面向网络协作的智能超表面技术白皮书.pdf
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1、1面向网络协作的面向网络协作的智能超表面技术白皮书智能超表面技术白皮书(20232023 年)年)中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司编制单位编制单位:中移智库中移智库、中国移动通信研究院中国移动通信研究院中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)前前言言作为我国原生技术,智能超表面(Reconfigurable IntelligentSurface,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
2、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。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)1目目录录1.概述概述.22.应用场景应用场景.43.通信系统设计通信系统设计.63.1.与网络控制直放站的对比分析.63.2.基于波束的传输方案.74.
3、信道建模信道建模.135.器件调控器件调控.155.1.调控精度.155.2.幅相调控.155.3.双极化.165.4.功耗与成本.166.性能验证性能验证.176.1.器件特性验证.176.2.系统级仿真验证.196.3.现网测试验证.227.分阶段推进策略分阶段推进策略.278.总结与展望总结与展望.30缩略语列表缩略语列表.31参考文献参考文献.33中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)21.概述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(the 5th Generation Mobile Communication,5
4、G)采用了大规模多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)、毫米波通信(millimeter wave,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 6 GHz 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(the 6th Generation Mobile Communication,6G
5、)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(Reconfigurable Intelligent Surface,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24。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,即协作反射节点协作反射节点(Cooperative ReflectingNode,CRN),如图 1 所
6、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
7、能效。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)3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、
8、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(Emerging Technology Initiative,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(European TelecommunicationsStandards Institute,ETSI)行业规范小组(Industry Specification Group,
9、ISG)以及 2022 年 4 月成立的 RIS 技术联盟(RIS TECH Alliance,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 MIMO QAM 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-2030 RIS 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 2.3GH
10、z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 28 GHz 智能超表面,通信速率由无 RIS 时的 60 Mb/s 提高至达到 560Mb/s。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)42021 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
11、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 CCSATC5 WG6#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.应用场景应用场景协作反射节点可以应用于传统蜂窝
12、网络,提升网络的关键性能指标(KeyPerformance Indicator,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中国移动面向网络协作的智能超
13、表面技术白皮书(2023)5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,针对低频低频段段 2.6 GHz: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
14、考虑安全性,设备部署有困难;室内场景,室分部署困难,用户网络需求度高;道路,室外空旷,周围多个信号重叠直射,干扰强,信号差。表格 1 IMT-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。中国移动面向
15、网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)6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。中低频段将是国内中低频段将是国内 6G 深耕频段,深耕频段,RIS 应用潜力还可进一步挖掘应用潜力还可进一步挖掘。3.通信系统设计通信系统设计3.1.与网络控制直放站的对比分析与网络控制直放站的对比分析3GPP Rel-18 立项了网络控制直放站(Network Controlled Repeater,NCR),与传统直放站全向发射信号、始终进行转
16、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 3GPP Rel-18 NCR 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
17、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中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)7镜面反射,因此可以进一步设计不同的开关策略。图 5 RIS 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
18、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基于波束的传输方案根据早期根据早期 RIS 产品形态和研究产品形态和研究,其增益主要来自于波束赋形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
19、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盲波束赋形半静态方案,其考虑了 RIS 级联信道估计的复杂性和所需要的参考信号、控制信令的开销,是一种基于随机采样的方法,可以不借助参考信号而对级联信道进行“盲估计”,进而计算出合适的RIS 天线单元相位,使复合信道的容量最大化11。动态工作模式可以实现基站根据终端反馈对 RIS 波束进行调控。根据是否需要获取 RIS 逐阵子级别的信道状态信息,可以分成波束扫描
20、方案和基于信道估计的特定终端(UE-specific)波束赋形方案。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)8图 6 基于波束的 RIS 传输方案3.2.1.波束扫描波束扫描由于 RIS 是无源器件,因此很难单独估计基站或终端到各个 RIS 单元的信道。学术界现有的方案是通过估计级联信道,再优化 RIS 的波束赋形相位。所需要的参考信号的开销通常是比较高的,相应的控制信令的开销也很高。因此 RIS 在初期部署时,为降低参考信号和控制信令的开销,保证系统的稳健,基于波束扫描并反馈的方案更具有可行性,即对 RIS 面板上的天线单元进行相位梯度的调节,从而形成波束,来降低基站到终端的路
21、径损耗,提高链路的容量。波束反馈方式不仅适用于中低频,如 sub-6 GHz,也同样适用于毫米波频段。(1)中低频部署)中低频部署图 7 是一个固定波束工作模式的示意图,比较适合中低频段部署。这里的基站采用覆盖整个小区的宽波束。根据基站到 RIS 面板的方向角度,RIS 采用合适的单元相位分布,形成 4 个固定方向的波束,覆盖 RIS 所希望服务的用户位置范围。RIS 以分时的方式,轮循逐个扫描 4 个波束,终端对 4 个固定波束的接收强度进行测量和上报,基站根据上报的波束强度信息,选出最优的波束如图7 中的固定波束 3,然后告知 RIS。RIS 根据基站的指示,用固定波束 3 来转发数中国移
22、动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)9据。流程如图 6“基于波束反馈的动态工作模式”所示。由于是固定波束扫描,从限制扫描次数的角度考虑,波束的宽度一般不是很窄。并且因为存在终端没有对准某个固定波束中心的情形,此模式下的波束赋形的增益相对受限。但是其优点是信道对终端基本上是透明,终端无需对经过 RIS的信道(包括 RIS 面板到终端的空间角度信息)进行单独估计,参考信号和控制信令的开销较小。从图 7 还可以看出,由于基站采用小区宽波束,在本小区的终端存在两种情况:终端处于基站覆盖内:都是能与基站直接通信的。此时,RIS 级联链路的作用有两种:当基站与 RIS、RIS 与终端,以及基站
23、与终端的信道主要是 LOS径,级联链路可以增加终端的接收信号功率;当以上几条链路存在明显NLOS 径时,级联链路可以增加信道的空间秩,提升 MIMO 的信道容量。终终端有必要区分信号是直接来自基站还是经过端有必要区分信号是直接来自基站还是经过 RIS 反射。反射。终端处于覆盖盲区或者基站覆盖之外:终端不用区分信号终端不用区分信号是仅来自固定波束3,还是加上小区宽波束的。如图 9“基于波束反馈的动态工作模式”流程仍然适用。图 7 基站宽波束&RIS 固定波束工作模式的示意图(sub-6 GHz)(2)高频段部署)高频段部署在毫米波段,功率放大器的效率较低,天线端口发射的功率不如中低频段的,再加上
24、波长较短,即使是在自由空间,路径损耗也较大,因此需要采用波束赋形,尤其是模拟波束赋形来弥补较低的发射功率和较大的路损。但是,电磁波在毫米波段的绕射和衍射能力变差,很容易被物体遮挡而产生覆盖空洞,如图 8 所示。这里基站将小区细分成 4 个固定的小区波束,RIS 面板尽量部署在靠近其中一个小区波束的峰值方向,例如小区波束 2,基于终端的测量反馈,确定 RIS 面板用固定波束 4 来转发数据,从而绕过阻挡,解决毫米波部署的覆盖/补盲问题。如图 9“基于波束反馈的动态工作模式”流程同样适用。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书(2023)10图 8 基站固定波束&RIS 固定波束工作模式的示意
25、图(毫米波)3.2.2.信道获取信道获取相比固定波束扫描的工作方式,采用基于信道估计的 UE-specific 波束赋形可以使得 RIS 波束能够更精确地对准所服务的终端,波束宽度也可以更细,从而起到更大程度地增加级联信道上的信号功率。对于中低频段的多数情形,覆盖较好,基站与终端的直连链路能够支持通信,可以让基站同时形成多个数字波束,例如图 9 中的两个波峰方向,分别指向 RIS 面板和终端。RIS 面板或者终端对 RIS 到终端的信道状态信息进行测量,然后反馈给基站,基站进行决策,告知 RIS 采用哪种相位分布图,在比较窄的 UE-specific 波束转发数据。大体的流程如图 9“基于信道
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