智能超表面（RIS）实用化的一些考虑

智能超表面（RIS）实用化的一些考虑 袁弋非 2023-8-30 目录 部署场景和信道模型 技术分析 •超材料器件的调控 •空口控制信令 •基于RIS的基站 •标准化策略 部分进展 •超材料器件 •系统仿真 •现网测试 2 解决问题扩大网络覆盖、提升小区容量、抑制用户干扰、部署灵活低碳 RIS部署场景 应用场景小区边缘覆盖提升，小区容量增强，上行增强，室内覆盖增强，高精度定位，低空航路覆盖 广东移动测试场景：覆盖增强 IMT-2030测试场景（2022）：覆盖增强 室内覆盖室外覆盖 室内L型走廊 清华√ 室内开放办公区 室外 室外多用 覆盖户 用户级波束赋型 杭州亚运试点计划：潮汐效应区域，忙时扩充容量，闲时保证基本覆盖 联通+ 清华√√ 移动+ 东南√√√√ 中兴√√√√√ 场馆11扇区，无比赛时网络流量低，直接关断基站影响基础运行，考虑用RIS反射信号保证覆盖 3 散射体簇3 •4GHz或6GHz 测量频点 建模方法 •毫米波（TBD） 方案 优势 劣势 Option1：RIS面板确定性建模，BS-RIS与RIS-UE两跳链路单独建模 Option1a:两段信道基于38.901分别建模，按照一定准则删掉一些径 参照38.901模型， ，两跳链路的小尺度信 ，道公式容易表达 •占用内存巨大，运行速 度慢。 •缺少理论或实测支撑，不确定该模型是否符合实际 两种方案小尺度建模涉及代码架构的修改，如何与原有架构融合有待研究 Option1b:增加一个RIS径对于其他径的影响（TBD）例如建模一个RIS径，其他22条按照随机模型建模 Option2：将RIS建模为一个散射体簇（cluster）加入原有BS-UE的建模 基于现有平台，不会大幅增加运行内存和速度 •如何表征RIS散射体？需明确RIS散射体簇与传统簇是否有区别？ •当RIS-UE为NLOS，如 何建模？将RIS建模为两跳簇？ 将RIS建模为一个网络节点 散射体簇4 RIS信道测量和建模方法 测量数据 •路径损耗：直连和级联两条信道路损的关系 •时延、角度、功率的分布 •其他方法：基于raytracing，替代或者补充实测数据 散射体簇1散射体簇2 兼容和近场 散射体簇5 将RIS建模为一 个散射体簇 ？ 散射体簇1 散射体簇2 •确保在3GPP框架下，尽可能复用建模方法和模块，降低讨论和建模的开销 •近场特性可以单独的考虑4 RIS信道模型举例 RIS天线模型的建模 RIS作为反射器件，理想建模情形下，其反射方向图应符合镜面反射特性，即在给定某入射角度θ 的情况下，反射方向图应在对称角度-θ时有最大增益 RIS的信道建模 在远场条件下，以38.901模型为基础，引入BS-RIS和RIS-UE两段链路的大尺度信道建模，计算接收信号功率 •接收信号功率与BS-RIS、RIS-UE两段链路的路损、阴影衰落和天线增益相关 •考虑RIS面板不同反射单元引起的相位差 RIS的入射波 引起的相位差 RIS的出射波引起的相位差 5 目录 部署场景和信道模型 技术分析 •超材料器件的调控 •空口控制信令 •基于RIS的基站 •标准化策略 部分进展 •超材料器件 •系统仿真 •现网测试 6 实际RIS器件 可调器件电磁建模的准确度、超表面材料的加工质量等因素会使得RIS器件的实测性能与仿真有较大差异 RIS单元仿真与实测特性的差异* 幅值响应 相位响应 电磁仿真结果 实测器件特性 幅值响应 相位响应 *与东南大学程强老师团队的联合研究 7 器件调控功能的角度稳定性* 8个相位状态，反射幅度均大约-2dB TM0~60斜入射下，幅度相位基本稳定，但与理想情形仍存在明显偏差，对上下行波束方向互易性有影响 8 *与东南大学程强老师团队的联合研究 无去耦措施，单元间较大的耦合使得有源S参数恶化严重 RIS单元间的互耦 9 双极化单元器件不足 东南大学 单极化/1bit/2.6GHz/列控单极化/2bit/26GHz/列控 华为（购买南京大学） 单极化/2bit/2.6GHz/点控/带宽200M 目前业界用于测试多为单极化RIS，测试时需保证入射极化方向与RIS单一极化方式对准 北邮（购买行晟） 单极化/1bit/26GHz/点控 行晟科技（清华） 双极化（棋盘分布）/1bit/26GHz/点控 大唐（购买北大） 双极化（两块单极化板） /1bit/26GHz/点控 目前业界双极化样机： •双极化（棋盘拼凑） •双极化（双板拼接） •双极化（单元双极化，主要在静态RIS上实现） •目前用于测试的双极化样机均为拼凑（棋盘或者双板），较易实现，能够满足双流性，但是对于每种极化方式的面板利用率为 1/2，依然无法解决反射产生镜像极化分量干扰的问题 10 RIS受限于实际硬件的约束，多数为离散相位调控，基于连续相位假设优化得到的单元相位经过量化，会有一定的性能损失，多波束时更为明显 码字设计通常遵循适用于远场范围的DFT码本，但RIS有可能在近场条件下工作 可以以闭式解为初始值，采用非线性启发性优化算法 （如遗传算法，人工蜂群算法等） 阵列相位码字的优化* 远场单波束 近场单波束 远场双波束 11 *与东南大学金石老师团队的联合研究 RISController External memory Network controller Internal memory Sync. clock Array driver FPGA RIS硬件调控 Multi-portserialinterface RISpanel(elementarray) 011000…1110101 110101…0110011 … 001110…0110101 RIS控制器中的网络控制单元具有一定的通信功能，最好通过无线方式，以提高部署灵活性与空口标准化的衔接？ 码字刷新/调整/存储等可以在控制器内存和外存中完成，需充分考虑RIS单元的非理想特性 RIS驱动器根据网络控制单元的指令，在内存/外存中得到相应的码字，然后结合同步时钟，转化成比特流，串行或者 并行驱动均可 12 空口控制的可实现性 �=𝐇𝟐𝚽𝐇𝟏𝐕�+� M天线 RIS H1 . . . 基站  H2 K反射单元 . 终 端 𝐅,� subjectto maxlog2𝑑𝑒�𝐈�+𝐇𝐕𝐕𝐻𝐇� 𝑡�𝐕𝐕�≤𝑃�and 𝜙�=1,∀�∈� where�=𝐇𝟐𝚽𝐇� 迭代加权MMSE算法 复杂理论* . . N天线 复杂RIS理论求解需要在实际系统中简化工程可实现的方案 𝐲eq=𝐔H��𝐕H𝚽𝐔𝟏�=𝐕H𝚽𝟐𝚽𝟏𝐔𝟏� � 2 2 RIS输出相移匹配RIS-UE信道发端特性 RIS输入相移匹配BS-RIS信道收端特性 信道秩(Rank)=1，退化成RIS波束对准问题 简化求解 Q.Gu,D.Wu,X.Su,et.al,“Performancecomparisonsbetweenreconfigurableintelligentsurfaceandfull/half-duplexrelays,”IEEEVTCFall2021.13 空口控制的基本模式 网络控制的直放站与RIS中继的空口控制有一定的异同 静态/半静态 基站RIS中继 终端 相位多次调整及信道测量 CSI反馈 基于CSI的RIS单元相位控制 RIS单元相位配置 波束的多次调整 波束反馈 选择后波束 RIS单元相位配置,波束方向调整 固定波束 连接建立和反馈 控制链路 网络控制的直放站(NCR) NCR中的终端功能NCR中的转发模块 动态、信道透明 基站回传链路 带内:共享射频 接入链路 终端 下行反射 上行反射 共享射频 终端 反射单元阵列 控制模块 控制链路 动态、信道不透明 RIS中继 基站 14 信道估计 RIS作为一种无源器件，其每个天线单元的孔径较小，增益十分有限 考虑BS-RIS路损与RIS-UE路损的乘性关系，每个天线单元的级联信 道路损严重，信号过弱，难以保证准确的信道测量与估计 在通常测试中，RIS板是当作一个整体，从测得的总的天线方向图反推每个单元的天线方向图 初期RIS部署的信道估计以波束赋形为基本假设 RIS单元相位的时空编码15 RIS基站馈电方式 透射式的插损较高，多层结构复杂 反射式的波束扫描范围大，损耗相对较低，比较成熟，较易实现，馈源可以是喇叭天线或者波 导天线 透射式反射式 16 ... Up-converter Antennasandliningplate PA 毫米波数模混合天线 与毫米波数模混合天线的比较 DigitalMIMOconfig ... DAC DAC Analog ... beamforming Antennasandliningplate 采用专用移相器件进行调相 每个数字通道对应器件多 数模混合波束赋形，精度高 支持双极化 RIS基站天线 EIRP计算 传统基站 RIS基站 天线阵子数 256 625 数字通道数 4 4 PA出口功率(dBm) 10 32 天线增益(dB) 30 26 MIMO增益(dB) 24 6 TxEIRP(dBm) 64 64 256PAsvs.4PAs DigitalMIMOconfig ... DAC DAC Up-convertorPA Metamaterial-basedbeamforming 主要控制超表面单元相位电磁特性 结构简单，每个数字通道对应器件少 量化比特导致波束赋形精度不很高 双极化和联合幅度/相位调控有待突破 无源增益较低，需功放补偿或增大口径 宏站场景，RIS基站整体性能有差距，当前较难取代传统天线 小微站场景：RIS基站有望以低成本和低功耗实现波束赋形17 LTE-A中继和MIMO的经验教训 Mainfeature Sub-feature Keyareas Characteristics LTErelay Typerelay 1 R-PDCCHdesign InterleavedR-PDCCHNon-interleavedR-PDCCH Relaybackhaulstructure timingandsubframe Cellsize<6km6km<Cellsize<15kmCellsize>15km BackhaulsubframeconfigurationandHARQtiming FDD:255processes config.,6 HARQ TDDConfig#1,#2,#3,#4,#6 Typerelay 2 CooperativemodeResourcereusemode - FD-MIMO Channelmodel Geometrybasedstatisticalmodel(GBSM)based 3Dbasedcoordinates3Drelatedparameters EnhancedMIMOforverticalbeams Mappingfordigitalantennaportstoantennaelements - Codebookdesign KroneckerproductofPMIofhorizontalantennasandPMIofverticalantennas Downlinkcontrol DCIformatenhancement CSIfeedback PMI/RI/CQIenhancements 部署场景需要具有普遍性，例如宏网的 容量增强、覆盖延伸等 技术方案要能最有效的解决问题，不能堆砌必要性不强的专利技术 空口技术发展要紧密结合相关实现类技术的发展和突破 18 标准推进策略 2022.3 Rel-18 2023