智能超表面（RIS）实用化的一些考虑（演讲PPT）.pdf

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2RIS部署场景3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型走廊室内开放办公区室外覆盖室外多用户用户级波束赋型清华联通+清华移动+东南中兴RIS信道测量和建模方法4测量频点4GHz 或 6GHz毫米波（TBD）建模方法方案优势劣势Option 1：RIS面板确定性建模，BS-RIS与RIS-UE两跳链路单独建模Option 1a: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Option 1b: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Option 2：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2散射体簇1散射体簇3散射体簇4散射体簇5将RIS建模为一个散射体簇散射体簇2散射体簇1？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ray tracing，替代或者补充实测数据兼容和近场确保在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RIS信道模型举例5RIS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的情况下，反射方向图应在对称角度-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6RIS单元仿真与实测特性的差异*7电磁仿真结果*与东南大学程强老师团队的联合研究实测器件特性幅值响应幅值响应相位响应相位响应实际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器件调控功能的角度稳定性*88个相位状态，反射幅度均大约-2dBTM 060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*与东南大学程强老师团队的联合研究RIS单元间的互耦9无去耦措施，单元间较大的耦合使得有源S参数恶化严重双极化单元器件不足10东南大学单极化/1bit/2.6GHz/列控单极化/2bit/26GHz/列控北邮（购买行晟）单极化/1bit/26GHz/点控华为（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）行晟科技（清华）双极化（棋盘分布）/1bit/26GHz/点控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大唐（购买北大）双极化（两块单极化板）/1bit/26GHz/点控阵列相位码字的优化*11 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）远场单波束近场单波束远场双波束*与东南大学金石老师团队的联合研究RIS硬件调控12Multi-port serial interfaceExternal memoryNetwork controllerInternal memoryArray driverSync.clock011000111010111010101100110011100110101RIS ControllerFPGARIS panel(element array)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空口控制的可实现性13基站.终端.M天线K反射单元N天线RISH1H2F F=+max,log2+where=subject to =1,and迭代加权MMSE 算法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eq=H 2H=2H信道秩(Rank)=1，退化成RIS波束对准问题复杂理论*简化求解复杂RIS理论求解需要在实际系统中简化工程可实现的方案Q.Gu,D.Wu,X.Su,et.al,“Performance comparisons between reconfigurable intelligent surface and full/half-duplex relays,”IEEE VTC Fall 2021.空口控制的基本模式14静态/半静态动态、信道透明动态、信道不透明RIS 中继基站终端固定波束连接建立和反馈RIS 单元相位配置,波束方向调整波束的多次调整波束反馈选择后波束RIS 单元相位配置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NCR中的终端功能NCR中的转发模块控制链路回传链路接入链路网络控制的直放站(NCR)基站终端带内:共享射频控制模块反射单元阵列下行反射上行反射共享射频基站终端控制链路RIS 中继网络控制的直放站与RIS中继的空口控制有一定的异同信道估计15 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RIS基站馈电方式16 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与毫米波数模混合天线的比较17 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.PADigital MIMO configDACDAC.Up-converterAntennas and lining plateAnalog beamforming.PADigital MIMO configDACDACUp-convertorAntennas and lining plateMetamaterial-based beamforming毫米波数模混合天线RIS基站天线 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EIRP计算传统基站RIS基站天线阵子数256625数字通道数44PA出口功率(dBm)1032天线增益(dB)3026MIMO增益(dB)246Tx EIRP(dBm)6464256 PAs vs.4 PAs 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LTE-A中继和MIMO的经验教训18MainfeatureSub-featureKey areasCharacteristicsLTErelayType1relayR-PDCCH designInterleaved R-PDCCHNon-interleaved R-PDCCHRelaytimingandbackhaulsubframestructureCell size 6 km6 km Cell size 15 kmBackhaulsubframeconfiguration and HARQtimingFDD:255config.,6HARQprocessesTDD Config#1,#2,#3,#4,#6Type2relayCooperative modeResource reuse mode-FD-MIMOChannelmodelGeometrybasedstatistical model(GBSM)based3D based coordinates3D related parametersEnhancedMIMO forverticalbeamsMappingfordigitalantenna ports to antennaelements-Codebook designKronecker product of PMI ofhorizontal antennas and PMI ofvertical antennasDownlink controlDCI format enhancementCSI feedbackPMI/RI/CQI enhancements 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标准推进策略19RIS信道测量与建模网络控制直放站:控制信令2022.32023.92025.32026.9Rel-18Rel-19Rel-206G空口的RIS技术研究中等大小RIS 面板，FPGA控制大尺寸RIS面板，ASIC控制 循序渐进，以Rel-18的网络控制直放站（NCR）作为序曲，研究相关的控制信令，RIS研究可以借鉴 Rel-19的RIS信道测量与建模为RIS研究打下坚实基础 伴随着RIS器件设计与生产的不断进步，RIS面板的需求量不断提高，批量效应明显，硬件控制逐渐由昂贵高能耗的FPGA向低成本低功耗的ASIC迈进，促进6G RIS空口技术的研究和标准化与网络控制直放站（NCR）的区别20低成本、低功耗，智能反射面无需功放，无自干扰的全双工，无噪声放大系统参数，RIS振元数量远大于NCR，因此RIS波束更窄控制链路简化，NCR的控制链路和回传链路共享射频模块；RIS有被动特性，控制和信号反射可以分开，有望简化控制设计RIS器件的材料和加工成本21名目技术参数/工艺单价数量控制单元FPGAVirtex-5 FX100T10001DAC双输入/输出 FlexRIO适配器（100 MS/s采样速率）601时间模块10 MHz501电源模块DC（20V）1501超表面面板贴片元器件物料及工艺成本变容二极管SMV-2019（Skyworks,Inc）3512电容1 pF0.1512SMT浸焊0.021024PCB板材物料F4BK265（介电2.56，损耗正切0.001）3001加工沉金（线宽0.4 mm）801合计3497.68 FPGA成本占比较大 逐渐由ASIC代替 二极管的总成本较大 为超表面器件定制，放松对RIS不重要的一些指标参数，降低单价可否摆脱电源线22+FPGA模块数字信号输出模块面板=总能耗：15 W 定制化芯片：ASIC芯片替代FPGA 特定结构设计能耗降至5W优化电池容量：24V22AH，528WH现有设备：1.5天优化设备：4.5天电池容量：24V36AH，864WH现有设备：2.4天优化设备：7.2天蓄电池方案：（蓄电池成本200-300）太阳能方案：（太阳能板成本100-150）现有设备功耗适合选用40W太阳能板优化后，可选用10W太阳能板可考虑采用太阳能+蓄电池结合的方案，可延长蓄电池更换时间RIS器件的功耗23 PIN管RIS动态功耗：与PIN管是否导通有关，导通时会产生一定功耗 变容管RIS动态功耗：动态功耗几乎为零，因为当其工作时，单元的变容管中的电流可以忽略不计目录 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24RIS器件单元建模25搭建电磁仿真平台，提出利用简易结构的、单元面积等效RIS单元相位的等效建模仿真方法，显著降低建模和仿真的复杂度，两种仿真结果体现了高度一致性RIS智能反射面-硬件仿真RIS 单元及相位曲线RIS阵列i=-15.4,t=50i=50,t=-15.4等效单元及相位曲线等效阵列（MATLAB-CST联合建模）i=-15.4,t=50i=50,t=-15.4结构复杂，需在电磁仿真软件CST中对所有元件的RLC参数逐一设置，复杂度高，建模仿真时间长结构简单，MATLAB联合CST可以自动快速建模，无需逐一设置可调元件RLC参数，复杂度低，建模仿真时间短传统建模方法单元面积等效法RIS上下行波束互易性的仿真验证对于列控RIS，当水平角60范围内斜入射时，上下行波束的最大增益方向及功率满足互易性；当水平入射角过大，实际波束方向与目标波束方向发生偏差，此时互易性变差，误差范围尚可接受对于点控RIS，互易性还需进一步验证，相位码字误差可能导致X、Y方向波束方向均有偏差，同时互易性变差列控相位（50,-15）28.6dB（0,30）30.7dB（30,0）30.7dB下行上行40 x40（-15,50）28.6dB20 x20（45,-60）实际（44，-62）（-15,45）（45,-15）（-30,45）（45,-30）（-60,45）实际（-60，44）下行上行26双极化RIS必要性的仿真验证单极化RIS表面电流沿竖直方向EE垂直极化水平极化45极化水平极化分量（镜面反射）竖直极化分量（调相赋形）45极化入射平面波单极化RIS仅能对一种极化波（其电场平行于表面电流）调相及波束赋形，45极化波经单极化RIS反射会出现两个主瓣方向不同的极化波束 双极化RIS的研究十分必要27低功耗相位保持方案28提出一种利用忆阻材料实现RIS相位调节的RIS硬件结构，实现断电状态下的RIS相位保持功能，从而降低RIS能耗，实现节能和无源部署方案二：机械装置（华为）通过马达、齿轮传动等机械方式调整超表面顶层与底层间隙、改变图案形状等方式实现反射相位的调控优点：实现简单、设计难度低缺点：响应速率慢、能量利用率低方案三：其他可调材料（京东方：液晶）忆阻材料、电致形状记忆材料等引入新型材料，根据材料特性采取电调、热调等方式改变材料等效电磁参数优点：实现方式多种，具有不影响调节速率、不改变RIS现有系统架构等特点缺点：设计难度高方案一：双稳态MEMS致动器（中兴、行晟科技）优点：可靠性高、尺寸小、功耗小缺点：需根据RIS需求进行定制化设计，研发成本高利用MEMS（微机电系统）开关替代PIN管或变容二极管RIS调相需要FPGA/单片机结合可调器件共同实现，其中FPGA能耗占比高，而PIN管、变容管等现有器件无法脱离FPGA保持状态对于半静态RIS，用新型器件/材料替代现有PIN管/变容二极管控制方案，有望以零/低功耗保持RIS相位状态设计方案：结合忆阻器原理，利用二元或多元氧化物材料的忆阻效应，结合绝缘透波材料及高电导材料，设计可替代PIN管或变容二极管实现RIS相位调节多层RIS结构系统仿真中RIS的部署及干扰建模29终端在小区均布，RIS部署在小区边缘终端在小区边缘，RIS部署在小区的中环终端和RIS都在小区边缘干扰建模信号强度和信干噪比（1）30RIS布置在小区边缘，用户在整个小区均匀分布情形信号强度和信干噪比（2）31RIS布置在小区中间或者小区边缘，而用户在小区边缘情形扫描波束和赋形波束32RIS布置在小区边缘，用户均匀撒点或边缘撒点仿真假设对性能的影响33RIS布置在小区边缘，用户均匀分布最优相位与2-bit量化RIS不同长宽比BSRISUE2N17N43N相邻基站通过所服务RIS反射过来的干扰非常小RIS中继与终端都分布在小区边缘时RIS中继与终端都分布在小区边缘时RIS中继与终端都分布在小区边缘时RIS面板下倾角影响容量提升效果34基于SINR的系统级容量折算16164040Unit:MbpsWithout RISWith RISGainAverage throughput887.28974.859.87%Cell edge throughput7.429.9934.63%Unit:MbpsWithout RISWith RISGainAverage throughput887.281677.7989.10%Cell edge throughput7.4211.1450.13%协议中TB size的确定是基于以下公式，表征了如果RIS可以带来的容量提升效果，需从两方面的着手：SINR和层数modulation order=code rateSINRCQI MCS index层数南京5G现网RIS测试*概况35基站配置小区配置测试项目发射功率RRU类型天线型号安装下倾角安装方向角高度塔下覆盖部署位置室外覆盖室内327W64通道华为9/106046室外遍历327W64通道华为6/320010测试项目扇区号下行频点下行带宽物理小区标识小区双工模式时隙配比塔下覆盖部署位置室外覆盖室内1504990100301TDD8:2室外遍历250499010013TDD8:2智能反射面基本配置尺寸质量单元数输入电压额定功率160cm*80cm/16*3224V3-4W智能反射面最大扫描角配置水平/垂直入射角水平/垂直出射角水平波瓣宽度垂直波瓣宽度04573.51530 -60/3015 -75/450 -7575.3600 -60/*与东南大学崔铁军院士团队的联合研究塔下阴影场景36SS-RSRPSS-SINR吞吐量5%50%5%50%5%50%无RIS-102.18-94.93-11.87-6.254.7591.50部署RIS-98.15-91.13-11.70-6.013.25 109.00覆盖：部署RIS后，RSRP有一定提高，边缘用户平均提高4.03 dB，用户平均RSRP覆盖提高3.8 dB;吞吐量：部署RIS后，用户平均吞吐量抬升约17.5 Mbps，提升约19%;SINR：部署RIS前后，SINR无明显差异，或是RIS在反射时同步放大邻区干扰信号所致。室外覆盖室内场景37四层超市对大楼内共十个定点进行了稳定传输测试，该测试版本的RIS室外覆盖室内穿透能力较弱，测试场景反射信号仅能穿透一堵玻璃幕墙（损耗约67 dB），无法再穿透室内环境的一堵内墙；部署RIS后，大部分定点的性能均有提升，平均各点RSRP提高10 dB、速率提升78.19 Mbps；各定点提升差异较大，或受信号波动及RIS覆盖范围有限所致。室外遍历场景38部署RIS对边缘用户影响明显，边缘用户RSRP提升约3.3 dB，边缘用户SINR提升1.45 dB，边缘吞吐量提升约 79 Mbps；部署RIS后，覆盖距离延伸约60米。拉远红色阴影标记部分即覆盖延伸区域深圳5G现网RIS测试系统和盲波束算法*39Time Synchronization1.Synchronize data collection2.Phase optimization via CSM algorithmOptimized phasesAir InterfaceBase station antennaRIS panelRIS controllerServerServerMobileSimulated antenna patterns*与深圳移动、华为、港中文深圳联合室外覆盖地下停车场场景40 上下行RSRP&上下行速率增益中，30度增益最大；上下行增益相当，反射面介入后TDD网络依然保留上下行互易性；RIS单元数的影响41RIS大小RIS单元数RIS面积（）影响范围（）4*425648003*31442.257002*26413007001*1160.25250400室外多干扰场景42在干扰场景下，基于SINR寻优相位的MAC层速率增益大于基于RSRP寻优相位总结43RIS部署场景应以宏网的覆盖增强和容量提升、以及室内覆盖增强为主，中低频段为重点RIS信道的测量与建模建议在3GPP Rel-19开展，以TR 38.901为基础超材料器件自身存在多种非理想特性，在不断提高硬件性能同时，需要在控制部分进行一定补偿RIS空口设计需要考虑工程实际，尤其在信道估计和反馈方面，应以波束赋形/扫描为主RIS有望在毫米波小基站上得到部分应用RIS标准化应循序渐进，多步骤开展，以Rel-18网络控制直放站（NCR）为前奏，以Rel-19的RIS信道建模为基础，为Rel-20的6G RIS空口技术研究做准备，并结合RIS硬件及控制器的发展RIS器件研究取得初步成果，例如单元等效建模、波束上下行互易性、低功耗忆阻材料RIS、双极化RIS器件的必要性等RIS的大尺度系统仿真验证了RIS对小区平均吞吐和边缘吞吐的提升在南京和深圳的5G现网R测试验证了RIS对上行和下行信号功率、信干噪比、吞吐量的提升