2023面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書

面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）PAGEPAGE10目 錄概述 2應用場景 4通信系統(tǒng)設計 6與網(wǎng)絡控制直放站的對比分析 6基于波束的傳輸方案 7信道建模 13器件調控 15調控精度 15幅相調控 15雙極化 16功耗與成本 16性能驗證 17器件特性驗證 17系統(tǒng)級仿真驗證 19現(xiàn)網(wǎng)測試驗證 22分階段推進策略 27總結與展望 30縮略語列表 31概述新型關鍵技術帶來的服務質量的提高已經(jīng)成為了蜂窩移動通信系統(tǒng)代際更替的驅動力。第五代移動通信（the5thGenerationMobileCommunication，5G）采用了大規(guī)模多輸入多輸出（Muti-ptMuti-tut，MMO、毫米波通信（millimeterwave，mmWave）等關鍵技術，以支持增強型移動寬帶通信、海量千億臺設備提供泛在連接[1]。然而，5G關鍵技術所帶來的高復雜度、高成本、MIMO6GHz頻段通常需要更復雜的信號處理以及更昂貴、更耗能的射頻硬件。（the6thGenerationMobile（ReconfigurableIntelligent是一種通過可調電磁元件控制電磁波傳播特性的新技術[2–4]獨立可調，引起入射信號的振幅和/或相位變化，從而實現(xiàn)細粒度的三維波束賦RIS（CooperativeReflectingNod，CN，如圖1所示，其具有如下技術優(yōu)勢：和可編程無線環(huán)境開辟了道路。RISFPGA等小型有源器件外，無需功放、饋線等5以內。低成本：無需復雜的射頻和基帶處理電路，硬件成本可以更低。低熱噪聲：RIS通常不需要功率放大、下變頻等對接收信號進行處理，而僅僅改變信號的方向，因此熱噪聲低。全雙工高能效：RIS可以實現(xiàn)對信號的實時反射，而無需先接收后轉發(fā)，可以節(jié)省傳輸時間實現(xiàn)全雙工，有望提高能效。圖1協(xié)作反射節(jié)點示意圖基于上述技術優(yōu)勢，RIS可以進行低成本、低功耗的密集部署，且無源RIS5G6G網(wǎng)絡帶來了全新的范式。RIS作為一種新興的跨學科技術，需要無線通信、射頻工程、電磁學和超材RISRIS。學術界對RIS的熱情迅速蔓延到了產(chǎn)業(yè)界[8]：20206月8RISIEEE新興技EmengholoynitiieET2011ESE-6，20219月成立的RIS的歐洲電信標準協(xié)會（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，ETSI）行業(yè)規(guī)范小組（IndustrySpecificationGroup，ISG）以20224S技術聯(lián)盟（STHAllian，S。RIS原型系統(tǒng)項目和現(xiàn)場試驗[9]2019RISSISOMIMOQAMRIS20229RIS任務組已完成了移動-東南聯(lián)合團隊、聯(lián)通-8家高校和2.3GHz28.5GHz的波束調控超表面陣列，并對其可行性和有效性進行了驗證。美國MITUCSDRFocusScatterMIMORISRISDOCOMO2019年首次在外場測試了基于RIS28GHzRIS60Mb/s560Mb/s。2021經(jīng)過幾年如火如荼的研究，協(xié)作反射節(jié)點技術的研究已經(jīng)有了長足的進展，落地商用指日可待。為進一步加速推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展和商用進程，2023年4月CCSATC5WG6#66次會議上中國移動等三大運營商與中興通信聯(lián)合牽頭成功立項“智能超表面工程化關鍵技術研究”。理論研究水平來分階段推進該技術的演進和發(fā)展。應用場景協(xié)作反射節(jié)點可以應用于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡，提升網(wǎng)絡的關鍵性能指標（Keyrrmaendir，KPI。一是覆蓋增強，S可部署在建筑物表面或室內，通過可控的反射/RIS，通過波束賦形，定向增強有用信號接收功率的同時，有效抑制鄰區(qū)干擾，提升用戶上下行速率。如圖2所示。圖2協(xié)作反射節(jié)點應用場景RIS重點部署?；诋斍半A段的原型樣機，業(yè)界主要針覆蓋增強IMT-2030測試測試重點是毫米波頻段的室內和室外覆蓋場景，如表格1所示。RIS32.6差。表格1IMT-2030測試場景室內覆蓋室外覆蓋室內L型走廊室內開放辦公區(qū)室外覆蓋室外多用戶用戶級波束賦型圖3 廣東公司外場測試場景道條件（如匯聚能量、增加散射徑等擴容增流20234RISRIS本覆蓋。圖4杭州亞運會試點場景202371業(yè)和信息化部率先在全球將6425-7125MHz全部或部分頻段劃分用于IMT（含5G/6G）系統(tǒng)。6G深耕頻段，RIS應用潛力還可進一步挖掘。通信系統(tǒng)設計與網(wǎng)絡控制直放站的對比分析3PPel18立項了網(wǎng)絡控制直放站（Ntorkotlldeer，NR，景，兼顧中低頻。3GPPRel-18NCR順利過渡至協(xié)作反射節(jié)點，應進行詳細分析，NCRRIS存在的差異。該分析如圖5所示。首先，RISNCRRIS的波束會比NCR束資源，如何進行低開銷的波束訓練/RISNCR的增量研究之一。NCR的控制鏈路和回程鏈路是帶內鏈路，共用射頻模塊；由RISRISRIS性能。再次，NCR需要功率放大，對供電和能耗有一定的需求；而RIS僅需對控制模塊供電，可以通過控制方案設計達到顯著節(jié)能的效果。最后，NCR的射頻單元可以關斷以停止轉發(fā)；而RIS無相位加載時可以進行鏡面反射，因此可以進一步設計不同的開關策略。圖5RIS與NCR對比NCR是一種面向需求而生的技術，主要解決高頻場景下的覆蓋問題。RISNCRNCR具有更多的可控單元，NCR性，如改變信道環(huán)境，提升容量。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，RIS可能性?；诓ㄊ膫鬏敺桨窻IS早期可以假設RIS以實現(xiàn)特定用戶的波束賦形，如圖6所示。用戶數(shù)較少，建站成本和阻力較大等。靜態(tài)/RIS的設計目標主要是低成盲波束賦形半靜態(tài)方案RIS級聯(lián)天線單元相位，使復合信道的容量最大化[11]。RISRIS的特定終端（UE-specific）波束賦形方案。圖6基于波束的RIS傳輸方案波束掃描RISRISRISRIS在初RIS面板上的天線單元進行相位梯度的調節(jié)，sub-6GHz，也同樣適用于毫米波頻段。中低頻部署圖7是一個固定波束工作模式的示意圖，比較適合中低頻段部署。這里的RIS面板的方向角度，RIS采用合4RIS范圍。RIS4473RIS。RIS3據(jù)。流程如圖6“基于波束反饋的動態(tài)工作模式”所示。RIS（RIS面板到終端的空間角度信息信令的開銷較小。從圖7還可以看出，由于基站采用小區(qū)寬波束，在本小區(qū)的終端存在兩種情況：終端處于基站覆蓋內：都是能與基站直接通信的。此時，RIS級聯(lián)鏈路的作RIS、RIS徑，級聯(lián)鏈路可以增加終端的接收信號功率；②當以上幾條鏈路存在明顯NLOSMIMO的信道容量。終RIS反射。終端處于覆蓋盲區(qū)或者基站覆蓋之外終端不用區(qū)分信號3，還是加上小區(qū)寬波束的。如圖9“基于波束反饋的動態(tài)工作模式”流程仍然適用。圖7基站寬波束&RIS固定波束工作模式的示意圖（sub-6GHz）高頻段部署84個固定的小區(qū)波束，RIS面板盡量部署在靠近其中一個2RIS面板用4來轉發(fā)數(shù)據(jù)，從而繞過阻擋，解決毫米波部署的覆蓋/補盲問題。如9“基于波束反饋的動態(tài)工作模式”流程同樣適用。圖8基站固定波束&RIS固定波束工作模式的示意圖（毫米波）信道獲取UE-specific波束賦形可RIS圖9RIS面板和終端。RISRIS到RIS采用UE-specific8RIS-終端鏈路的空間圖9UE-specific波束工作模式的示意圖（Sub-6GHz）RISRIS為無源器件，雖然其反射陣子的反射系數(shù)RIS自身無法根據(jù)信道信息進行相應RISRIS陣面單元，對逐個陣子進行信道估計，實際上并不可行，原因如下：RIS能通過開關陣面單元進行逐個陣子的信道估計；BS-RISRIS-UE路損的乘性關系，每個天線單元的級聯(lián)信道路損嚴重，導致信號太弱，無法保證準確的信道測量和估計；在通常測試中，RIS單元的天線方向圖。目前RIS輔助系統(tǒng)的信道估計和反饋方案都集中于理論研究，而應用于實際通信系統(tǒng)還存在如下缺失：RIS整，才能使得終端能夠做出合適的信道估計和反饋。RISRIS方法、反饋的模式和內容。為了彌補上述缺失，以下設計思路可供參考。參考信號設計RISRIS時的參考信號/RIS參數(shù)不調整時的參考信號。RIS時的參考信號/RIS參數(shù)調整時的參考信號。流程設計信道估計和反饋的流程設計示例如圖10所示，其具體流程如下：第一步，終端接收基站信號，可以包括同步信號、CSI-RS等。SS（I類參考信號RISII參考信號。II（RIS本SIS（S有RIS自身決定并上報基站。第四步，基站發(fā)送II類參考信號，RIS基于配置的信息在相應的RS發(fā)送位置4-19從基站處要獲得參考信RIS經(jīng)過不同相位反射的信號。IIIIPMI是基于哪類碼本的反饋。RISRIS。第七步，基站傳輸業(yè)務，RIS根據(jù)配置，在相應的傳輸資源上使用配置的相位信息反射信號。圖10信道估計和反饋流程（反射板即RIS）2建議：低信令開銷的快速部署。因素，合理設計傳輸和控制方案。RIS規(guī)模比較小、且以波束寬CSICSI的動態(tài)方案性能更優(yōu)。RISCSICSIRISRIS的折中。表格2應用場景與關鍵技術總結典型應用 商用目標 方案理論共性目標 個性目標 方案設計 理論模型覆蓋補盲（傳統(tǒng)網(wǎng)絡性能提升）

低成本低功耗

非標準化偏硬件實現(xiàn)類方案靜態(tài)/半靜態(tài)控制對終端透明標準化動態(tài)控制or

遠場大尺度信道模型遠場信道模型新型應用 易部多形態(tài)

各種控制方式共存

遠場&近場信道模型信道建模RISRISMIMOMIMORIS性能潛力，RIS面板的孔徑可能非常大，以至于傳播條件可能是近場。CRN考慮到重點是RISCRN（LightofeomtrybaditialmodlSM）（3GPPTR38.901中采用的建模方法可以很容易地擴展為級聯(lián)模型MIMO信道，RIS11和表格36GRIS階段，可考慮采用射線跟蹤類型RIS性。圖11RIS建模方法：左圖option1；右圖option2表格3RIS建模方法對比方案優(yōu)勢劣勢Option1a:兩端信道參照38901模型，兩跳鏈路的小尺度信道公式容易表達基于38.901分別建兩種模，按照一定準則砍方案Option1：將RIS掉一些徑占用內存巨大，運行速度小尺度建視為一個網(wǎng)絡節(jié)慢模涉點，BS-RIS與RIS-UE兩跳鏈路單獨進行小尺度建模Option1b:增加一個RIS徑，對于其他徑RIS22確定該模型是否符合實際及代碼架構的修按照隨機模型建模改，如何與原尚待研究：有架Option2：將RIS建模為一個散射體簇（cluster）加入原有BS-UE的建模基于現(xiàn)有平增加運行內存和速度RIS散射體RIS的散射體簇與傳統(tǒng)簇的區(qū)別當RIS-UE是NOLS時，如何建模，是否將RIS建模為兩跳簇構融合有待研究器件調控調控精度在基站中，來自遠端射頻單元（RemoteRadioUnit，RRU）的射頻信號沿法這將引入新的問題。例如，在設計合理的情況下，如圖12硬件仿真結果所示，反射主瓣方向的正弦值（sinθt）和入射角的正弦值（sinθi）之和in△S所處的微電磁環(huán)境比3比特時，RIS硬件設計的首要任務當是確保角度關系在較大入射角范圍內的一致性；當調（1比特圖12RIS入射角，反射角和單元相位之間的關系幅相調控RISRIS振幅調整。雙極化RISRISRIS元件水平極化的獨立調節(jié)也會使相位調節(jié)的比特分辨率預算更加緊張。功耗與成本RISRIS長時間維持某個相位，低功耗下維持相位的方法如圖13所示。RIS其成本和功耗都比較高。到一定階段，基本設計原則確定后，RIS的硬件設計應RISRISPINRIS面板RISPIN二極管和變容二極管；RIS面板的制造也將由更專業(yè)的供應商來完成，例如敷銅板制造商。根據(jù)入射角/反射角計算元素相位需要消耗一定的功率。就目前而言，F(xiàn)PGARIS元素數(shù)量的增加，和/或如果需要更復雜的軟校正來減輕元表ASIC芯片可有效降低功耗，提高性能。圖13相位維持方法RIS還需要一定的折中。性能驗證RISRISRISRISRIS中的試水，測試結果對產(chǎn)品迭代改進具有重要意義。器件特性驗證電磁仿真方法為充分研究RIS器件及陣列的波束特性，需要搭建CST電磁仿真平臺。對RIS陣列的電磁仿真可以采用如下兩種方法，如圖14所示：RLCRLCCST真時間短，大幅提升器件特性仿真效率[12]。圖14傳統(tǒng)電磁仿真方法與面積等效相位建模方法特性驗證RIS計算陣列相位，并進行全波仿真，可以得到如下結論：首先證明了±606015所示。其次，仿真驗證了1bit調控RIS在遠場條件下存在鏡像波束，多bit調控RIS在調節(jié)精度、波束指向準確性上存在顯著優(yōu)勢。圖15±60°入射角范圍內互易性成立，角度大于±60°范圍互易性變差再次，單極化RIS僅能對一種極化波（其電場平行于表面電流）調相及波束RIS接收增益下降、雙流傳輸受到影響，如圖16所示。圖16單極化RIS對45°入射極化波僅對一個極化方向有賦形效果測試方法RIS器件/原型樣機的反射特性，可以考慮緊縮場、平面近場、弓形測測試例。系統(tǒng)級仿真驗證評估指標和因素點位置等不同規(guī)格性參數(shù)配置下的對系統(tǒng)性能進行評估。規(guī)格性參數(shù)17示。評估對象可以是信干噪比（SignaltoNoiseandInterferenceRatio，SINR）和參考信號接收強度（ReferenceSignalReceivedPower，RSRP）的累積概率函數(shù)（cumulativeprobabilityfunction，CDF）如圖18所示[13]。圖17用戶和智能超表面位置分布圖18不同位置、調控精度和陣子規(guī)模下的CDF曲線表格4系統(tǒng)仿真參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值參數(shù)值頻點2.6GHz陣子數(shù)16*16,40*40陣子間隔0.8λ*0.5λRIS個數(shù)/扇區(qū)8,16基站高度25m用戶高度1.5mRIS高度15mRIS極化單極化場景7小區(qū)21扇區(qū)RIS更能提升邊緣用戶的性能；2bitRIS性能已經(jīng)接近理想調相性能。典型調控模式包括靜態(tài)/4.3節(jié)中圖6所示。動態(tài)工作模式是利用RIS規(guī)模和位SINRRSRPCDF曲線，如圖18所示圖1916x16和40x40RIS系統(tǒng)仿真在不同波束寬度下的系統(tǒng)級仿真對比描間隔與波束寬度相當時，波束掃描與針對用戶的波束賦形的性能相當。現(xiàn)網(wǎng)測試驗證現(xiàn)網(wǎng)測試最直接地可以給出在一定場景下，RIS樣機可以帶來的性能影響。本小節(jié)給出兩個現(xiàn)網(wǎng)測試實例，測試方法和測量結果可供后續(xù)研究參考。深圳現(xiàn)網(wǎng)智能超表面測試系統(tǒng)（深圳首次完成了室外補盲室測試系統(tǒng)平臺如圖20所示[14]。圖20深圳現(xiàn)網(wǎng)RIS測試系統(tǒng)表格5系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)值陣子數(shù)16*16頻點2.6GHz帶寬200MHz室外補盲室內在該場景下，測試驗證了RIS的最佳入射角度（測試環(huán)境如圖21所示）和RIS最佳尺寸（測試面板如圖22所示。21室外補盲室內場景：最佳入射角度驗證22RIS尺寸驗證對于最優(yōu)入射角度驗證，測試結果如圖23RIS、金屬板和RIS的速率。30RSRP和上下行速率增益；上下行增益相當，RISTDD網(wǎng)絡依然保留上下行的互易性。圖23上圖RSRP性能；中圖DL吞吐性能；下圖UL吞吐性能對于RIS面積驗證，得到RIS大小對覆蓋范圍的影響，如表格4所示，RIS越大，能覆蓋的范圍就越大，256陣子的RIS可以覆蓋800平方米。表格6RIS面積對覆蓋范圍的影響室內延伸覆蓋RISRIS信號強度（綠色SSP了一定的增益，如圖25所示。圖24室內覆蓋延伸測試場景

圖25室內覆蓋延伸測試結果在該場景下，測試驗證了較為開闊的街道，小區(qū)較多，干擾情況較為復雜，26RIS27RISRSRPSINRSINR的尋優(yōu)相位算RSRP尋優(yōu)相位算法。圖26室外多干擾場景圖27室外多干擾場景測試結果杭州亞運會智能超表面應用試點2023年8月研究院、中國移動浙江公司攜手中興通訊，聯(lián)合在杭州亞運會場館完成了智能超表面的應用驗證，為杭州亞運會提供了通信網(wǎng)絡保障，滿足了賽事高清直播等業(yè)務對場館內高質量網(wǎng)絡覆蓋的需求，同時也降低了建網(wǎng)難度和投資成本。圖28場館內部署的RISRISRIS掃描和用戶跟蹤，顯著提升了信號覆蓋質量和用戶速率。測試結果如圖29和30RSRP（參考信號接收功率）20dB，用戶速率上下行速率準確跟隨用戶，信號強度和速率均保持穩(wěn)定。29RIS前的場館用戶速率與信號覆蓋質量30RIS后的場館用戶速率與信號覆蓋質量分階段推進策略業(yè)界廣泛認為RIS代表著移動通信模式的轉變[15]，隱藏在電磁場中的巨大空RISRIS仍然面臨許多尚未深入研究的基本問題（ChannelState測量等，還需要更加深入的研究，提出切實可行的解決方案[17]。件調控、信道模型、空口控制等方面的分析，RIS逐步推進，如圖31所示。圖31RIS分階段推進策略階段一：網(wǎng)絡控制直放站3GPPRel-18NCR具有（Mobile32所示的控制鏈路NCR的控制信令，和執(zhí)行上行發(fā)送功能?？刂奇溌泛突爻替溌稲IS的前身，NCRRIS具有一些共同特Rel-18NCR信令時，已考慮后向兼容性，Rel-18NCRRIS控制信道的基礎，如圖32所示。圖32上圖：Rel-18NCR控制和數(shù)據(jù)轉發(fā)模塊；下圖：RIS可能的控制和數(shù)據(jù)反射模塊階段二：信道建模RIS束進行長期信道測量。后期，RIS將更加動態(tài)，需要更為完善的信道信息（大小尺度參數(shù)2RIS的信道模型的研究將3的空口技術研究奠定堅實的基礎。階段三：空口RIS技術研究RIS設備和現(xiàn)有的信道模型，RIS最顯著的優(yōu)勢來自波束賦RISRel-18NCRRISNCRRIS在系統(tǒng)參3.1小節(jié)。RISRISRIS將不僅僅發(fā)揮中RISMIMO變得更加普遍。RIS也可以在規(guī)范中對移動終端可見，這樣每個移動終端就可以明確測量信道，從而更有效地控制RIS輔助傳輸。RIS還可能具有一定的感知能力，可以估計移動終端的位置，然后推導出所需的波束方向。Rel-18NCRRIS器件設計與生產(chǎn)的不斷進步，RISFPGA6GRIS研究。總結與展望分階段地逐步推進協(xié)作反射節(jié)點，與理論研究和產(chǎn)業(yè)成熟度相匹配。以Rel-18NCRRel-196GRIS空口研究奠定堅實的基礎。之外，容量提升也將成為關注的重點場景。RIS。對于覆蓋增強場景，關鍵技術主要涉及到RIS化助力。3GPPTS38.901RIS的性能增益。等問題，可以采用電磁仿真和暗室測試等方法對器件性能進行驗證?？s略語列表縮略語英文全名中文解釋3Dthreedimensions三維3GPPthe3rdGenerationPartnershipProject第三代合作伙伴計劃4Gthefourthgenerationmobilecommunication第四代移動通信5Gthe5thGenerationMobileCommunication第五代移動通信6Gthe6thGenerationMobileCommunication第六代移動通信ASICApplicationSpecificIntegratedCircuit專用集成電路CCSAChinaCommunicationsStandardsAssociation中國通信標準化協(xié)會CDFcumulativeprobabilityfunction累積概率函數(shù)CRNCooperativeReflectiveNode協(xié)作反射節(jié)點CQIChannelQuality