RIS研究进展与网络部署挑战

目录 目录1 1.引言3 2.应用场景4 2.1.深度覆盖场景4 2.1.1.覆盖补盲场景4 2.1.2.低成本广覆盖场景4 2.2.个性化通信服务场景5 2.2.1.近场安全通信场景5 2.2.2.声场调控场景6 3.关键技术进展7 3.1.近场通信7 3.1.1.RIS构建近场无线传播环境7 3.1.2.RIS典型近场模式8 3.1.3.RIS近场波束赋形码本设计9 3.2.协作感知/定位13 3.2.1.RIS协助的感知策略13 3.2.2.RIS旁瓣对感知的影响14 3.2.3.RIS协作感知与定位15 3.2.4.RIS辅助联合通信与定位方案16 3.3.物理层安全22 3.3.1.RIS辅助物理层安全传输技术23 3.3.2.RIS辅助的物理层密钥生成技术25 3.4.低开销组网设计28 3.4.1.开销类别及性能分析29 3.4.2.降低开销的传输方案29 3.5.RIS部署问题研究33 3.5.1.零功耗静态RIS使能的动态覆盖33 3.5.2.多天线网络中的分布式和集中式RIS部署33 4.验证测试进展34 4.1.系统级仿真验证34 4.1.1.系统级仿真方法34 4.1.2.评估指标和因素35 4.2.外场测试验证37 4.2.1.使能室内毫米波覆盖的超表面反射器37 4.2.2.使能建筑物底部毫米波覆盖增强的透射型超表面38 4.2.3.深圳5G现网RIS测试系统40 4.2.4.杭州亚运会5G-ARIS应用试点43 5.工程实践与标准化进展45 5.1.工程实践概述45 5.2.标准化进展概述46 5.2.1.IMT-2030（6G）推进组46 5.2.2.CCSA46 5.2.3.ETSI46 5.2.4.3GPP47 5.3.标准化潜在增强点47 6.网络部署挑战49 6.1.中高频段部署挑战49 6.2.泛在部署的挑战49 6.3.控制模式的挑战50 6.4.通信-感知-供能一体化网络的挑战51 7.总结52 参考文献53 缩略语60 主要贡献作者63 1.引言 第五代移动通信（the5thGenerationMobileCommunication，5G）网络已经商用落地四年，网络基础日益完备，创新能力不断增强，赋能效应持续凸显，赋值效应更加显著。截止2023年，全球已累积建设5G基站约481个，5G移动电话用户大14.2亿户。5G行业应用也已经融入60个国民经济大类，成为推动实体经济数字化转型升级的“加速器”。大规模多输入多输出（Multi-InputMulti-Output，MIMO）、毫米波通信（millimeterwave，mmWave）等新型关键技术创新为移动通信系统代际更迭注入源源不断的活力，将网络容量提升千倍，为千亿台设备提供泛在连接。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）将继续探索更高的频谱效率、更高的能量利用效率和更高的成本效益，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，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，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。RIS具有低功耗、低成本、低热噪声、全双工和易部署等优势，具备面向未来网络的部署潜力。 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。经过几年如火如荼的研究，智能超表面技术的研究已取得一定突破，面向商用落地，业界在共同努力，积极攻克工程化挑战，逐步向低成本、低功耗和易部署的技术目标迈进，为RIS在未来的广泛部署夯实基础。 本白皮书从应用场景、关键技术、验证测试、工程实践和标准化几个方面梳理了业界的最新进展，以凝聚业界对该技术价值的共识，同时提出了RIS在未来网络部署中可能面临的挑战，倡导业界一同攻克部署难题，为早日商用落地开辟道路。 2.应用场景 2.1.深度覆盖场景 2.1.1.覆盖补盲场景 智能超表面最典型的应用场景是在无线信道侧，作为一种低成本低功耗的信道环境调控节点，如图2.1所示，可针对移动网络覆盖补盲、多流增速等深度覆盖需求，部署在基站与覆盖盲区之间，通过智能超表面按需构造非视距反射路径或改变电磁波透射特性，可有效解决由于障碍物遮挡产生的室内/外盲区问题，提升室外宏站穿透玻璃覆盖室内的网络质量，改善小区边缘用户富散射环境，提高小区边缘用户传输性能，以低成本低功耗方式实现深度覆盖和提速扩容。 RIS部署在基站（BaseStation，BS）和覆盖盲点之间，以动态构建非视线反射路径或改变电磁波传输特性。蜂窝网络中存在信号被障碍物阻挡的覆盖盲区，包括建筑物的阴影区、密集城市地区的街角、室内外（或车内车外）之间的边缘。在上述场景中，RIS可以部署在基站和覆盖盲区之间，通过有效反射/传输传输信号到达覆盖盲区来提高覆盖性能。 （a）（b）（c） 图2.1基于智能超表面的信道侧辅助通信组网场景：（a）覆盖补盲（b）O2I覆盖增强 （c）室内覆盖 2.1.2.低成本广覆盖场景 此外，智能超表面还可以用于优化有源天线单元（ActiveAntennaUnit，AAU）设计，实现低成本低功耗小体积的广角高增益AAU。在现有5GAAU基础上，集成无源反射式智能超表面阵面，既可以实现一体化动态智能调控，扩展基站覆盖角度，又可以有效提升天线阵面口径增益，增加基站覆盖增益，如图2.2所示。在现有5GAAU基础上，集成透射式智能超表面阵面，可进一步扩展基站覆盖角度，有效提升基站覆盖范围，解决边远郊区低容量场景，低成本低功耗覆盖补盲问题，如图2.3所示。 图2.2AAU集成反射式智能超表面的超大规模天线设计示意图 图2.3AAU集成透射式智能超表面的超大规模天线设计示意图 2.2.个性化通信服务场景 2.2.1.近场安全通信场景 电磁波的传输特性与距离相关，传输距离大于瑞利距离的区域称为远场区域，反之称为近场区域。在近场区域，电磁波建模为球面波模型，球面波前不仅携带角度信息，还携带距离信息，因此电磁波束在角度域和距离域上同时聚焦，形成近场波束聚焦[1]。在智能超表面辅助的无线网络中，近场范围由BS-RIS距离和RIS-UE距离的调和平均值确定，因此只要这两个距离中的任何一个距离小于瑞利距离，RIS辅助通信就工作在近场区域[1]。 当用户位于智能超表面辐射近场区域时，可以通过对智能超表面配置服务特定用户的近场码本，将近场波束聚焦在授权用户所在的特定角度和特定距离，如图2.4所示，其他用户即使与授权用户位于相同的角度区域，也无法通过拦截无线信号实现空口监听，实现对特定用户的高安全级通信服务。 图2.4基于智能超表面的近场安全通信场景 2.2.2.声场调控场景 智能超表面除了应用于电磁波调控之外，还可以应用于声波调控，相关技术团队[2]已经研发了具备可编程调控能力的声波超表面。通过控制每个声学超材料单元的共振模式，而无需手动对声源或周围散射体进行任何调整，即可动态调控声波相位差，可以影响整个空间的声场分布，实现空间内某个特定位置声场强度的压制或增强，为需要特殊用户提供静音或音量增强服务，如图2.5所示。 图2.5基于智能超表面的声场调控场景 3.关键技术进展 3.1.近场通信 3.1.1.RIS构建近场无线传播环境 传统的无线通信网络（1G~5G）主要采用6GHz以下频谱，甚至是3GHz以下频谱。受限于波长，这类网络一般采用较少天线阵子数量的天线。由于低维天线阵列和较低的频率，无线近场范围通常被限制在几米甚至几厘米。因此，可以基于远场假设近似有效地设计传统无线通信系统。然而，考虑到ELAA的大孔径和极高的频率，6G网络呈现出百米量级的超大近场区域，传统的远场平面波假设也已不再适用[3]。因此，在6G网络中，近场区域是不可忽略的，这激发了对新的近场通信（Near-fieldCommunications,NFC）范式的研究。 从空间维度的资源利用角度，传统蜂窝网络的典型部署是以小区为中心的标准网络架构。在该网络架构下，尤其是在其主流的sub-6GHz频段，远场近似作为表征手段已经足够。传统无线通信系统已经充分挖掘和利用了远场空间资源，进一步探索和利用近场空间资源，则有望为无线通信系统提供新的物理空间维度。未来6G网络中将会配置更大的天线孔径，并将使用毫米波、太赫兹等更高频段，这将使得近场特性更加显著。同时，智能超表面（RIS）[4,5]、超大规模MIMO、去蜂窝（Cell-free）[6]等新技术的引入，则使得未来无线网络中近场场景广泛存在。近场通信技术也是实现未来6G网络更高的数据速率要求、高精度的感知需求及物联网无线传能需求等的使能技术之一，有机会成为未来6G潜在无线空口关键技术之一。其中，RIS所具备的超大尺寸、无源异常调控、低成本、低功耗和简单易部署等诸多特性，有机会在未来6G网络中构建泛在的近场无线传播环境，并带来全新的网络范式[7]。 近场传播特性为未来6G网络带来更多可能性，但基于传统有源相控阵天线构建近场传播环境也面临着诸多挑战： （1）超大尺寸有源相控阵天线（ActivePhasedArrayAntenna，APAA）在硬件成本、复杂度、功耗、重量与体积等方面均有较大提升，很难实现密集部署，可提供的近场覆盖区域受限； （2）近场距离在APAA阵面的近轴附近达到最大，会随着离轴角度的增大而逐渐减小，该现象进一步限制了近场的覆盖范围； （3）不同于通信业务受益于非视距（NonLightofSight，NLOS）多径环境，感知定位和无线传能业务理想的传播环境为近场LOS信道。仅采用集中部署的传统APAA，与目标之间很大概率为NLOS多径信道。虽然有很多文献研究基于传统有源相控阵天线的无蜂窝 （Cell-free）或多点协作（CoordinatedMulti-Point，CoMP）技术[6,8]，这类分布式天线技术 虽然可以一定程度缓解上述集中部署的APAA问题，但依然受限于有源相控阵天线的固有技术特点的约束，很难实现密集泛在部署。 RIS独有的技术特征可以作为解决传统APAA挑战的有效手段： 首先，RIS作为一种可编程二维电磁超表面，以无源方式对电磁波进行异常调控，具有低成本、低功耗的特点，并且可以很容易制作成较大尺寸的天线孔径，从而可以以较低的成本实现密集部署。 其次，RIS类型多样，可以灵活地适应复杂多样的部署环境。从功能角度，RIS类型可以包括信道调控型（例如，反射型RIS、透射型RIS和半透半反RIS）、信息调制型RIS（例如，基于RIS新型基站、基于RIS的背向散射发射机、基于RIS的伴生通信等）和基于RIS的新型相控阵天线等。RIS可以很容易制作为不同的尺寸大小、不同的形状及不同的曲面形态等，从而适配不同的部署需求。 最后，RIS简单易部署的特点也很容易构建近场视距（LightofSight，LOS）环境，从而更好地支持感知定位与无线传能业务的需求。另外，由于RIS为无源调控，天然具有较低的电磁辐射水平，在泛在近场环境中依然可以满足人体电磁辐射安全指标比吸收率 （SpecificAbsorptionRate，SAR）。 综上，相对传统有源相控阵天线，RIS具备无源调控、低成本、简单易部