可重構(gòu)智能表面技術(shù)：研究進(jìn)展、原型機(jī)及挑戰(zhàn)

李南希，朱劍馳，郭 婧，佘小明

(中國電信股份有限公司研究院，北京 102209)

0 引言

可重構(gòu)智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)技術(shù)是一項(xiàng)涉及材料學(xué)、電磁學(xué)、無線通信等多領(lǐng)域的跨學(xué)科新興技術(shù)?；诳删幊绦畔⒊牧希琑IS可以實(shí)現(xiàn)對電磁波的主動調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線信號的傳播方向控制、特定區(qū)域的信號增強(qiáng)以及干擾抑制，從而構(gòu)建可編程的無線傳播環(huán)境[1]。除上述技術(shù)優(yōu)勢外，RIS在成本、能耗上也存在一定天然優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的無線通信設(shè)備相比，RIS通常由無源或近無源的電磁器件構(gòu)成，無需相關(guān)射頻器件(如濾波器、功放器件等)，從而具有低成本、低能耗、低復(fù)雜度等優(yōu)勢，有利于其面向未來6G無線網(wǎng)絡(luò)的商用部署。

1 RIS主要研究方向及進(jìn)展

RIS一般具有二維平面結(jié)構(gòu)，其表面主要由電磁超材料構(gòu)成。所謂電磁超材料，是指經(jīng)過人為設(shè)計(jì)，對具有特定幾何形狀的宏觀基本單元進(jìn)行排列，從而形成的具有特殊物理結(jié)構(gòu)的人工電磁材料[2]。這種材料可實(shí)現(xiàn)自然材料不具備的特殊性質(zhì)，如對電磁波的調(diào)控特性。通過將這種特性應(yīng)用到無線通信中，可以實(shí)現(xiàn)諸如覆蓋補(bǔ)盲、熱點(diǎn)增流、高精度定位等功能[3-5]。

目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于RIS技術(shù)的研究主要聚焦在兩個(gè)方向：一是將RIS用于發(fā)射機(jī)，以期能替代當(dāng)前的大規(guī)模天線系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗的綠色通信系統(tǒng)；二是將RIS用于中間節(jié)點(diǎn)，以反射面的形式輔助無線通信，通過對反射波的控制實(shí)現(xiàn)傳輸增強(qiáng)。

1.1 基于RIS的無線收發(fā)機(jī)

基于RIS的無線收發(fā)機(jī)主要為解決傳統(tǒng)大規(guī)模天線系統(tǒng)的高成本、高功耗問題，通過利用RIS對電磁信號的幅度、相位、頻率等調(diào)控能力替代大規(guī)模天線系統(tǒng)中的模擬前端及射頻鏈路功能，以期實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗的綠色通信。

基于RIS的無線發(fā)射機(jī)一般架構(gòu)如圖1所示，主要由兩部分組成：空饋載波信號生成部分和RIS主系統(tǒng)。其中，空饋信號生成器主要用于生成單音電磁信號并打向RIS；RIS主系統(tǒng)通過數(shù)字基帶生成各電磁單元的控制信號，調(diào)整各單元的電磁參數(shù)，從而對上述入射的單音電磁信號進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的電磁波反射出去實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。

圖1 基于RIS的無線發(fā)射機(jī)示意圖Fig.1 Illustration of RIS-based transmitter

文獻(xiàn)[6-8]基于該架構(gòu)開展信號調(diào)制方案的研究工作，其中文獻(xiàn)[6]基于對1 bit和2 bit相位調(diào)制頻譜響應(yīng)的諧波分析，通過調(diào)節(jié)RIS電磁單元的偏置電壓實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制頻移鍵控(Binary Frequency-Shift Keying,BFSK)，為該架構(gòu)的可行性驗(yàn)證做出了初步嘗試；文獻(xiàn)[7]進(jìn)一步將該工作擴(kuò)展到正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)，實(shí)現(xiàn)了Mbit/s級的視頻流傳輸；文獻(xiàn)[8]面向更高階的調(diào)制方案，實(shí)現(xiàn)了QPSK、8PSK和16QAM，使得將高階調(diào)制應(yīng)用于RIS成為可能。上述研究主要針對單用戶單流傳輸，文獻(xiàn)[9]針對RIS發(fā)射機(jī)的雙流傳輸開展了研究工作，在系統(tǒng)架構(gòu)方面依舊采用單一空饋信號生成器，但是將RIS面板分為左、右兩個(gè)部分，通過兩路獨(dú)立的數(shù)控信號分別控制兩部分面板中電磁單元的偏置電壓，從而形成兩路傳輸信號，最終實(shí)現(xiàn)了約20 Mbit/s的傳輸速率。

基于RIS的無線接收機(jī)的相關(guān)研究較少，文獻(xiàn)[10]初步探索了基于RIS的接收機(jī)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對接收電磁波的下變頻處理，但是從系統(tǒng)架構(gòu)上來看，該接收機(jī)與前述的RIS發(fā)射機(jī)還存在著較大差異。目前，業(yè)界尚未形成統(tǒng)一的RIS收發(fā)機(jī)架構(gòu)，從商用部署的角度來看，這或成為RIS收發(fā)機(jī)研究的一個(gè)關(guān)鍵問題。

1.2 基于RIS的反射面

基于RIS的反射面旨在為無線通信網(wǎng)絡(luò)中的弱覆蓋、熱點(diǎn)區(qū)域容量增強(qiáng)等問題提供一套低成本、低功耗的解決方案。此外，它還具備提供高精度定位等功能的潛在能力。RIS反射面主要通過對其表面電磁元件參數(shù)的聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)對入射電磁波的反射相位、角度、幅度等參數(shù)的調(diào)整，從而形成期望的反射電磁波圖樣。

基于RIS的反射面的一種典型結(jié)構(gòu)[11]如圖2所示，主要由三部分組成：反射表面、隔離板以及控制電路。其中，最外層的反射表面由大量的可調(diào)電磁單元構(gòu)成，與入射電磁波直接相互作用，調(diào)整其反射參數(shù)；中間的隔離層主要用于降低入射電磁波的能量泄露；最內(nèi)層是控制電路板，與控制器連接，用于實(shí)時(shí)控制每個(gè)電磁單元的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對反射電磁波的參數(shù)調(diào)整?？刂破饔挚煞譃樽灾餍秃头亲灾餍?，其主要區(qū)別在于控制信息是由控制器自主決定，還是基于其他的外部指示(如基站指示)，目前業(yè)界主要關(guān)注非自主型控制器。

圖2 基于RIS的反射面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Illustration of RIS-based reflector

從RIS反射面在無線網(wǎng)絡(luò)中的功能來看，它與傳統(tǒng)中繼有著相似之處，為了更深入地剖析它們之間的區(qū)別，文獻(xiàn)[11-14]將RIS反射面和傳統(tǒng)中繼(包括解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼和放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼)進(jìn)行了對比，并闡明了其主要差異，具體如表1所示。從表中可以看出，除了硬件差異以及性能差異外，關(guān)鍵差異還體現(xiàn)在傳輸模型、信道估計(jì)等方面，而這些方面會在很大程度上影響RIS反射面的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用方式，因此也成為業(yè)界和學(xué)術(shù)界著重關(guān)注的問題。

表1 RIS反射面與傳統(tǒng)中繼的主要差異

在傳輸模型方面，目前通常采用兩路信號疊加的建模方式[15-17]，其中一路信號由基站經(jīng)信道HBS_UE直接到達(dá)用戶；另一路信號由基站經(jīng)信道HBS_RIS到RIS表面，通過RIS反射再經(jīng)信道HRIS_UE到達(dá)用戶，該傳輸模型的一般表達(dá)式為：

y=(HBS_UE+HRIS_UEΓHBS_RIS)x+n,

(1)

式中，Γ=diag{γ1ejα1,γ2ejα2,…,γMejαM}為一對角矩陣，表征RIS反射面對入射電磁波的幅度和相位調(diào)整，其中γm∈[0,1]，αm∈[0,2π]表示RIS反射面第m個(gè)電磁單元的反射系數(shù)及相移。式(1)中涉及的各部分信道一般可建模為萊斯信道，以HBS_RIS為例，它可以表示為如下形式：

(2)

在信道估計(jì)方面，需要考慮到RIS反射面結(jié)構(gòu)的特殊性。由于RIS反射面不能主動發(fā)射信號，可能也無法解調(diào)基站發(fā)送的參考信號，因此如何對基站到RIS、RIS到用戶的級聯(lián)信道進(jìn)行信道估計(jì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。雖然已有許多相關(guān)的研究積累，如文獻(xiàn)[19-21]，但是目前來看，針對RIS反射面的信道估計(jì)仍缺少切實(shí)有效的方案。另外，有的文獻(xiàn)提到了利用上、下行信道的互異性來獲得信道信息，然而對于RIS反射鏈路，是否存在信道互異性仍有待進(jìn)一步的研究與測試。RIS反射面在未來演進(jìn)中，很可能會引入部分解調(diào)和發(fā)射功能，屆時(shí)也將會對信道估計(jì)方案帶來新的影響。但無論如何，都需要保持引入RIS的初心，確保其低成本、低功耗特性，否則可能會對RIS反射面的最終落地及商用帶來很大的挑戰(zhàn)。

2 RIS原型機(jī)的測試驗(yàn)證

2.1 國外測試驗(yàn)證情況

2018年11月，日本移動通信運(yùn)營商N(yùn)TT DOCOMO聯(lián)合毫米波雷達(dá)技術(shù)公司Metawave首次演示了RIS反射面在5G系統(tǒng)中28 GHz頻段下的實(shí)際應(yīng)用[22]，驗(yàn)證了RIS反射面對于覆蓋和容量提升的潛在能力。本次演示所采用的RIS反射面由大量不同形狀的元結(jié)構(gòu)(meta-structure)排列組成，每個(gè)元結(jié)構(gòu)的尺寸與所采用的電磁波波長可比擬，其物理形狀與所處的陣列位置相關(guān)。測試地點(diǎn)選擇在建筑物腳下，不存在與基站的視距路徑。通過對比測試發(fā)現(xiàn)，不采用RIS反射面時(shí)，所選擇3個(gè)測試位置(位于同一道路，測試點(diǎn)間距為米級)的下行數(shù)據(jù)速率分別為27 Mbit/s、16 Mbit/s和60 Mbit/s；將RIS反射面部署在合適的位置后，下行速率分別提升至315 Mbit/s、300 Mbit/s和560 Mbit/s。

2020年1月，NTT DOCOMO又聯(lián)合全球玻璃制造商AGC使用28 GHz頻段進(jìn)行了新型透明超表面原型機(jī)的測試驗(yàn)證[23]。該超表面具備光學(xué)透明特性，可作為建筑物和車輛的窗戶進(jìn)行部署，可對電磁波的反射、穿透進(jìn)行動態(tài)操控，實(shí)現(xiàn)全透射、部分反射和全反射3種模式間的切換。2021年1月，NTT DOCOMO聯(lián)合AGC在該原型機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一種新型薄膜狀超表面透鏡[24]，所采用的材料對6 GHz頻段以下的無線電波沒有影響，但是對高頻信號會產(chǎn)生特殊的聚焦效果。在測試中，通過將該超表面部署在窗戶表面，成功實(shí)現(xiàn)了將室外的28 GHz 5G無線信號透射到室內(nèi)的特定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了特定區(qū)域的信號增強(qiáng)。

2020年2月，美國麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)表了一篇關(guān)于RFocus原型機(jī)測試驗(yàn)證的文章[25]，驗(yàn)證了辦公室環(huán)境下RFocus對無線信號強(qiáng)度及系統(tǒng)容量的提升效果。MIT所搭建的RFocus表面由3 200個(gè)低成本天線組成，每個(gè)天線為(λ/4)×(λ/10)的金屬矩形(其中λ為電磁波波長，頻段為2.4 GHz)。天線陣列的水平間距為(λ/10)，縱向緊密排列且相鄰的天線由射頻開關(guān)器件連接。當(dāng)射頻開關(guān)全部關(guān)閉時(shí)，表面呈半透明特性；當(dāng)某個(gè)射頻開關(guān)開啟時(shí)，與之相連的兩個(gè)天線就形成了一個(gè)半偶極子天線，會與入射電磁波形成強(qiáng)相互作用。通過這種設(shè)計(jì)，RFocus的每個(gè)電磁單元可在反射與透射兩種狀態(tài)之間相互切換，從而可形成期望的電磁波導(dǎo)向效果。在測試驗(yàn)證中，RFocus控制器根據(jù)接收機(jī)周期性上報(bào)的接收信號強(qiáng)度，優(yōu)化各射頻開關(guān)的狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)了2倍以上的平均系統(tǒng)容量提升。

2.2 國內(nèi)測試驗(yàn)證情況

東南大學(xué)早在2014年就提出了可編程超材料的概念，并分別對1 bit 和2 bit可編程超材料進(jìn)行了測試驗(yàn)證[26]。通過特定的數(shù)控序列對超材料上各個(gè)電磁單元進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)期望的電磁特性，如控制波束方向、改變散射特性等。時(shí)至今日，東南大學(xué)在RIS原型機(jī)的測試驗(yàn)證方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)與成果，目前已實(shí)現(xiàn)了支持BFSK、QPSK、8PSK和16QAM的RIS發(fā)射機(jī)[6-8]，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了基于RIS發(fā)射機(jī)的雙流傳輸[9]，可支持20 Mbit/s的傳輸速率。2021年7月，東南大學(xué)、中國移動以及杭州錢塘信息有限公司在南京開展具備可調(diào)電磁器件的RIS技術(shù)驗(yàn)證[27]，測試結(jié)果表明：部署RIS后，室外小區(qū)邊緣覆蓋平均可提升3～4 dB；在室外覆蓋室內(nèi)場景下，室內(nèi)覆蓋提升約10 dB。

清華大學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了2 bit的RIS電磁單元，該元件由5個(gè)PIN二極管組成，通過對不同PIN二極管的狀態(tài)控制，可實(shí)現(xiàn)4種離散相位偏移[28]?；谠撾姶艈卧?，清華大學(xué)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了工作頻段分別為2.3 GHz、28 GHz的RIS發(fā)射機(jī)，表面電磁單元數(shù)目均為256個(gè)。通過測試驗(yàn)證表明，所開發(fā)的原型機(jī)在兩個(gè)工作頻段均能實(shí)現(xiàn)顯著的波束賦形增益。

中興通訊于2021年6月先后聯(lián)合中國電信、中國聯(lián)通，開展RIS反射面原型機(jī)的高頻、中頻外場測試驗(yàn)證工作[29-30]。測試結(jié)果表明，通過使能RIS反射面，在5G中頻基站非視距小區(qū)邊緣，接收信號強(qiáng)度可提升10 dB，小區(qū)邊緣用戶性能提升40%以上；在距5G高頻基站(26 GHz)150 m以上的弱覆蓋區(qū)域、覆蓋盲區(qū)，接收信號強(qiáng)度可提升12.5 dB。

3 RIS面臨的主要挑戰(zhàn)

自RIS的概念誕生開始，學(xué)術(shù)界和業(yè)界便掀起了一股勢不可擋的RIS研究熱潮，無論是理論研究還是測試驗(yàn)證都取得了相當(dāng)?shù)姆e累和成果。為確保RIS的研究和發(fā)展方向的合理性，需要著眼于未來通信網(wǎng)絡(luò)的真正需求，理清RIS面向未來商用落地時(shí)的主要挑戰(zhàn)和痛點(diǎn)問題。

3.1 RIS無線收發(fā)機(jī)的主要挑戰(zhàn)

對于基于RIS的無線收發(fā)機(jī)，其面臨的挑戰(zhàn)主要包括以下幾個(gè)方面：

① 工作帶寬：目前基于RIS的發(fā)射機(jī)的相關(guān)研究以窄帶系統(tǒng)為主。相較于MIMO數(shù)十年的發(fā)展，RIS的研究可以說是剛剛起步。著眼于未來，RIS發(fā)射機(jī)可能也會面臨由窄帶到寬帶，由單載波到多載波的演進(jìn)。這中間勢必會遇到不小的挑戰(zhàn)，首先是硬件器件特性，這其中又包含兩個(gè)方面：一是RIS中的電磁器件需要支持相應(yīng)的帶寬；二是電磁器件可能在不同頻段的相位偏移情況并不一致。其次是系統(tǒng)架構(gòu)，目前的RIS發(fā)射機(jī)主要采用單一空饋信號生成器，若要實(shí)現(xiàn)多載波，則需要多路數(shù)控信號將單音電磁波調(diào)制到多個(gè)載頻上，且每路數(shù)控信號所連接的電磁器件相互獨(dú)立、沒有交疊，這實(shí)際上是將RIS面板進(jìn)行了拆分，即載波數(shù)量與RIS面板的拆分情況相關(guān)。因此，目前的系統(tǒng)架構(gòu)并不能很好地支持多載波傳輸。

② 多用戶同時(shí)傳輸：如何有效支持多用戶的同時(shí)傳輸是RIS收發(fā)機(jī)面臨的另一挑戰(zhàn)。由于RIS電磁器件在同一時(shí)間只能具備一種狀態(tài)，即如果要同時(shí)向兩個(gè)不同的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要使用兩組相互獨(dú)立的電磁器件及數(shù)控序列。該問題與多載波傳輸問題相類似，目前缺少有效的解決方案。

③ 收發(fā)機(jī)一體化：目前業(yè)界、學(xué)術(shù)界尚未形成統(tǒng)一的RIS收發(fā)機(jī)架構(gòu)，若采用收、發(fā)獨(dú)立的架構(gòu)將不利于RIS的部署。因此，收發(fā)機(jī)一體化是基于RIS的收發(fā)機(jī)研究的一個(gè)關(guān)鍵問題，也是其面向落地的痛點(diǎn)問題。

3.2 RIS反射面的主要挑戰(zhàn)

對于基于RIS的反射面，其面臨的挑戰(zhàn)主要包括以下幾個(gè)方面：

① 信道估計(jì)：由于RIS反射面并不具備射頻、基帶處理能力，無法處理基站發(fā)送的參考信號，同時(shí)也無法主動發(fā)送無線信號。因此，現(xiàn)有的信道估計(jì)方案無法用于估計(jì)RIS反射鏈路的級聯(lián)信道。目前，學(xué)術(shù)界主要提出兩種信道估計(jì)方法[11]：一種是純無源式信道估計(jì)，主要運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，通過矩陣運(yùn)算獲得RIS反射鏈路的級聯(lián)信道；另一種是半無源式信道估計(jì)，主要通過改變RIS結(jié)構(gòu)，在表面添加部分有源傳感器用于信道測量和反饋，從而完成信道估計(jì)。但目前看來，這兩種方法尚不成熟，仍需進(jìn)一步研究與測試驗(yàn)證。

② 對不同運(yùn)營商的影響：在實(shí)際無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，不同運(yùn)營商對RIS反射面的部署需求可能并不一致，但是在某一運(yùn)營商部署RIS反射面后,可能會對同區(qū)域內(nèi)其他運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)性能帶來影響。如果該影響切實(shí)存在且無法消除，那對RIS反射面的落地將是致命的。因此，評估RIS反射面對不同運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的影響至關(guān)重要，如何避免或消除該影響是RIS面向落地的一個(gè)痛點(diǎn)問題。

③ 空口協(xié)議：由于RIS相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作尚未開展，空口協(xié)議目前仍為空白。在探討該問題之前，需要首先明確RIS反射面的器件組成以及RIS反射面的控制方式，即究竟誰是RIS的大腦。目前看來，RIS反射面狀態(tài)受基站的控制更具備合理性和可實(shí)施性，但具體方案仍有待探究。

4 結(jié)論

本文分別針對基于RIS的無線收發(fā)機(jī)以及基于RIS的反射面進(jìn)行分析，對其研究方向及進(jìn)展、國內(nèi)外原型機(jī)的測試驗(yàn)證情況以及面臨的主要挑戰(zhàn)進(jìn)行了全面的闡述?？梢钥闯?，雖然RIS的研究取得了一定的積累與成果，但是仍面臨許多挑戰(zhàn)與痛點(diǎn)問題。希望業(yè)界與學(xué)術(shù)界共同努力，著眼于未來通信網(wǎng)絡(luò)的需求，推動RIS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。