模型和信道模型）进行详细叙述。

图1 基站和移动台之间无直射径的中继辅助无线通信示意图

2.1 信号模型

2.2 信道模型

本文在系统级仿真中使用3GPP TR 38.901 中定义的最广泛使用的模型[22]用于信道建模。在实际户外场景中，中继通常部署在高于移动台的位置，可以将其视为远场假设中的节点。因此，本文考虑的中继辅助的无直射径的单发单收通信系统模型在路径损耗、天线极化、连续曲面不同位置的相位差等许多方面都与3GPP TR 38.901中的信道模型相似。为简化问题，基站-中继链路和中继-移动台链路都根据系统模型考虑视距路径。

3 链路预算

本文考虑参考信号接收功率（RSRP,Reference Signal Received Power）和信干噪比（SINR,Signal-to-Interference-and-Noise Ratio）作为系统性能指标的度量。为了计算这些度量，本文考虑了两种NCR 中继模式，即固定发射功率中继模式和固定增益中继模式。在固定发射功率中继模式下，NCR 增益可表示为：

RIS 和NCR 辅助系统的总接收噪声可表示为：

其中BS 到中继器的噪声和中继器到MS 的噪声可以写成：

其中，Frepeater和FMS是为噪声系数，B为以单位dB 计的带宽。则BS 到中继器的RSRP 为：

其中，PT,BS为BS 的发射功率（dB），LBS-repeater为基站到中继的耦合损耗（dB）。基站到移动台的RSRP 为：

中继到移动台的RSRP 为：

总RSRP 为：

因此，SINR 可以写作：

其中，IBS-MS为直接链路干扰，IadjBS-adjrepeater-MS为邻接小区基站-中继器链路的干扰，IadjBS-adjrepeater-BS为邻近基站对本地中继器的干扰，所有参数均为线性。

4 系统仿真

在本节研究了RIS 和NCR 辅助的通信系统在FR1 和FR2 下的系统级性能，主要包括RSRP 和SINR 性能。

本文采用的仿真平台为自主开发的基于C++的系统级仿真平台，该平台总共包含几百个类和数万行代码。该系统级仿真平台是基于目前已标准化的5G 系统仿真开发的，其中包含：

1）网络拓扑；

2）天线方向图；

3）大尺度与小尺度信道模型；

4）流量类型和业务负载模型；

5）信道测量与反馈过程；

6）资源调度和上行功率控制过程；

7）SINR 统计、吞吐量、时延、频谱效率等性能指标。

该仿真平台可完全支持各种物理层技术在3GPP 中的性能研究。

系统配置及参数如表2 所示：

表2 系统仿真参数及配置

4.1 FR1频段性能

本节比较RIS 和NCR 在FR1 波段下的RSRP 和SINR模拟结果。具体来说，本节考虑FR1 频段的典型2.6 GHz载波。在FR1 等低频波段，NCR 只放大信号而不进行波束赋形。但对于RIS 而言，反射特性会自然地将信号传输到特定的方向。性能对比见表3:

表3 RIS和NCR在FR1的性能比较

不同中继辅助系统在FR1 频段的累积分布函数（CDF,Cumulative Distribution Function）RSRP 如图2 所示。从图2 中可以看出，在全功率和固定40 dB 增益中继模式下，NCR 在RSRP 性能上都优于RIS。如表3 所示，固定40 dB 和30 dB 增益发射时，中继功率分别超过最大功率45%和9%。因此，可以观察到，当阵列元素数量增加时，在某些系统参数设置下，NCR 的RSRP 可以超过RIS，且RIS 的相对增益随RIS 阵列大小增大而增大。

图2 2.6 GHz时RSRP的CDF

不同中继器辅助系统在FR1 频段的SINR 性能如图3所示。从图3（a）可以看出，在表3 的参数设置下，RIS的SINR 性能始终优于NCR。这是因为NCR 不仅放大了信号功率，还放大了噪声和干扰，如图3（b）所示。因此可以观察到，RIS 的SINR 性能总是超过NCR，因为NCR 同时放大了噪声和干扰。

图3 载波频率为2.6 GHz时不同中继器辅助系统的SINR性能比较

4.2 FR2频段性能

本节比较RIS 和NCR 在FR2 波段下的RSRP 和SINR 仿真结果。具体来说，本节考虑FR2 频段的典型26 GHz 载波。在FR2 等高频波段，为了对抗路损需要对波束进行赋形设计。在仿真中，RIS 考虑针对用户的波束赋形方案，而NCR 考虑波束扫描的波束赋形方案。

不同中继器辅助系统在FR2 频段的RSRP 的CDF 如图4 所示。从图4 中可以看出，与FR1 频段相比，FR2频段NCR 的RSRP 性能下降。这是因为在仿真中，NCR采用的是波束扫描，无法实现精细对准。而另一方面，RIS 采用了预设的针对用户的波束赋形方案作为反射码本设计，可以实现精细对准。因此可以观察到，与NCR 相比，RIS 在波束对准方面可以更精确。

图4 26 GHz时RSRP的CDF

不同中继器辅助系统在FR2 频段的SINR 性能如图5所示。从图5（a）可以看出，NCR 的SINR 超过RIS。与图5（b）FR1 相比，图5（b）FR2 下RIS 和NCR 之间信号加噪声的性能差距缩小了。FR1 和FR2 的主要区别在于FR2 中考虑了波束赋形。因此，FR2 中NCR 的SINR 性能的提高是由于NCR 进行的波束扫描可以有效地降低不同用户间的干扰。

图5 载波频率为26 GHz时不同中继器辅助系统的SINR性能比较

5 结束语

本文将RIS 与其在3GPP R18 中最接近的技术——NCR 进行了比较。文章首先对RIS 和NCR 的技术细节逐条进行了详尽的分析。接着通过系统建模和仿真对RIS和NCR 的RSRP 及噪声性能进行了对比。对比发现：

1）NCR 面向高频场景下覆盖增强需求，其应用场景以及能够达到的性能可以作为RIS 的一个可达下限，因此RIS 在覆盖增强之外还有更多可能性。

2）在FR1，NCR 只放大信号，不进行波束赋形。在一定的系统参数设置下，NCR 的RSRP 可以超过RIS，并且随着阵列元数的增加，RIS 的相对增益可以得到提高。由于NCR 同时放大了噪声和干扰，RIS 的信噪比性能总是优于NCR。

3）在FR2，RIS 的RSRP 和SINR 性能均优于NCR，这是由于相较于NCR，RIS 可以更精确地进行波束对准。

因此，在未来的标准化工作及工程应用中，RIS 与NCR 的如下不同点值得注意：

1）RIS 由于其节能特性在部署和应用场景上比NCR 更为灵活。由于RIS 进行被动反射，因此可以与便携式电源一同部署。而另一方面，由于NCR 采用了大量的放大器，其性能高度依赖于足够的电源。因此，与RIS相比，NCR 的部署和应用可以有更多的约束。

2）相对于NCR，RIS 在协议架构和控制方式上更注重低功耗、低复杂度的设计。这也是由于RIS 的被动反射特性。其中的典型应用是半被动RIS，在波束训练阶段它接入电源，而训练完毕作为中继运行时只需要很少的电源供应。