面向6G的智能超表面技术研究报告

2024年11月 版权声明CopyrightNotification 未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播 ©2024IMT-2030（6G）推进组版权所有 前言 随着全球通信技术日新月异的进步，6G研究项目的启航已成为当前科技领域的焦点议题。预计在2025年，3GPP将正式拉开相关研究的序幕，而当前（2024年）正处于6G关键技术甄选的关键阶段。在众多潜在的核心技术中，智能超表面技术（RIS，ReconfigurableIntelligentSurface）凭借其独特优势，吸引了广泛关注。该技术凭借可编程的人工超材料，创新性地构建了智能电磁波传播环境，为未来的移动通信网络开辟了全新的范式。尤为值得一提的是，RIS于2024年6 月在夏季达沃斯论坛中被评选为“十大新兴技术”之一，并位列2024年10月9日美国政府发布的《国家频谱研发计划》基础研究优先重点创新领域之一，这些进一步彰显了其在6G发展中的核心地位。 本研究报告致力于关注即将到来的6G标准化工作，旨在为RIS技术的标准化进程提供来自任务组的深入见解与建议。在剖析RIS的技术潜力与典型应用场景时，我们将详细探讨其如何契合6G需求，并支撑关键技术指标的实现。同时，作为基础性赋能技术的RIS，其潜在应用场景也将成为我们关注的重点。此外，我们还将从标准化的视角出发，对RIS信道建模与仿真的关键技术进行深入探讨，并提出具体的标准化方案建议。通过结合工程实现的仿真条件，我们将展示典型的仿真评估结果，以验证所提方案的有效性与可行性。在探讨RIS关键技术与工程化研究进展的部分，我们将分析标准化过程中所面临的挑战及其工程解决方案，并针对关键问题提出候选的解决策略，以回应外界的广泛关注。最后，针对RIS标准化影响进行分析，明确可能纳入标准化的内容。本研究报告旨在为RIS技术的标准化进程提供有益的参考，进一步推动RIS技术的标准化及其产业化落地。 本报告是由IMT-2030（6G）推进组RIS任务组的众多专家共同努力编写完成。其中，第二章由中国联通和中国铁塔牵头组织撰写；第三章由北京邮电大学和东南大学牵头组织撰写；第四章由中国移动、东南大学和北京交通大学牵头组织撰写；第五章中国电信和中兴通讯牵头撰写。感谢各成员单位专家的辛苦付出，并感谢东南大学崔铁军院士、东南大学金石教授等资深专家的指导。 2 目录 前言2 一、概述5 二、技术能力与典型应用场景7 （一）RIS赋能基站7 （二）网络覆盖增强9 三、信道建模与仿真方法17 （一）总体框架17 （二）RIS物理模型18 （三）RIS信道模型19 （四）系统级仿真模型与校准假设23 四、关键技术与工程化探讨30 （一）低开销传输技术30 （二）节能调控技术34 （三）组网部署36 五、标准化影响分析42 （一）系统架构42 （二）鉴权与管理43 （三）控制信息与参考信号44 （四）波束失败恢复46 六、结论48 参考文献49 贡献单位52 3 图目录 图2.1双极化RIS阵列逻辑结构示意图7 图2.2基于RIS的基站天线设计示意图8 图2.3基于RIS的直接信息调制发射机9 图2.4RIS辅助室外通信[4]11 图2.5RIS辅助室内通信[5]11 图2.6RIS辅助的毫米波室内覆盖增强试验12 图2.7RIS辅助O2I通信13 图2.8RIS使能建筑物底部毫米波覆盖增强13 图2.9BD-RIS辅助MU-MISO系统14 图2.10环型码本典型适用场景及码字环状相位分布15 图2.11基于RIS辅助的低空覆盖增强16 图3.1传统通信信道模型与RIS辅助通信信道模型的对比17 图3.2以3GPPTR38.901为起点的RIS信道模型实施17 图3.3RIS等效辐射方向图示意图18 图3.4基于RCS模型的极化RIS阵元辐射方向图19 图3.5基于cosαθ模型的归一化功率辐射方向图19 图3.6基于GBSM原理的RIS辅助通信几何模型[12]20 图3.7RIS与移动设备的网络布局24 图3.8两个基站和多个RIS面板的干扰场景示意图26 图4.1基于统计信道参数配置智能超表面，选择性增强部分信号传输路径，定 制稀疏化信道以降低信道估计与信道反馈开销31 图4.2基于环形码本码字选择的宽波束生成方法示意图32 图4.3宽波束与窄波束的信噪比增益对比(a)用于数据信道的窄波束(b)用于控制信道的宽波束32 图4.4PIN二极管故障时功率增益损耗分析33 图4.5基于矩阵分解的BD-RIS量化结果34 图4.6智能超表面功耗测量分析35 图4.7块控RIS和单元控RIS的遍历SE与EE比较36 图4.8集中式RIS辅助通信系统模型37 图4.9分布式RIS辅助通信系统模型37 图4.10集中式与分布式部署情况下系统遍历容量[34]38 图4.11利用波束扫描方法获取多波束入射信息，并利用相移叠加设计智能超表 面编码，实测结果证明其优秀性能。39 图4.12重庆现网RIS部署效果40 图5.1基于网络控制的RIS系统架构示意图42 图5.2基于UE控制的RIS系统架构示意图43 图5.3基于5GNR系统的RIS级联信道估计方法示意图46 4 一、概述 随着全球通信技术日新月异的进步，6G研究项目的启动已成为当前科技领域的焦点议题。明年（2025年），3GPP将正式拉开相关研究的序幕，而当前（2024年）正处于6G关键技术甄选的关键阶段。在众多潜在的核心技术中，智能超表面技术（RIS，ReconfigurableIntelligentSurface）凭借其独特优势，吸引了广泛关注。该技术通过可编程的人工超材料，创新性地构建了智能电磁波传播环境，为未来的移动通信网络开辟了全新的范式。尤为值得一提的是，RIS于2024年6 月在夏季达沃斯论坛中被评选为“十大新兴技术”之一1，并位列2024年10月09日美国政府发布的《国家频谱研发计划》基础研究优先重点创新领域之一2，这些进一步彰显了其在6G发展中的核心地位。本研究报告旨在集中探讨即将到来的6G标准化工作，为RIS技术的标准化进程提供来自任务组的深入见解与建议。 在分析RIS的技术潜力与典型应用场景时，我们将详细探讨该技术如何契合6G需求，并支撑关键技术指标的实现。同时，作为基础性赋能技术的RIS，其潜在应用场景也将成为我们关注的重点。RIS赋能基站场景可以包括RIS-based新型相控阵天线、基于RIS的超大规模广角基站天线；深度覆盖增强典型场景包括基于网络控制的RIS增强蜂窝网络传统能力，以及RIS使能低空覆盖增强等。 此外，从标准化的视角出发，我们将深入探讨RIS信道建模与仿真的关键技术，并提出具体的标准化方案建议。信道建模和仿真是评估RIS性能的重要环节，其结果将直接影响标准化的推进。结合工程实际的部署典型场景，我们将详细探讨信道建模方法及仿真评估方法论，为后续的标准化工作奠定坚实的技术基础。 在探讨RIS关键技术与工程化研究进展的部分，我们将分析标准化过程中所面临的挑战及其工程解决方案。RIS技术在实际应用中可能遇到的技术难题与工程挑战，需要通过创新的方法与解决策略来应对。此外，我们将针对关键问题提出候选的解决方案，以回应外界的广泛关注，包括波束增强方案、节能调控方案、 1Top10EmergingTechnologiesof2024.https://cn.weforum.org/publications/top-10-emerging-technologies-2024/in-full/ 2NATIONALRESEARCHANDDEVELOPMENTPLANFORPOSITIONING,NAVIGATION,ANDTIMINGRESILIENCE. https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2021/08/Position_Navigation_Timing_RD_Plan-August-2021-1. pdf 5 低开销传输技术、组网部署等。这一部分的讨论旨在为RIS的工程化应用提供参考，以推动其在实际场景中的落地。 最后，针对RIS标准化影响进行分析，明确可能纳入标准化的内容，并从RIS任务组的视角出发，提出在6G中推进标准化的建议。通过这些深入的探讨和建议，我们希望本研究报告能够为RIS技术的标准化进程提供有益的参考，并进一步推动RIS技术的标准化及其产业化落地。 本文的其余部分按以下方式组织：第二章介绍RIS技术能力与典型应用场景，重点探讨其在不同领域中的实际应用及未来前景；第三章探讨RIS信道建模与仿真，详细分析信道特性及相关的技术挑战；第四章讨论RIS关键技术与工程化研究进展，重点关注当前的研究成果及其在工程中的应用；第五章进行RIS标准化影响分析，探讨该技术的标准化前景及其对行业的影响；第六章对全文进行总结，并给出RIS在6G中的标准化建议，以期为未来的研究与应用提供指导。通过这些章节的详细探讨，我们希望为RIS技术的未来发展提供全面的视角与深刻的洞察。 6 二、技术能力与典型应用场景 （一）RIS赋能基站 1.基于RIS的新型相控阵天线 基于RIS的新型相控阵列天线通常是RIS作为收发机的天线阵列，实现混合波束赋形架构的模拟波束赋形功能。射频调制信号通过电缆RIS馈线形成入射波，控制模块动态调控RIS阵元响应，形成RIS反射波或透射波。双极化RIS阵列逻辑结构设计如图2.1所示。在同一时间，每个单极化RIS子阵列可以产生独立的模拟波束，同极化多个子阵列可联合赋提升EIRP，而交叉极化RIS子阵列或同一子阵的不同极化方向可产生相同指向的模拟波束。 图2.1双极化RIS阵列逻辑结构示意图 基于RIS的新型相控阵列天线支持多流波束赋形、动态波束调整、收发波束互易等功能特征。其中，替代基站的传统相控天线阵列，易于实现天线系统空间维度扩展以及传输能力提升，可以降低大规模天线系统的成本和提升功效，实现复杂度低、体积小、质量轻的大规模天线阵列。对比天线性能指标设计，RIS的新型相控阵列天线典型的性能指标包括阵列增益、极化特性、动态波束切换时间等。 2.基于RIS的超大规模广角基站天线 由于智能超表面采用无源/准无源设计理念，在成本、体积、重量方面都具有显著优势。在现有5GAAU基础上，集成无源智能超表面阵面，如图2.2（a）所示，通过一体化动态智能调控，既可以实现基站覆盖角度扩展，又可以有效提升天线阵面口径增益、增加基站覆盖距离，可有效解决边远郊区、广场或体育馆 7 等区域广覆盖问题。相关测试表明，采用增加RIS反射阵面扩展的5GAAU基站，上下行平均速率可提升5%～8%。 除了在AAU上集成反射式RIS，还可以通过在AAU边缘集成透射式智能超表面，如图2.2（b）所示，动态调控基站天线接收或辐射电磁波的角度，有效扩展基站覆盖水平角和俯仰角范围。当水平角度扩展到接近180度时，该方案可以用两小区替代传统三小区覆盖方案，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。 （a）反射式（b）透射式 图2.2基于RIS的基站天线设计示意图 3.基于RIS的直接信息调制发射 智能超表面对电磁波实时调控的独特能力，使其能够直接构建数字基带与物理电磁波之间的映射关系，从而实现无射频通道的信息调制，大大简化了发射机系统的硬件架构，并降低了其成本和功耗。然而，大多数基于智能超表面的发射机架构只能对单一目标进行定向通信，其能够传输的信息量有限，无法最大化的利用无线资源，提升通信系统效率。为应对上述挑战，利用智能超表面在空间域、时间域、极化域和频率域的调制能力，构建一种具备灵活波束形成、高频谱效率、多分集复用的无线发射机系统，成为一种可行的工程化解决方案。在这一方案中，超表面可以高效地同时在不同维度上调制信息，并分配给各个方向的不同用户，最大化的利用频谱资源，有效提升信号传输的质量和效率。例如，文献[1]中基于时空编码数字超表面在空间和频率的多路复用特性，