面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023年）

面向网络协作的 智能超表面技术白皮书 （2023年） 中国移动通信集团有限公司 1 编制单位：中移智库、中国移动通信研究院 前言 作为我国原生技术，智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface，RIS）是一种新型的人工电磁表面，通过结构设计和编码控制，可实现对空间电磁波的调控，改善电磁波传播环境，具有低成本、低功耗、低热噪声等特点，是未来6G技术构建智能无线传输环境的重要基础之一。本白皮书面向商用落地，重点关注智能超表面作为协作反射节点，即在未来复杂组网中由基站的统一协调进行协作反射，在应用场景、通信系统设计、信道建模、器件调控和性能验证等方面提出了相关倡议，提出综合考虑产业成熟度和理论研究水平来分阶段推进该技术的演进和发展。希望能够为产业在规划设计协作反射节点相关技术、产品和解决方案时提供参考和指引。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 目录 1.概述2 2.应用场景4 3.通信系统设计6 3.1.与网络控制直放站的对比分析6 3.2.基于波束的传输方案7 4.信道建模13 5.器件调控15 5.1.调控精度15 5.2.幅相调控15 5.3.双极化16 5.4.功耗与成本16 6.性能验证17 6.1.器件特性验证17 6.2.系统级仿真验证19 6.3.现网测试验证22 7.分阶段推进策略27 8.总结与展望30 缩略语列表31 参考文献33 1.概述 新型关键技术带来的服务质量的提高已经成为了蜂窝移动通信系统代际更替的驱动力。第五代移动通信（the5thGenerationMobileCommunication，5G）采用了大规模多输入多输出（Multi-InputMulti-Output，MIMO）、毫米波通信 （millimeterwave，mmWave）等关键技术，以支持增强型移动宽带通信、海量物联网、超高可靠性和超低延迟通信等多种应用场景，将网络容量提升千倍，为千亿台设备提供泛在连接[1]。然而，5G关键技术所带来的高复杂度、高成本、高能耗等问题尚未解决。例如，将大规模MIMO的应用从6GHz以下频段扩展到mmWave频段通常需要更复杂的信号处理以及更昂贵、更耗能的射频硬件。 因此，未来第六代移动通信（the6thGenerationMobileCommunication，6G）需要探索高频谱效率、高能效和高成本效益的解决方案，以实现更大的容量、更低的延迟、更高可靠性、更高安全性和更全面覆盖的美好愿景。 智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface，RIS）是一种通过可调电磁元件控制电磁波传播特性的新技术[2–4]。具体来说，RIS是由紧密排布的低成本无源电磁超材料构成，通过引入可调器件阵列和控制模块，使得每个元件的工作状态独立可调，引起入射信号的振幅和/或相位变化，从而实现细粒度的三维波束赋形。RIS可以作为中继节点赋能通信网络，即协作反射节点（CooperativeReflectingNode，CRN），如图1所示，其具有如下技术优势： 重构传播环境：有望打破传统无线环境的随机性和不确定性为移动通信网络带来的不可控因素，重塑无线传播环境，提供了新的自由度，并为实现智能和可编程无线环境开辟了道路。 低功耗：由于RIS除控制器如FPGA等小型有源器件外，无需功放、馈线等器件，因此有望实现低功耗，低频段样机的器件和控制功耗有望优化在5瓦以内。 低成本：无需复杂的射频和基带处理电路，硬件成本可以更低。 低热噪声：RIS通常不需要功率放大、下变频等对接收信号进行处理，而仅仅改变信号的方向，因此热噪声低。 全双工高能效：RIS可以实现对信号的实时反射，而无需先接收后转发，可以节省传输时间实现全双工，有望提高能效。 图1协作反射节点示意图 基于上述技术优势，RIS可以进行低成本、低功耗的密集部署，且无源RIS之间无需进行复杂的干扰管理。此外，还可根据实际情况制造，以便安装在任意形状的表面上，从而满足不同应用场景的需要。在解决现有5G面临的问题的同时，也为6G网络带来了全新的范式。 RIS作为一种新兴的跨学科技术，需要无线通信、射频工程、电磁学和超材料等学科的的协同配合，全球学术和产业界已开展了相关的研究和试验工作。学术界的研究内容涉及基本性能、信道估计、基站和RIS联合预编码、信道模型等[5,6]。RIS还与人工智能、机器学习、非正交多址接入、通信感知一体化、太赫兹波段通信等相结合[7]。学术界对RIS的热情迅速蔓延到了产业界[8]：2020年6月成立的IMT-2030（6G）RIS任务小组，2020年8月成立的关于RIS的IEEE新兴技术倡议（EmergingTechnologyInitiative，ETI），2021年1月成立的欧盟（EU）RISE-6G，2021年9月成立的RIS的欧洲电信标准协会（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，ETSI）行业规范小组（IndustrySpecificationGroup，ISG）以及2022年4月成立的RIS技术联盟（RISTECHAlliance，RISTA）。 学术界和产业界通力合作，联合开展了数十个RIS原型系统项目和现场试验[9]。2019年，由东南大学团队首次提出并构建了基于RIS的信息调制超表面基站，实现了基于SISO和MIMOQAM调制的无线通信试验系统，率先实现了基于RIS的新型无线调制技术从无到有的突破。2022年9月，IMT-2030RIS任务组已完成了移动-东南联合团队、联通-清华联合团队、中兴、华为、大唐等共8家高校和企业的智能超表面原型样机性能验证。清华大学团队设计搭建了应用于2.3GHz和28.5GHz的波束调控超表面阵列，并对其可行性和有效性进行了验证。美国MIT和UCSD大学分别搭建了名为RFocus和ScatterMIMO的RIS实验系统，验证了室内部署RIS的可行性。日本DOCOMO公司于2019年首次在外场测试了基于静态RIS的28GHz智能超表面，通信速率由无RIS时的60Mb/s提高至达到560Mb/s。 2021年中国移动发布了《智能超表面白皮书》，该白皮书从应用场景、关键技术和算法、实现和样机验证以及产业和标准化的角度全面调研了学术界和产业界的对中继和基站的研究成果，引起了业界的广泛关注。 经过几年如火如荼的研究，协作反射节点技术的研究已经有了长足的进展，落地商用指日可待。为进一步加速推动产业发展和商用进程，2023年4月CCSATC5WG6#66次会议上中国移动等三大运营商与中兴通信联合牵头成功立项“智能超表面工程化关键技术研究”。 本白皮书面向商用落地，重点关注智能超表面作为协作反射节点，即在未来复杂组网中由基站的统一协调进行协作反射，在应用场景、通信系统设计、信道建模、器件调控和性能验证等方面提出了相关倡议，提出综合考虑产业成熟度和理论研究水平来分阶段推进该技术的演进和发展。 2.应用场景 协作反射节点可以应用于传统蜂窝网络，提升网络的关键性能指标（KeyPerformanceIndicator，KPI）。一是覆盖增强，RIS可部署在建筑物表面或室内，通过可控的反射/透射，提升覆盖盲区或弱覆盖区信号传输质量。二是速率提升，在合适的位置部署RIS，通过波束赋形，定向增强有用信号接收功率的同时，有效抑制邻区干扰，提升用户上下行速率。 协作反射节点还可以催生更多新型应用，包括与无人机、车联网等结合，实现大范围航路信号覆盖、车联网覆盖扩展；利用信号聚焦和干扰抑制的特点，实现感知与高精度定位融合、安全通信、减少电磁污染以及能量收集与传输等功能。如图2所示。 图2协作反射节点应用场景 很多学术研究认为RIS代表着移动通信模式的转变，为无线传输提供更多的自由度，对各种应用场景进行了无尽的畅想。但是从产业发展的角度看，应用场景的甄别应该和产业成熟度以及理论研究进程相得益彰，分阶段、分步骤地进行重点部署。 基于当前阶段的原型样机，业界主要针覆盖增强场景进行测试验证。例如，IMT-2030测试测试重点是毫米波频段的室内和室外覆盖场景，如表格1所示。再如，中国移动广东公司现网RIS测试选择了如图3所示的三个场景，针对低频段2.6GHz：①隧道或停车场，该场景的用户少投资收益低，面积大且比较封闭，宏站信号很难进入，但考虑安全性，设备部署有困难；②室内场景，室分部署困难，用户网络需求度高；③道路，室外空旷，周围多个信号重叠直射，干扰强，信号差。 表格1IMT-2030测试场景 室内覆盖 室外覆盖 室内L型走廊 室内开放办公区 室外覆盖 室外多用户 用户级波束赋型 图3中国移动广东公司外场测试场景 随着理论和硬件的发展，尤其是信道模型的完善，协作反射节点通过改善信道条件（如汇聚能量、增加散射径等），实现对网络中信道条件较好的用户进行扩容增流传输。以2023年杭州亚运会试点计划为例，如图4所示，通过划分潮汐效应区域，实现忙时利用RIS扩充容量，闲时关断部分基站，利用RIS保证基本覆盖。 图4杭州亚运会试点场景 2023年7月1日正式施行新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》，工业和信息化部率先在全球将6425-7125MHz全部或部分频段划分用于IMT（含5G/6G）系统。中低频段将是国内6G深耕频段，RIS应用潜力还可进一步挖掘。 3.通信系统设计 3.1.与网络控制直放站的对比分析 3GPPRel-18立项了网络控制直放站（NetworkControlledRepeater，NCR），与传统直放站全向发射信号、始终进行转发放大不同，其能够按照基站指示，在需要的时候才进行放大和定向的转发工作，重点关注高频段的覆盖增强的应用场景，兼顾中低频。 为了确保从3GPPRel-18NCR顺利过渡至协作反射节点，应进行详细分析，以确定NCR与基于波束赋形的RIS在系统参数、工作模式、控制信令等细节方面存在的差异。该分析如图5所示。 首先，RIS的元件数目远多于NCR的有源元件数目，这表示RIS的波束会比NCR的更窄，指向性更高，在覆盖区域一定的情况下，势必会引入大量额外的波束资源，如何进行低开销的波束训练/扫描是RIS相较于NCR的增量研究之一。其次，现阶段NCR的控制链路和回程链路是带内链路，共用射频模块；由 于RIS具有无源特性，可以考虑在RIS控制和信号反射之间采用独立的射频，这样可以提供更多设计灵活性，简化控制链路，优化RIS性能。 再次，NCR需要功率放大，对供电和能耗有一定的需求；而RIS仅需对控制模块供电，可以通过控制方案设计达到显著节能的效果。 最后，NCR的射频单元可以关断以停止转发；而RIS无相位加载时可以进行 镜面反射，因此可以进一步设计不同的开关策略。 图5RIS与NCR对比 NCR是一种面向需求而生的技术，主要解决高频场景下的覆盖问题。RIS相比于NCR具有更大面积阵列和更多的阵元，相比于NCR具有更多的可控单元，具有更大的灵活性。相比于NCR主要用于覆盖增强，RIS还可以具有其他的可能性，如改变信道环境，提升容量。随着产业的发展，RIS将可以用于探索更多的可能性。 3.2.基于波束的传输方案 根据早期RIS产品形态和研究，其增益主要来自于波束赋形。早期可以假设反射波束仅为适应大规模衰落而调整，移动设备只能对固定波束进行长期信道测量，然后反馈给基站；而后基站根据获取的信道信息，对RIS进行多轮波束调整，以实现特定用户的波束赋形，如图6所示。 静态和半静态工作模式适用的覆盖补盲场景存在以下特征：环境比较固定，用户数较少，建站成本和阻力较大等。静态/半静态RIS的设计目标主要是低成本、低功耗和易部署，对标准几乎没有影响，主要是偏实现的方案。可以实现在现网中的快速部署。例如，可以使用盲波束赋形半静态方案，其考虑了RIS级联