可重構(gòu)智能超表面設(shè)計及其無線通信系統(tǒng)應(yīng)用

馬向進,韓家奇,樂舒瑤,田雨岑,陳斯龍， 李 龍

(西安電子科技大學(xué) 超高速電路設(shè)計與電磁兼容教育部重點實驗室，陜西 西安710071)

0 引言

萬物互聯(lián)的時代，通信容量增長迅速，無線連接設(shè)備隨處可見，實現(xiàn)全維度覆蓋的泛在智聯(lián)世界存在迫切解決的問題和挑戰(zhàn)。例如，所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)有很大提升，基站的增加大大提升了硬件開發(fā)成本以及維護的費用；此外高額系統(tǒng)功耗同樣也帶來能源的巨大消耗。頻譜逐漸向毫米波以及太赫茲發(fā)展，必然會需要更加昂貴的硬件設(shè)備，以及更加復(fù)雜的信號處理架構(gòu)。因此，如何降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時開發(fā)出具有可靠性強、通信容量大、成本低、功耗低的設(shè)備是當(dāng)今研發(fā)人員迫切需要解決的問題。近年來，隨著數(shù)字可編程智能超材料/超表面的發(fā)展，為解決這些難題提供了新的方法和途徑。

可重構(gòu)智能超表面(Reconfigurable Intelligent Metasurface,RIS) 是具有可編程特性的人工電磁超表面，可對空間電磁波的幅度、相位、極化以及頻率進行靈活調(diào)控。RIS具有低成本、低功耗、可調(diào)控、可靠性高等優(yōu)點，因而倍受學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的關(guān)注。將RIS部署在無線信號傳輸路徑中，一方面RIS可以被動地改善信道的散射條件，從而增強通信系統(tǒng)的復(fù)用增益[1]；另一方面，RIS可以主動對傳播路徑上的信號進行調(diào)控，有效消除信號盲區(qū)、增強接收信號、實現(xiàn)信道調(diào)控，從而提高通信傳輸性能[2]?，F(xiàn)階段RIS的研究熱點主要分為兩方面：一是高性能、高質(zhì)量的系統(tǒng)硬件樣機的設(shè)計與開發(fā)，二是RIS陣列的優(yōu)化算法和信道調(diào)控研究，前者為硬件層，后者為算法層。硬件方面，如文獻[3]研究利用低成本的無源中繼器來實現(xiàn)盲區(qū)的穿墻覆蓋。2008年，李龍等人[4-6]提出了頻率選擇反射天線陣作為無源中繼設(shè)備應(yīng)用于消除無線通信中的盲區(qū)，通過在固定位置架設(shè)無源反射陣，從而改變基站信號的傳輸路徑，實現(xiàn)基站信號非視距的傳輸覆蓋，有效減少了通信網(wǎng)絡(luò)的信號盲區(qū)。2011年，研究人員提出了一種由四元折疊貼片天線陣列、平面八木天線和功率合成器組成的準(zhǔn)平面無源中繼器，來提高多徑下的多輸入多輸出設(shè)備性能[7]。2017年，李雙德等人提出了一種具有普適用的路徑損耗模型，該模型可有效表征信道在視距 (LOS) 和非視距 (NLOS) 環(huán)境下的路徑損耗[8]。2019年，方遙等人利用反射陣作為無源中繼應(yīng)用于室內(nèi)L型走廊和T型走廊中，有效實現(xiàn)了毫米波頻段的室內(nèi)盲區(qū)覆蓋[9]。算法方面在文獻[10]中提到了一種關(guān)于通過優(yōu)化 RIS 相位矩陣和基站 (BS) 的最佳功率分配來最大化下行鏈路中的每焦耳能量效率。文獻[11]通過優(yōu)化 BS 處的發(fā)射波束和 RIS 處的相移矩陣，解決了 RIS 輔助多址網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路發(fā)射功率最小化問題。為了解決 RIS 輔助通信系統(tǒng)中頻譜效率的最大化問題，文獻[12]提出了通過優(yōu)化接入點的波束形成器和 RIS 相移來最大化頻譜效率。為了解決通信鏈路在非視距情況下性能衰減，文獻[13]提出繪制多個有用的系統(tǒng)級別，它可以通過提供額外的間接視距鏈接來提高作為通信鏈路障礙物的物體，如建筑物或樹木，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋概率。文獻[14]通過研究兩個用戶向一個接入點(AP)發(fā)送獨立消息的多接入信道(Multiple Access Channel,MAC)的容量區(qū)域，借助RIS，推導(dǎo)出集中式部署的容量外界和分布式部署的封閉容量區(qū)域。針對無線通信場景下的應(yīng)用，圍繞RIS的硬件系統(tǒng)設(shè)計，從理論、技術(shù)與應(yīng)用進行研究與探索。

1 智能超表面原理與設(shè)計

RIS 的硬件基礎(chǔ)為數(shù)字化可編程超表面，21世紀(jì)初，超材料技術(shù)逐漸從理論走向?qū)嶋H應(yīng)用。D.R.Smith等人通過調(diào)節(jié)開口諧振環(huán)和金屬細(xì)線陣列，從而獲得負(fù)折射率材料[15]，這一工作也被《Science》評為年度科技進展。在此基礎(chǔ)上為了克服超材料的體積大、損耗大、復(fù)雜度高等缺陷，超表面作為超材料的二維形式極大擴展了其應(yīng)用領(lǐng)域。2011年，Capasso 教授團隊提出廣義斯涅爾定律[16]，通過引入分界面梯度相位的概念，從而使得以超表面為媒介的電磁波調(diào)控及應(yīng)用得到了重要發(fā)展[17-18]。傳統(tǒng)模擬型的電磁超表面只能在特定狀態(tài)下實現(xiàn)固定的功能，調(diào)控電磁波的能力受到了極大地限制。2014年，東南大學(xué)崔鐵軍教授提出數(shù)字編碼超表面，對超表面單元進行反射相位的離散化，通過數(shù)字編碼表征超表面，并調(diào)節(jié)編碼狀態(tài)實現(xiàn)超表面對電磁波的調(diào)控功能切換[19]。為了進一步擴展超表面的功能，研究人員將電磁波的調(diào)制技術(shù)與廣義斯涅爾定律結(jié)合，設(shè)計出一系列狀態(tài)及功能可調(diào)的數(shù)字可編碼超表面[20-21]。在數(shù)字編碼超表面的基礎(chǔ)上，崔鐵軍院士團隊又通過將PIN二極管與超表面和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)控制器連接，提出現(xiàn)場可編程超表面[22]。將PIN二極管的開關(guān)狀態(tài)與數(shù)字信息編碼對應(yīng)，通過調(diào)節(jié)PIN二極管的工作狀態(tài)，可實時動態(tài)調(diào)控可編程超表面的狀態(tài)。通過控制多個PIN二極管的狀態(tài)和電磁波調(diào)控的編碼算法，可實現(xiàn)1 bit到多bit的可編程超表面在不同場景下產(chǎn)生高增益單波束、多波束、特殊散射波束等功能。在此基礎(chǔ)上，崔鐵軍院士進一步提出了時空編碼超材料[23-24]，實現(xiàn)了對電磁波頻譜的實時可編程操控。這種數(shù)字編碼表征使超材料由被動變主動，從模擬變數(shù)字，因而有能力在物理空間上進行信息操作和數(shù)字信號處理運算，進而提出了信息超材料/超表面的新方向[25]。

在實際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA既可以作為控制器，又可以作為網(wǎng)關(guān)，通過單獨的無線鏈路與其他網(wǎng)絡(luò)組件 ( BSs、APs、LTs ) 進行低速率信息交換。圖1為RIS 在無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)，旨在有效調(diào)控不同場景下的無線通信信道。當(dāng)系統(tǒng)終端與基站源信號之間存在障礙物時，基站信號無法直接傳輸至終端用戶，此時可以有效通過 RIS 表面進行信號的中繼；當(dāng)系統(tǒng)終端與基站源信號之不存在障礙物時，RIS 可以作為系統(tǒng)的輔助信道，進一步增加通信信道的數(shù)量，提升信號傳輸質(zhì)量。因此，在終端接收到的信號y可表示為：

(1)

式中，hΦH為在終端和基站之間等效的級聯(lián)信道，h為RIS 到終端間信道，Φ為 RIS 的可調(diào)相移對角矩陣，基站到 RIS 間信道為H，g為終端和基站之間的直射鏈路，s表示基站發(fā)送的信號，n表示高斯白噪聲。

圖1 RIS 在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)Fig.1 Application architecture of RIS in wireless communication system

在RIS 硬件設(shè)計中，我們關(guān)注的是Φ矩陣的求解與設(shè)置，對 RIS 輔助通信場景分析時，由于基站距離 RIS 的距離比較遠(yuǎn)，可以近似等效為平面波入射至 RIS 表面。所以當(dāng)饋電為平面波時，分析場景示意圖如圖2所示。

圖2 平面波饋電的可編程反射超表面原理圖Fig.2 Schematic diagram of the programmable reflection metasurface fed by plane wave

平面波入射時，反射陣上每個單元的入射相位相同，則反射相位等于補償相位ΦR=ΦC+ΦI，其中，ΦR為 RIS 的目標(biāo)波束的反射相位，ΦC為 RIS 單元的補償相位，ΦI為平面波入射相位。因此，根據(jù)所需要調(diào)控的反射波束方向可計算出補償相位：

ΦC=-k0sinθ0cosφ0xij-k0sinθ0sinφ0yij-ΦI。

(2)

式(2)為平面波入射時的相位補償計算公式。根據(jù)反射主波束的目標(biāo)方向和入射波相位的信息可計算 RIS 各單元的相位，即求得相位矩陣Φ。由二進制編碼可知，編碼狀態(tài)數(shù)N= 2b(b= 1,2,3…) ，其中b代表編碼位數(shù)。當(dāng)b= 1時，有“0”，“1”兩個編碼狀態(tài)，記為1 bit量化；當(dāng)b= 2時，有“00”“01”“10”“11”四個編碼狀態(tài)，記為2 bit量化；更高位的編碼位數(shù)對應(yīng)的狀態(tài)以此類推。以1-bit的量化為例，將360°的連續(xù)相位離散為兩種狀態(tài)，當(dāng)補償相位在[ 0,90°]和[ 270°,360°]范圍內(nèi)時，單元編碼狀態(tài)為“0”編碼，補償相位在[90°,270°]范圍內(nèi)時，單元編碼狀態(tài)設(shè)置為 “1”編碼。通過數(shù)字量化編碼超表面調(diào)控電磁波，不僅可以實現(xiàn)不同功能的主波束，同時大大降低了實施的復(fù)雜度。

2 基于RIS的覆蓋增強方案

RIS是近年來才被提出的，但其前身智能反射面 ( IRS ) 發(fā)展較早。2008年，李龍教授團隊提出采用頻率反射陣天線 (FSR)[4-6]解決由于樓宇遮擋造成基站信號傳輸質(zhì)量下降，消除通信盲區(qū)，以及室內(nèi)通信信道選擇的方案。近年來，將RIS應(yīng)用在解決信號傳輸盲區(qū)、增大信號覆蓋區(qū)域、提升通信信道質(zhì)量等方面，逐漸成為現(xiàn)代無線通信關(guān)注的熱點[10,26]。

2.1 智能反射器墻面

在通信系統(tǒng)中的非視距傳輸場景，由于信道受障礙物遮擋，造成基站出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，移動終端設(shè)備無法正常通信。傳統(tǒng)的消除信號盲區(qū)方式是通過在特定位置放置直放站，從而擴大蜂窩覆蓋范圍，消除信號盲區(qū)。但標(biāo)準(zhǔn)直放站需要收發(fā)器、電源、電纜等，成本高，對安裝空間要求大。在高樓林立的城市環(huán)境，如圖 3 所示的無線通信系統(tǒng)模型，在兩個密集高樓之間的街道，往往是移動無線通信的盲區(qū)。將平面反射陣列設(shè)置在建筑物頂部或安裝在墻面上，形成對遠(yuǎn)處基站的電磁波調(diào)控反射器。通過靈活的設(shè)計，它可以引導(dǎo)主波束覆蓋基站的通信盲區(qū)[5-6]。

圖3 基于平面反射陣的無線通信系統(tǒng)模型Fig.3 Wireless communication system model based on planar reflective array

為了滿足WCDMA系統(tǒng)所在的頻段要求，實現(xiàn)信號的調(diào)控，設(shè)計了一款工作在1.8～2.2 GHz頻段的頻率選擇反射陣列(Frequency Selective Reflectarray,FSR)天線[6]。采用印刷交叉偶極子結(jié)構(gòu)與方形環(huán)結(jié)構(gòu)的組合作為頻率選擇反射陣的基本單元，如圖4(a)所示。印刷交叉偶極結(jié)構(gòu)對入射波的極化靈敏度較低，空間中的TE波或TM波均可激勵單元工作，與入射波極化無關(guān)。由方形環(huán)組成的頻率選擇表面只對預(yù)設(shè)工作頻段的電磁波產(chǎn)生反射，不干擾其他通信系統(tǒng)的信號傳輸，如圖4(b)所示，當(dāng)加入方形環(huán)結(jié)構(gòu)時，單元能夠正常工作。利用交叉偶極子和方形環(huán)組合構(gòu)造頻率選擇反射單元時，呈現(xiàn)了不受極化干擾，只針對特定信號調(diào)控的優(yōu)點。

FSR天線陣列與建筑物墻面的集成分析模型如圖4(c)所示?？紤]到傳統(tǒng)的蜂窩移動通信，不失一般性，根據(jù)WCDMA (Rel.99) 的系統(tǒng)鏈路參數(shù)，通信基站與反射陣的距離為Rt= 500 m，F(xiàn)SR到用戶測試點距離Rr為 40 m。平面波從基站天線以(θ,φ) = (20°,-90°)的入射角發(fā)射到 FSR，設(shè)定FSR的反射波束指向 (45°,90°)。發(fā)射機和接收機天線增益分別為 10 dBi 和 0 dBi。采用通信鏈路分析來預(yù)測最大傳播損耗，如圖 4(d)所示。圖 4(d) 中的虛線表示W(wǎng)CDMA無線通信系統(tǒng)傳播損耗的閾值，一般情況下，傳播損耗大于 128 dB，則會出現(xiàn)通信盲區(qū)，終端設(shè)備便不能進行正常通信。研究結(jié)果表明，如果在樓頂上安裝布置11×7個單元的 FSR，可以有效調(diào)控基站信號的覆蓋區(qū)域，成功地消除了原始通信環(huán)境中的盲區(qū)。但是，如果使用金屬板作為反射器時，即使增加金屬反射板的尺寸也不能改善盲區(qū)的通信質(zhì)量，這證明了所提出的可靈活調(diào)控波束的頻率選擇反射陣列中繼方案的有效性。

(a) FSR單元模型

(b) FSR單元反射相位特性

(c) FSR陣列及墻面應(yīng)用模型

(d) WCDMA中傳播增益的鏈路預(yù)算分析

2.2 毫米波室內(nèi)場景下的盲區(qū)信號覆蓋

5G時代的到來，意味著可用通信頻帶更寬，數(shù)據(jù)信息傳輸更快，終端通信接口更豐富，無線網(wǎng)絡(luò)更加智能，人們的生活更為便利。毫米波通信也勢在必行，毫米波可以利用的頻段更加豐富，因此可以充分利用頻譜帶寬來提升通信容量和速率。但同時毫米波本身的局限性也限制著毫米波通信的推廣，諸如路徑損耗和障礙物的遮擋效應(yīng)嚴(yán)重，繞射能力差等問題，尤其是對于非視距(NLOS)的場景，很容易產(chǎn)生毫米波無線通信的覆蓋空洞，導(dǎo)致通信盲區(qū)。不同的建筑結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，但是構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)場景大致相似，圖5(a)為一般的大樓場景模型。大樓的室內(nèi)走廊場景主要由L型和T型兩種類型，本文以這兩種類型的走廊為例來分析其室內(nèi)通信信號覆蓋情況。如圖5(b)～(c)所示，從有源基站發(fā)來的毫米波信號由于傳輸損耗和遮擋效應(yīng)，難以有效覆蓋整個走廊，從而形成信號覆蓋盲區(qū)。對于室內(nèi) 5G 通信覆蓋的種種問題，通過加載無源 RIS，將有源基站的來波以一定角度反射到盲區(qū)走廊實現(xiàn)通信覆蓋，消除通信盲區(qū)[9,27]。

(a) 典型大樓室內(nèi)場景

(b) 無RIS布置的L型通道示意圖

如圖6(a)所示，本文提出一種新型四箭頭模型的超表面單元結(jié)構(gòu)，具有寬帶特性和良好的相位覆蓋特性，可以有效控制大角度偏轉(zhuǎn)的反射波束。通過在方環(huán)上增加額外的箭頭分支，形成雙諧振結(jié)構(gòu)，只需改變貼片尺寸即可獲得550°的相移范圍和線性良好的相移曲線，同時也有助于提高單元帶寬?；谠O(shè)計的元件，如圖6(b)所示，反射陣列被設(shè)計并應(yīng)用于室內(nèi)非視距場景中的毫米波覆蓋增強。設(shè)計一款中心工作頻率為27 GHz的單波束微帶反射陣天線，采用的饋電方式為平面波入射，入射角為(0°，0°)，反射角為 (50°，180°)，陣面由90 × 90個單元組成，反射陣尺寸為324 mm × 324 mm。

(b) 90 × 90 陣列

為了模擬實際的通信傳播模型，采用射線追蹤方法對架設(shè) RIS 前后的場景進行建模仿真。射線追蹤法是一種基于幾何光學(xué)和幾何繞射的路徑預(yù)測方法。場景中輻射源設(shè)置通過導(dǎo)入天線輻射方向圖并設(shè)置輸入功率實現(xiàn)，作為等效EIRP輻射源。射線追蹤圖像如圖7所示，設(shè)定信號覆蓋所要求的最低功率為-90 dBm，在未架設(shè)RIS時，信號不能有效覆蓋整個走廊，盲區(qū)約為25 m，在架設(shè)RIS后，走廊的信號覆蓋功率均大于-90 dBm，說明反射陣在理論上對盲區(qū)覆蓋有效。

(a) 無RIS場景仿真

(b) 架設(shè)RIS場景仿真

(c) 實驗測試場景

為了驗證設(shè)計的準(zhǔn)確性，選取如圖7(c)所示實測場景。其測試路徑如圖所示，從L型走廊轉(zhuǎn)角處開始移動，移動間隔設(shè)置為0.8 m，共計測量37個點。模型中L型走廊的接收功率電平仿真結(jié)果和實測結(jié)果的對比如圖8(a)所示。如圖可知，當(dāng)沒有架設(shè)反射陣時，由于此時信號無法入射到走廊，導(dǎo)致走廊上的功率分布明顯偏低，限于儀器靈敏度，只能讀出距離轉(zhuǎn)角3.2 m以內(nèi)的信號分布功率，在架設(shè)反射陣后，可以看到走廊中線的功率分布有明顯提升，信號功率的平均提升值大于10 dBm，并且走廊末端的最小信號功率大于-95 dBm，說明了反射陣補盲的有效性?？梢钥吹皆诤撩撞ㄇ闆r下，其性態(tài)和功率量級基本保持一致。在24.5～29.5 GHz頻帶內(nèi)，通過加載RIS后，信號功率平均提升了15 dBm，提升幅度隨頻率減小而略微增加，盲區(qū)覆蓋作用明顯增強，如圖8(b)所示。

(a) 原始L型走廊場景仿真與實測結(jié)果比較

(b) 不同頻率下，加載RIS表面前后實測的功率覆蓋情況

2.3 可拼接無源編碼RIS反射面

前面分析了無源反射超表面在L型走廊場景下對通信盲區(qū)的覆蓋。針對更加普適的場景提出一種智能可拼接無源編碼RIS表面，這種設(shè)計具有可重構(gòu)功能，且是最低的功耗效應(yīng)。針對任意特定口徑RIS、所需任意波束偏轉(zhuǎn)角度下，只需將單個‘0’和‘1’的子陣現(xiàn)場拼接組合，便可實現(xiàn)調(diào)控波束方向和覆蓋范圍所需要的功能[25]。根據(jù)平面波激勵下的 RIS 調(diào)控原理，波束指向由相位梯度決定。如圖9所示，設(shè)計了兩種具有不同相位梯度的子陣，分別用 1 bit 數(shù)字符號 “0” 和 “1” 表示， 其中子陣 “0” 的相位梯度為Pg0，波束指向為θ0；子陣 “1”相位梯度為Pg1，波束指向為θ1，那么根據(jù)插值理論，利用若干子陣 “0” 和子陣 “1” 的組合可以得到等效相位梯度Pgi的陣列，Pgi變化范圍為[Pg0，Pg1]。等效相位梯度變化，則波束指向可以在[θ0,θ1]內(nèi)實現(xiàn)波束可重構(gòu)。

(a) 等效相位梯度變化

(b) 波束方向重構(gòu)圖

根據(jù)平均相位梯度原理，將Ms個 “0” 子陣與Ns個 “1” 子陣進行有序排列，組成 RIS 陣列中最小周期行向量Vmin，通過改變Vmin中Ms和Ns的數(shù)目和兩類子陣排列順序，實現(xiàn)波束可重構(gòu)；以最小周期行向量Vmin為單位分別在陣列的俯仰面和方位面進行擴展，得到不同口徑的可拼接無源反射陣，實現(xiàn)口徑可重構(gòu)。通過構(gòu)建1 bit編碼子陣，制定拼接規(guī)則可同時獲得滿足需求的口徑和波束指向，適用于不同場景的毫米波通信盲區(qū)覆蓋需求。

設(shè)計了工作在26.5～31.0 GHz可拼接毫米波 RIS 陣列，反射波波束指向在40° ～ 60°內(nèi)。設(shè)計的可拼接無源反射陣由若干個無源子陣組成陣列，該陣列包括 “0” 和 “1” 兩類子陣。子陣 “0” 波束指向在41.7°，子陣 “1” 波束指向在60°，通過“0” 和 “1” 編碼可以生成任意指向波束。如圖 10(a)為加工可拼接 RIS 陣列，采用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭饋電，測試可拼接 RIS 陣列的方向圖，如圖 10 (b)～(d)所示，由結(jié)果可知實測結(jié)果和理論結(jié)果吻合度良好。

(a) 可拼接RIS結(jié)構(gòu)

(b) 24 GHz 的輻射方向圖

(c) 28 GHz的輻射方向圖

(d) 31 GHz 的輻射方向圖

2.4 5G 基站下的部分有源RIS信號增強覆蓋

無線通信中要保證通信的移動性，即在不同的位置處都可以很好地進行通信；這對基站下的信號覆蓋工作提出了新要求，要求主波束能夠?qū)崟r可調(diào)，前面提出的無源陣列，主波束無法進行實時調(diào)整，適合特定場景的無線通信需求，不能滿足更高層次復(fù)雜多變的環(huán)境需求。為了實現(xiàn)主波束的實時可調(diào)，可以通過在超表面單元上加載電控元件，采用FPGA控制和數(shù)字編碼，靈活調(diào)控所需要的反射相位，最終實現(xiàn)反射陣天線主波束的可重構(gòu)[28-30]。然而對于部分盲區(qū)覆蓋的場景，需要大口徑的可重構(gòu)反射陣來確保通信效果。對于常規(guī)大口徑 RIS 陣列，所需PIN二極管的數(shù)量十分巨大，數(shù)量眾多的電控元件會引起成本的飆升。同時電控元件都會產(chǎn)生一定損耗，從而降低RIS的增益。

本文提出了基于稀疏陣列算法的一控二部分有源 RIS 陣列， RIS 單元結(jié)構(gòu)如圖11所示。將兩個超表面單元通過串饋的方式連接在一起，只需要單個PIN二極管即可同時調(diào)控兩個 RIS 單元，這種方式可以使得可重構(gòu)反射陣有源PIN二極管的加載數(shù)量減少一半，大幅度降低設(shè)計復(fù)雜度和成本。同時基于稀疏陣列算法，可獲得最佳波束調(diào)控和最佳增益所需的 RIS 陣列。

(a) 一控二單元頂層

(b) 一控二單元底層

圖12為基于稀疏陣列算法的一控二的部分有源 RIS 陣列表面。通過調(diào)控 PIN 管的狀態(tài)，能夠在工作頻段 3.6～3.8 GHz內(nèi)實現(xiàn)主波束-50°～ 50°的波束掃描。為了驗證RIS在5G基站下NLOS場景信號傳輸?shù)脑鰪娔芰?，?gòu)建了如圖13 所示的外場測試，采用實際的5G通信基站進行測試，對比有無RIS情況下的NLOS通信信道質(zhì)量，將RIS超表面放置距5G 基站61 m，相對陣面入射角度為50°，基站距離目標(biāo)終端41 m，且二者之間存在樓宇，造成信號嚴(yán)重遮擋。通過RIS作為信號傳輸中繼，實現(xiàn)對目標(biāo)盲區(qū)的有效覆蓋。在目標(biāo)點位下，放置RIS超表面可以有效提升信道功率。信道功率提升10.95 dBm，吞吐相對增益為110%。通過實驗表明，該結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于5G信號下的信號增強有著明顯的優(yōu)勢。

(a) 全陣仿真模型

(b) 不同編碼下的輻射方向圖

圖13 實際5G 基站下的NLOS場景信號傳輸實測圖Fig.13 Practical measurement of signal transmission in NLOS scenario under actual 5G base station

3 總結(jié)與展望

針對可重構(gòu)智能超表面硬件系統(tǒng)設(shè)計及無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用，本文從無源智能反射墻面、可編碼超表面、無源可拼接RIS超表面、部分有源可編程RIS設(shè)計與應(yīng)用出發(fā)，闡述了RIS在無線通信系統(tǒng)中的一些應(yīng)用實例和低功耗設(shè)計，如非視距基站信號的傳輸、L型場景下的盲區(qū)覆蓋、毫米波室內(nèi)通信以及5G基站下的信號增強等，展示了智能超表面在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

可重構(gòu)智能超表面因其獨特的特性、簡單低廉的硬件成本以及工作能耗低的優(yōu)勢，逐漸成為6G通信中最具競爭力的技術(shù)路線，可應(yīng)用于直接信息調(diào)制、改善信道環(huán)境、提高系統(tǒng)性能以及降低覆蓋成本。隨著更加復(fù)雜的通信環(huán)境和電磁空間，可重構(gòu)智能超表面的設(shè)計需要進一步的改進：① 現(xiàn)階段對超表面的調(diào)控還大多數(shù)局限在相位響應(yīng)方面，由相位的變化實現(xiàn)超表面波束的調(diào)控。其主要的問題突出在超表面每個單元上的幅度不一致，會帶來損耗或口徑效率的問題。② 超表面單元結(jié)構(gòu)對電磁信號幅度和相位的調(diào)控具有很強的耦合性，無法完成電磁波信號特性的獨立調(diào)控，限制了RIS 在更多復(fù)雜場景下的廣泛應(yīng)用。③ RIS 陣列有效工作帶寬受限，對入射電磁波的能量轉(zhuǎn)換效率較低，難以支持未來無線網(wǎng)絡(luò)大寬帶傳輸和遠(yuǎn)距覆蓋。從技術(shù)上講，RIS適用于改變信道狀態(tài)，但不能用于增強通信容量。研究人員已經(jīng)意識這一問題，并且已經(jīng)報道了一些射頻信道操控RIS[31-33]，提出并測試了多輸入多輸出(MIMO)RIS的概念和原型[34]。此外，還為6G網(wǎng)絡(luò)設(shè)想了一種新的全息MIMO表面[35]。上行鏈路大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的動態(tài)超表面天線的理論分析發(fā)表在文獻[36-37]中。但是，基于 RIS 的完整上行鏈路和下行鏈路實驗尚未見報道。因此，實現(xiàn)全雙工RIS將是未來的主要研究方向。

將無線能量傳輸技術(shù)和無線通信技術(shù)應(yīng)用于全雙工RIS，構(gòu)建了無線信息和能量集成的RIS表面，也稱為能信一體智能超表面(Wireless Information and Power Reconfigurable Intelligent Metasurface，WIPRIS)。對于不同的工作場景，WIPRIS可以提供不同的功能?；?WIPRIS網(wǎng)絡(luò)的三層架構(gòu)包括基站側(cè)、中繼側(cè)和邊緣側(cè)。在基站方面，WIPRIS基站除了提供移動網(wǎng)絡(luò)接入外，還可以提供點對點、點對多點和特定區(qū)域的能量覆蓋服務(wù)。在中繼端，WIPRIS可以用作中繼器或調(diào)控信道。此外，中繼將無線電力重新分配到周圍的物聯(lián)網(wǎng)傳感器或邊緣側(cè)，且強調(diào)中繼的主要能量由基站保證。在邊緣側(cè)，微瓦級傳感器設(shè)備伴隨著連接中繼 WIPRIS并協(xié)調(diào)能源互連。所有這些 WIPRIS協(xié)作，形成一個特色的WIPRIS無線網(wǎng)絡(luò)。在未來能源與通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能信一體化設(shè)備，快速推進WIPRIS的構(gòu)建和發(fā)展，助力實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和發(fā)展戰(zhàn)略，機遇與挑戰(zhàn)并存。