智能超表面賦能5G-A/6G網(wǎng)絡(luò)的思考

關(guān)鍵詞：無線通信；6G;5G-A；智能超表面

0引言

隨著用戶需求不斷演進(jìn)，更優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，更多垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)拓展，都將驅(qū)動(dòng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不斷向前發(fā)展。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在滿足用戶個(gè)性化需求的同時(shí)將社會(huì)福祉作為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向，通過人一機(jī)一物多維泛在連接和普惠智能，實(shí)現(xiàn)物理世界和虛擬世界的連接，進(jìn)而推動(dòng)人類社會(huì)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(shí)代。

為了滿足更大帶寬、更高速率、更低時(shí)延、更智能化的業(yè)務(wù)需求，工作頻段更高、天線規(guī)模更大、設(shè)備算力更強(qiáng)是下一代未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢(shì)。但是，更高頻段、更大規(guī)模天線、更強(qiáng)算力的引入致使移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)。

①高頻信道環(huán)境惡劣：相較于低頻信號(hào)，高頻信號(hào)的傳播與穿透損耗較大，受障礙物遮擋影響也更大，網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域容易出現(xiàn)盲區(qū)或弱覆蓋區(qū)域，不利于實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的泛在接入和深度覆蓋。

②天線規(guī)模發(fā)展受限：伴隨天線規(guī)模的增加，天線制造工藝與成本、信道測(cè)量與建模難度、信號(hào)處理運(yùn)算量、參考信號(hào)開銷等方面都會(huì)顯著增加，對(duì)天線系統(tǒng)的一體化和集成度提出了更高的要求。因此，超大規(guī)模天線技術(shù)走向?qū)嵱没那疤崾堑统杀?、低功耗、高可靠和易部署?/p>

③能耗負(fù)擔(dān)日益加?。耗芎氖蔷W(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的關(guān)鍵因素，5G基站（Base Station，BS）相對(duì)4G BS能耗顯著提升，以BS為代表的無線接人側(cè)主設(shè)備射頻器件能耗約占設(shè)備能耗55%；降低射頻器件能耗，提升能效是牽引設(shè)備綠色演進(jìn)的核心。

④被動(dòng)適應(yīng)無線環(huán)境：目前無線網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)控能力僅限于收發(fā)端兩側(cè)，對(duì)無線信道環(huán)境中的路徑損耗、多徑衰落等現(xiàn)象只能采取被動(dòng)適應(yīng)的手段，空口常常成為限制網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵，亟需面向無線全域構(gòu)建一體化智能協(xié)同能力，打通從硬件到軟件融合一體的智能重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)體驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)效率的最佳平衡。

1智能超表面技術(shù)原理與典型應(yīng)用場(chǎng)景

為了滿足SG-Advanced（5G-A）和6G網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、綠色節(jié)能、智能調(diào)控的需求，崔鐵軍院士及其團(tuán)隊(duì)將超材料引入到移動(dòng)通信系統(tǒng)，提出智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）技術(shù)理念。

1.1RIS技術(shù)原理

RIS作為電磁超材料的一種二維實(shí)現(xiàn)，由大量精心設(shè)計(jì)的電磁單元排列組成，通過給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號(hào)，可以動(dòng)態(tài)地控制這些電磁單元的電磁性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以可編程的方式對(duì)空間電磁波進(jìn)行主動(dòng)的智能調(diào)控，形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場(chǎng)。RIS的引入，使得無線傳播環(huán)境從被動(dòng)適應(yīng)變?yōu)橹鲃?dòng)可控，從而構(gòu)建了智能無線環(huán)境。RIS是一門多學(xué)科融合技術(shù)，涉及超材料科學(xué)、天線及電路設(shè)計(jì)、電磁計(jì)算、無線通信、智能控制等多個(gè)領(lǐng)域，如圖1所示。由于RIS采用少量有源器件甚至全無源器件的設(shè)計(jì)理念，無論是成本還是功耗都較全棧BS低一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且通過采用超材料及可拼接部署方式，RIS設(shè)備在低成本、低功耗、低復(fù)雜度和易部署方面具有一定優(yōu)勢(shì)，有機(jī)會(huì)解決未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的需求與挑戰(zhàn)。

1.2 5G-A階段潛在應(yīng)用場(chǎng)景

1.2.1基于信道側(cè)RIS輔助的深度覆蓋增強(qiáng)

在信道側(cè)，RIS作為一種低成本低功耗的信道環(huán)境調(diào)控節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，可針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋補(bǔ)盲、多流增速等深度覆蓋需求，部署在BS與覆蓋盲區(qū)之間，通過RIS按需構(gòu)造非視距反射路徑或改變電磁波透射特性，可有效解決由于障礙物遮擋產(chǎn)生的室內(nèi)／外盲區(qū)問題，在室外宏站覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景，可通過改變投射特性，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，豐富小區(qū)邊緣用戶設(shè)備（User Equipment，UE）散射環(huán)境，提高小區(qū)邊緣UE傳輸性能，以低成本低功耗方式實(shí)現(xiàn)深度覆蓋和提速擴(kuò)容。

1.2.2基于RIS輔助超大規(guī)模廣角BS天線

由于RIS采用無源／準(zhǔn)無源設(shè)計(jì)理念，在成本、體積、重量方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)有SG有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）基礎(chǔ)上，集成無源RIS陣面，如圖3（a）所示，既可以實(shí)現(xiàn)一體化動(dòng)態(tài)智能調(diào)控、擴(kuò)展BS覆蓋角度，又可以有效提升天線陣面口徑增益、增加BS覆蓋距離，可有效解決邊遠(yuǎn)郊區(qū)、廣場(chǎng)或體育館等區(qū)域廣覆蓋問題。相關(guān)測(cè)試表明，采用增加RIS反射陣面擴(kuò)展的5G AAU BS，上下行平均速率可提升5%～8%。

除了在AAU上集成反射式RIS，還可以通過在AAU邊緣集成透射式RIS，如圖3（b）所示，動(dòng)態(tài)調(diào)控BS天線接收或輻射電磁波的角度，有效擴(kuò)展BS覆蓋水平角和俯仰角范圍。當(dāng)水平角度擴(kuò)展到接近180°時(shí)，該方案可以用兩小區(qū)替代傳統(tǒng)三小區(qū)覆蓋方案，提升BS覆蓋范圍，解決邊遠(yuǎn)郊區(qū)低容量場(chǎng)景低成本低功耗覆蓋補(bǔ)盲問題。

1.3 6G階段潛在應(yīng)用場(chǎng)景

1.3.1基于RIS輔助的簡化架構(gòu)BS

傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)將基帶信號(hào)調(diào)制到載波上，而基于數(shù)字編碼RIS的發(fā)射機(jī)將信源比特映射成RIS控制信號(hào)，如圖4所示。結(jié)合時(shí)空編碼技術(shù)，RIS集能量輻射和信息調(diào)制功能于一體，動(dòng)態(tài)調(diào)控電波傳播方向和諧波能量分布，調(diào)控RIS對(duì)入射波的電磁響應(yīng)，將信息調(diào)制到不同的頻率、相位、幅度、空間資源，實(shí)現(xiàn)低成本和低復(fù)雜度的FSK、PSK、QAM調(diào)制，簡化發(fā)射機(jī)架構(gòu)，降低設(shè)備功率消耗。

1.3.2近場(chǎng)安全通信場(chǎng)景

電磁波的傳輸特性與距離相關(guān)，傳輸距離大于瑞利距離的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，反之稱為近場(chǎng)區(qū)域。在近場(chǎng)區(qū)域，電磁波建模為球面波模型，球面波前不僅攜帶角度信息，還攜帶距離信息，因此電磁波束在角度域和距離域上同時(shí)聚焦，形成近場(chǎng)波束聚焦。在RIS輔助的無線網(wǎng)絡(luò)中，近場(chǎng)范圍由BS-RIS距離和RIS-UE距離的調(diào)和平均值確定，因此只要這兩個(gè)距離中的任何一個(gè)距離小于瑞利距離，RIS輔助通信就工作在近場(chǎng)區(qū)域。

當(dāng)UE位于RIS輻射近場(chǎng)區(qū)域時(shí)，可以通過對(duì)RIS配置服務(wù)特定UE的近場(chǎng)碼本，將近場(chǎng)波束聚焦在授權(quán)UE所在的特定角度和特定距離，如圖5所示。其他UE即使與授權(quán)UE位于相同的角度區(qū)域，也無法通過攔截?zé)o線信號(hào)實(shí)現(xiàn)空口監(jiān)聽，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定UE的高安全級(jí)通信服務(wù)。

1.3.3聲場(chǎng)調(diào)控場(chǎng)景

RIS除了應(yīng)用于電磁波調(diào)控之外，還可以應(yīng)用于聲波調(diào)控。通過控制每個(gè)聲波RIS單元的共振模式，而無需手動(dòng)對(duì)聲源或周圍散射體進(jìn)行任何調(diào)整，即可動(dòng)態(tài)調(diào)控聲波相位差，可以影響整個(gè)空間的聲場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)某個(gè)特定位置聲場(chǎng)強(qiáng)度的壓制或增強(qiáng)，為特殊用戶提供靜音或音量增強(qiáng)服務(wù)。

2RIS技術(shù)價(jià)值分析

RIS典型應(yīng)用場(chǎng)景包括收發(fā)端側(cè)和信道側(cè)兩類。在收發(fā)端側(cè)，既可以采用RIS簡化AAU設(shè)計(jì)，也可以基于RIS調(diào)制信源信息，實(shí)現(xiàn)簡化架構(gòu)的發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)。在基于RIS簡化架構(gòu)的發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中，發(fā)射陣面設(shè)計(jì)只是其內(nèi)容的一部分，基于RIS調(diào)制信源信息的技術(shù)難度遠(yuǎn)大于發(fā)射陣面設(shè)計(jì)。因此，目前階段，基于RIS的發(fā)射陣面設(shè)計(jì)的技術(shù)成熟度相對(duì)較高，通過與AAU的對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在典型場(chǎng)景下基于RIS的發(fā)射陣面原型系統(tǒng)的覆蓋補(bǔ)盲性能與AAU性能相當(dāng)。未來，通過進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提升硬件集成度，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于AAU的能效；與全棧BS相比，現(xiàn)階段基于RIS的簡化架構(gòu)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)還有待通過更多的優(yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)比測(cè)試進(jìn)行深入的分析驗(yàn)證。在信道側(cè)，RIS與BS呈互補(bǔ)關(guān)系。BS是提供移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)覆蓋的主設(shè)備，RIS作為一種輔助性設(shè)備，通過按需動(dòng)態(tài)調(diào)控特性，為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋提供了一種低成本、智能化、易部署的解決方案。同樣作為輔助性設(shè)備，采用有源器件設(shè)計(jì)的射頻直放站一直面臨天線自激干擾問題，入射信號(hào)經(jīng)直放站放大后，大部分信號(hào)由轉(zhuǎn)發(fā)天線發(fā)射至終端，少量信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)天線的后瓣耦合到主天線后瓣，再次進(jìn)入直放站接收端進(jìn)行二次放大，形成正反饋環(huán)路，導(dǎo)致功放、低噪放模塊進(jìn)入飽和狀態(tài)，嚴(yán)重影響通話質(zhì)量，引起掉話，甚至直放站及周圍BS的癱瘓?；跓o源器件設(shè)計(jì)的RIS轉(zhuǎn)發(fā)陣面，可以有效避免自激問題，支持超大規(guī)模陣元集成，并且在成本、功耗、體積等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，從設(shè)備性能增益角度而言，采用無源RIS在信道側(cè)作為輔助BS的深度覆蓋補(bǔ)充設(shè)備是SG-A階段最有可能落地的應(yīng)用場(chǎng)景。

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，在不同場(chǎng)景下，影響RIS技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的因素除了設(shè)備性能增益之外，還包括政策法規(guī)、市場(chǎng)規(guī)模、成本、技術(shù)成熟度與投資回報(bào)周期等多方面因素。RIS應(yīng)用在信道側(cè)的典型場(chǎng)景中，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋現(xiàn)狀和需求，在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，通過BS和協(xié)同部署的多個(gè)RIS聯(lián)合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)綠色低成本深度覆蓋。該類場(chǎng)景可以基于5G NR協(xié)議實(shí)現(xiàn)RIS與BS、終端的解耦，具有較高的技術(shù)成熟度和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化影響較小的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)規(guī)模較大，投資回報(bào)周期較短，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3RIS管控方案分析

RIS陣面采用無源器件的設(shè)計(jì)，能夠有效降低設(shè)備體積、能耗，提升陣元集成度，獲得更高的口徑增益，但是無源陣面缺少對(duì)信道環(huán)境的感知能力。為了實(shí)現(xiàn)按需動(dòng)態(tài)調(diào)控，RIS的控制信息可以通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)BS下發(fā)、控制模塊自主采集或接收終端上報(bào)等多種方式獲取，如圖7所示?；诰W(wǎng)絡(luò)控制的RIS方案中，RIS控制模塊上集成極簡能力終端模組，終端將測(cè)量報(bào)告經(jīng)RIS無源陣面轉(zhuǎn)發(fā)后上報(bào)給BS，BS依據(jù)信道狀態(tài)信息生成RIS控制決策并下發(fā)給RIS控制模塊終端模組，進(jìn)而對(duì)無源陣面進(jìn)行智能調(diào)控。RIS控制模塊集成的極簡能力終端模組既可以復(fù)用NB-IOT、RedCap以及NCR等標(biāo)準(zhǔn)化成果，也可以針對(duì)RIS特性進(jìn)一步精簡終端模組能力，僅支持波束ID、開關(guān)等少量控制信息的接收、解析與實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)方案對(duì)RIS的體積、成本和功耗影響較小，與RIS作為一種低成本、綠色節(jié)能的輔助性深度覆蓋設(shè)備的定位保持一致，通過標(biāo)準(zhǔn)化工作規(guī)范RIS控制模塊終端模組能力及其與BS間的接口協(xié)議，有利于進(jìn)一步推進(jìn)異廠家BS、RIS設(shè)備的協(xié)同融合。相比與基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制方案，RIS自主調(diào)控方案和基于終端的調(diào)控方案都會(huì)要求RIS控制模塊集成更強(qiáng)的射頻和基帶處理能力，在功能性能上與BS和網(wǎng)絡(luò)控制直放站等設(shè)備逐漸趨同，不僅增加了RIS控制模塊的復(fù)雜度、成本和功耗，削減了RIS在低成本、低功耗、易部署等方面的優(yōu)勢(shì)，弱化了RIS作為輔助性網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的技術(shù)定位，這種斷長補(bǔ)短的方式不利于充分發(fā)揮RIS技術(shù)價(jià)值，而且增加了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、設(shè)備管控、運(yùn)維優(yōu)化的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

4結(jié)束語

為了滿足更大帶寬、更高速率、更低時(shí)延、更智能化的業(yè)務(wù)需求，工作頻段更高、天線規(guī)模更大、設(shè)備算力更強(qiáng)是下一代末來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢(shì)，但同時(shí)也面臨成本、能耗等方面諸多挑戰(zhàn)。RIS設(shè)備在低成本、低功耗、低復(fù)雜度和易部署方面具有一定優(yōu)勢(shì)，既可以用于信道側(cè)室內(nèi)外覆蓋增強(qiáng)、多流增速場(chǎng)景，也可以用于BS側(cè)天線增強(qiáng)，可有效解決移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨深度覆蓋、綠色節(jié)能等方面的需求。不同場(chǎng)景中，受技術(shù)性能、產(chǎn)業(yè)成熟度、市場(chǎng)規(guī)模、成本收益等因素影響，RIS的技術(shù)價(jià)值有顯著不同。目前，信道側(cè)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋是RIS高價(jià)值應(yīng)用場(chǎng)景。在RIS管控方案中，基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的控制信息下發(fā)方案是一種較優(yōu)的技術(shù)方案，對(duì)RIS的體積、成本和功耗影響較小，并且具備通過標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)異廠家BS、RIS設(shè)備的協(xié)同融合。