智能超表面技術(shù)5G化演進探討

劉秋妍，李福昌，張忠皓，呂 軒，李佳?。?中國聯(lián)通研究院，北京 00048；.中國聯(lián)通北京分公司，北京 000；.聯(lián)通華盛通信有限公司，北京 000）

1 移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

隨著5G商用網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；ㄔO(shè)的逐步加速，其對社會和生產(chǎn)所帶來的改變逐步明顯。大帶寬、低時延、大連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量正在不斷催生出移動用戶在社會活動和生活體驗方面更深層次的改變。未來6G時代，人類將更加注重滿足生活、環(huán)境和精神層面等各方面要求，6G將會向智能移動通信2.0階段邁進，進而推動人類社會從“萬物互聯(lián)”演變?yōu)椤叭f智互聯(lián)”，形成真正意義上的智慧互聯(lián)時代［1-3］。

為了應(yīng)對未來6G 網(wǎng)絡(luò)全息通信、感知互聯(lián)、智慧車聯(lián)、工業(yè)互聯(lián)、空天一體等全域業(yè)務(wù)需求，如圖1 所示，6G 時代的移動通信網(wǎng)絡(luò)不僅需要在5G/5G -Ad?vanced網(wǎng)絡(luò)能力基礎(chǔ)上進一步增強大帶寬、低時延、泛在接入等CT域能力，還需要顯著提升IT域能力，6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在繼承5G/5G-Advanced 核心網(wǎng)資源池化和架構(gòu)服務(wù)化的基礎(chǔ)上，進一步增加服務(wù)面向需求的彈性適配能力，通過更普及的算網(wǎng)一體部署將人工智能、安全可信等IT 能力由外掛輔助式轉(zhuǎn)化為內(nèi)嵌式，支撐6G 網(wǎng)絡(luò)成為一張彈性開放、內(nèi)生智能、算網(wǎng)一體、數(shù)字孿生、綠色節(jié)能和安全可信的新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)。為了支撐未來業(yè)務(wù)需求演進，6G 技術(shù)研究在新頻率、新材料、新空口、新架構(gòu)、新能力方面持續(xù)創(chuàng)新，產(chǎn)生了眾多6G潛在使能技術(shù)。

2 6G技術(shù)5G化演進的必要性與可行性分析

2.1 6G技術(shù)5G化演進的必要性分析

當(dāng)前處于6G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展研究的初期，對于6G 業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)探討剛剛開始，距離初步達成一致還需要一段時間。對于6G 使能技術(shù)還處于開放式的探討中，普遍存在技術(shù)需求場景不明確，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備耦合度、標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，原型系統(tǒng)測試驗證更多的是從獨立的技術(shù)本身出發(fā)，尚未考慮技術(shù)之間的影響和系統(tǒng)性的關(guān)聯(lián)分析［4］。

6G 技術(shù)5G 化演進就是在5G 網(wǎng)絡(luò)演進的過程中，不斷引入面向5G 網(wǎng)絡(luò)需求基于6G 技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)研發(fā)、內(nèi)外場功能驗證與性能測試以及應(yīng)用試點與示范推廣。一方面，通過6G預(yù)研創(chuàng)新引入新的技術(shù)方案以解決現(xiàn)階段5G 規(guī)模化商用網(wǎng)絡(luò)向5G-Ad?vanced 網(wǎng)絡(luò)演進過程中遇到的網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、擴容等一系列實際問題。另一方面，5G/5G -Advanced 網(wǎng)絡(luò)能夠為較為成熟的6G 技術(shù)提供先試先用的實際需求和與現(xiàn)網(wǎng)深度融合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能夠為尚不成熟的6G技術(shù)提供大量試錯優(yōu)化的測試驗證機會，可以預(yù)見到從當(dāng)前時間節(jié)點到6G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成標(biāo)準(zhǔn)化這個時間段，會經(jīng)歷多次迭代式或者螺旋上升式的分析過程。

2.2 6G技術(shù)5G化演進的可行性分析

在代際技術(shù)的發(fā)展歷程中，可以發(fā)現(xiàn)，由于歷史淵源、功能定位、技術(shù)特性以及影響范圍等原因，部分技術(shù)具備先試先用的條件。第1類是已有研究基礎(chǔ)的技術(shù)（Basic 類），這類技術(shù)在5G 階段或更早期已經(jīng)開展過初期技術(shù)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)，比如在5G階段就已經(jīng)有較為完善研究體系的毫米波技術(shù)、動態(tài)頻譜共享技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)等。第2 類是與底層協(xié)議關(guān)聯(lián)度較低的技術(shù)（Upper Layer 類），這類技術(shù)對移動通信系統(tǒng)的影響通常位于較高協(xié)議層，而與底層的信號波形、調(diào)制編碼格式、幀結(jié)構(gòu)等技術(shù)體制關(guān)聯(lián)度不高。第3類是與現(xiàn)有系統(tǒng)可松耦合（Loose Coupling）的技術(shù)，這類技術(shù)通常通過異構(gòu)融合技術(shù)或異構(gòu)融合設(shè)備與現(xiàn)有系統(tǒng)松耦合。還有一類技術(shù)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響本地化特征明顯或者可以只局限在某一個較小可控的范圍里（Local），通過局部改造、模塊化或插件式升級即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力升級。綜上所述，可以將具備5G 化演進的四大類6G 技術(shù)特征簡稱“BULL”準(zhǔn)則，如圖2所示。

3 智能超表面技術(shù)5G化演進必要性與可行性

3.1 智能超表面技術(shù)原理

智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）技術(shù)是一種基于超材料發(fā)展起來的新技術(shù)，也可以看作是超材料在移動通信領(lǐng)域的跨學(xué)科應(yīng)用。智能超表面系統(tǒng)主要由智能超表面輻射結(jié)構(gòu)、饋電系統(tǒng)、波控網(wǎng)絡(luò)等部件構(gòu)成。一個智能超表面陣列由大量半波長微結(jié)構(gòu)智能超表面單元組成，其電磁特性由智能超材料單元的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸大小和排列方式?jīng)Q定。饋電系統(tǒng)可采用遠場空間饋電和分布式饋電2種饋電方式。遠場空間饋電系統(tǒng)采用喇叭饋源照射的方式，其結(jié)構(gòu)簡單，饋電插損低，效率高，但系統(tǒng)體系較大，因此通常用于基于智能超表面的收發(fā)信機設(shè)計等典型應(yīng)用場景。分布式饋電系統(tǒng)則將整個天線陣面劃分為多個子陣區(qū)域，每個區(qū)域由1 套子陣饋電系統(tǒng)提供信號饋電，最后利用功分網(wǎng)絡(luò)模擬合成或信號處理數(shù)字合成的方式，獲得整個天線陣面的電磁信號。該饋電方式可顯著降低天線的剖面高度，提高天線系統(tǒng)的功率容量，改善天線的平面共形性能，系統(tǒng)體積較小，通常用于覆蓋補盲、多流增速等智能超表面典型應(yīng)用場景。例如，通過可編程控制電路可以動態(tài)獨立控制每個智能超材料單元的電磁性質(zhì)，例如通過基于可編程邏輯門（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的控制電路調(diào)整施加在變?nèi)荻O管上的電壓或光敏元件上的光照強度，進而實時調(diào)控電磁信號經(jīng)過智能超表面后反射信號或透射信號的幅度、相位、頻率甚至極化特性，實現(xiàn)高效高增益平面聚焦、大角度快速波束掃描/切換、靈活波束形成等高增益、高動態(tài)的輻射性能［5-9］。近年來，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也針對RIS原型系統(tǒng)的增益進行了實驗和驗證［10-14］。

圖3給出了智能超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 智能超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 智能超表面5G化演進必要性分析

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化商用部署的日益推進，5G 網(wǎng)絡(luò)精細化部署和6G 關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研需求日益提升。在現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，如何減少覆蓋盲區(qū)、提升用戶體驗質(zhì)量是向5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)演進的關(guān)鍵。未來6G網(wǎng)絡(luò)，受高頻信號電波特性影響，覆蓋盲區(qū)、半徑較小、成本加劇均是亟待解決的關(guān)鍵問題。智能超表面是由大量可編程的人工電磁單元排列組成，通過智能控制電路，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整電磁波在無線環(huán)境的傳播。RIS 技術(shù)通過編程控制電磁單元，實現(xiàn)三維空間內(nèi)無線信號傳播特性的智能化重構(gòu)，突破了傳統(tǒng)無線環(huán)境被動適應(yīng)的局限性。RIS 作為重要的基礎(chǔ)性創(chuàng)新技術(shù)方案，具有低成本、低功耗、易部署等商用前景，為保持我國無線通信新技術(shù)的全球領(lǐng)先提供一種自主創(chuàng)新的新方案。

RIS 技術(shù)成熟度可以分為R、I、S 3 個維度，R（Re?configurable）是超材料表面反射、透射等電磁特性的可重配置能力；I（Intelligent）指控制電路依據(jù)無線環(huán)境時變特性和業(yè)務(wù)需求對超材料表面控制的智能化程度；S（Surface）是面向不同工作頻段的超材料表面設(shè)計與制造工藝。目前，在S 和R 方面，智能超表面原型系統(tǒng)已經(jīng)具備初步的基礎(chǔ)能力，但是在超材料選型、超材料表面設(shè)計、控制電路設(shè)計等方面存在很多優(yōu)化問題。但是，在I 方面，基站、終端與超表面之間的信息交互是現(xiàn)階段制約RIS 技術(shù)智能化程度的關(guān)鍵，無源超表面只能被動地感知無線環(huán)境和定位終端，導(dǎo)致RIS 系統(tǒng)缺乏智能化感知控制所需的環(huán)境數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息，部分RIS 原型系統(tǒng)控制電路依賴預(yù)置碼本實現(xiàn)超表面有限程度的可編程控制，靈活實時感控一體的內(nèi)生智能能力有待進一步提升?？偟膩碚f，目前，超表面原型系統(tǒng)的初級能力已經(jīng)具備，但是尚需通過結(jié)合實際網(wǎng)絡(luò)需求發(fā)掘“殺手锏”應(yīng)用場景，亟需通過端到端系統(tǒng)級測試驗證，定義智能超表面設(shè)備與基站之間接口和空口協(xié)議，支持智能超表面設(shè)備基于信道估計信息的波束賦型策略動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)智能超表面設(shè)備與移動通信網(wǎng)絡(luò)的深度融合。

3.3 智能超表面技術(shù)5G化演進可行性分析

在技術(shù)基礎(chǔ)方面，在智能超表面技術(shù)被提出之前，超材料技術(shù)、界面電磁學(xué)理論、廣義斯涅爾定律（Generalized Snell′s law）［15］等相關(guān)理論技術(shù)均已有完善的理論基礎(chǔ)，基于移相器的相控陣系統(tǒng)設(shè)計和硬件設(shè)備也已在多種場景部署應(yīng)用。此外，智能超表面陣元設(shè)計主要與信號波長等射頻信號特征相關(guān)，與信號波形、調(diào)制編碼、幀結(jié)構(gòu)等絕大多數(shù)底層技術(shù)體制無關(guān)，智能超表面系統(tǒng)部署與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相關(guān)，可以通過異構(gòu)融合或帶外信息交互實現(xiàn)設(shè)備間的松耦合，并且對網(wǎng)絡(luò)的影響僅限于改變無線信道環(huán)境。因此，智能超表面技術(shù)滿足“BULL”原則，有技術(shù)基礎(chǔ)，與底層協(xié)議關(guān)聯(lián)度低，可與現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備松耦合，對網(wǎng)絡(luò)影響具有本地化的特點，具備6G 技術(shù)5G 化演進的技術(shù)基礎(chǔ)。在5G階段，通過設(shè)計Sub6G頻段亞波長的智能超表面系統(tǒng)，通過預(yù)配置、帶外傳輸?shù)饶Ｊ綄崿F(xiàn)智能超表面系統(tǒng)與現(xiàn)有基站和終端的初步融合，進而定義智能超表面與基站間接口、協(xié)議格式，以支持智能超表面對信道、干擾等無線環(huán)境的感知測探，實現(xiàn)智能超表面按需動態(tài)調(diào)控?zé)o線環(huán)境的高階能力。

4 結(jié)束語

本文在梳理5G/5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、擴容提速等網(wǎng)絡(luò)需求和6G 技術(shù)演進趨勢的基礎(chǔ)上，提出6G 技術(shù)5G 化演進的“BULL”原則，指出6G 技術(shù)在5G/5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)階段先試先用的必要性和可能性。通過6G 預(yù)研創(chuàng)新引入新的技術(shù)方案提升5G/5G-Ad?vanced網(wǎng)絡(luò)能力并利用5G/5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)為6G技術(shù)提供先試先用的實際需求和與現(xiàn)網(wǎng)深度融合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和試錯優(yōu)化的測試驗證機會。最后，基于“BULL”原則，分析智能超表面技術(shù)在5G/5G-Ad?vanced階段5G化演進的必要性與可行性。