面向6G的可重構(gòu)智能表面部署與應(yīng)用思考

李南希，朱劍馳，郭婧，陳鵬

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

伴隨著通信系統(tǒng)的更替與發(fā)展，每一代通信系統(tǒng)都會孕育出具有時代特色的新型業(yè)務(wù)。十幾年前，當移動用戶歡喜于數(shù)兆比特每秒的上網(wǎng)速度時，可能難以想象現(xiàn)今遍地開花的戶外直播以及隨處可以享受到的高清觀影體驗。然而，回顧歷代通信系統(tǒng)的發(fā)展，似乎都以更高的用戶速率作為系統(tǒng)演進的主要驅(qū)動力，從3G時代的幾Mbit/s，到4G時代的1 Gbit/s，再到5G時代的20 Gbit/s，移動通信系統(tǒng)可提供的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)逐漸超前于業(yè)務(wù)需求。從目前來看，業(yè)界還沒有找到與5G大容量相匹配的殺手級應(yīng)用，老生常談的8K高清視頻、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實都難以給用戶耳目一新的觸動感。移動通信系統(tǒng)在邁向下一個臺階時，應(yīng)該向何處邁步，成為了業(yè)界需要首先思考的重要問題。

在5G商用部署有序開展同時，全球各個國家相繼開展了6G的研究工作。2019年3月，在芬蘭舉辦的全球首屆6G峰會上，來自全球29個國家的通信專家共同討論并擬訂了6G白皮書《6G泛在無線智能的關(guān)鍵驅(qū)動因素與研究挑戰(zhàn)》[1]。緊隨其后，業(yè)界圍繞6G愿景、需求以及候選技術(shù)陸續(xù)發(fā)布6G相關(guān)白皮書，展開對6G時代的美好暢想[2-4]。雖然6G的雛形尚未形成，但從這些白皮書所描述的藍圖中，可以大致總結(jié)出業(yè)界對6G時代的愿景：構(gòu)建全維度覆蓋的泛在智聯(lián)數(shù)字世界。根據(jù)這一愿景，首先要解決的是網(wǎng)絡(luò)全維度覆蓋問題。5G時代，解決大容量、廣覆蓋的代價是高額系統(tǒng)功耗帶來的龐大電費支出。據(jù)業(yè)界估計5G網(wǎng)絡(luò)的電費支出將為4G網(wǎng)絡(luò)的3～4倍左右，這將會為運營商的網(wǎng)絡(luò)運營帶來沉重的負擔(dān)。因此，在向6G網(wǎng)絡(luò)演進的過程中，如何解決低成本、低功耗的系統(tǒng)覆蓋及容量問題至關(guān)重要。

近年來，業(yè)界專家將目光聚焦在可重構(gòu)智能表面（RIS, Reconfigurable Intelligent Surface）這一新興技術(shù)。一方面，RIS與傳統(tǒng)無線通信設(shè)備相比，具有低功耗、低成本、低實現(xiàn)復(fù)雜度等優(yōu)勢，這恰好切合了6G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的痛點問題；另一方面，RIS為突破傳統(tǒng)無線信道的不確定性和不可控性提供了可能，同時也為無線信號的傳輸增加了全新的自由度[5-9]。

本文將以RIS的部署與應(yīng)用為著眼點，結(jié)合RIS的潛在應(yīng)用場景，具體分析RIS在部署與應(yīng)用時所面臨的問題以及挑戰(zhàn)，揭示RIS技術(shù)在面向6G部署時需要著重關(guān)注的痛點問題。

1 RIS技術(shù)概述

RIS一般由大量的近無源電磁器件構(gòu)成，每個電磁器件都可以對入射電磁波的相位進行控制。經(jīng)由RIS反射或透射后，由于波的干涉作用，電磁波在不同的空間方向上的強弱疊加狀態(tài)會有所區(qū)別：在某些方向由于干涉相消，導(dǎo)致電磁信號能量的衰減；在某些方向由于干涉相長，導(dǎo)致電磁信號能量的增強。利用RIS的這種特性，可以根據(jù)電磁波的入射方向，有針對性地對電磁器件參數(shù)進行人為的調(diào)整，從而形成期望的電磁波圖樣，實現(xiàn)控制電磁波傳輸方向的目的。以RIS作為反射表面為例，其結(jié)構(gòu)及反射波圖樣示意圖如圖1所示：

圖1 RIS及反射波圖樣示意圖

從技術(shù)原理上來看，RIS技術(shù)與波束賦型技術(shù)有很多相似的地方，它們都是利用波的干涉原理，通過對信號的相位（以及幅度）進行調(diào)整以形成期望的波束圖樣，從而提升無線信號傳輸?shù)男阅堋IS與波束賦形的不同在于：RIS只能在模擬域?qū)o線信號進行調(diào)整，而波束賦形即包含了模擬域的處理，同時也包含了數(shù)字域的處理。雖然RIS不如波束賦形技術(shù)靈活，但它的成本和實現(xiàn)復(fù)雜度更低。

從部署的角度來看，RIS與中繼類似，它們都可以作為基站和用戶之間的中間節(jié)點。RIS與中繼的不同在于：RIS一般不包含射頻鏈路，也即RIS無法對信號進行解碼轉(zhuǎn)發(fā)或放大轉(zhuǎn)發(fā)。但也得益于此，RIS不會引入額外的熱噪聲。另外，由于RIS的輕量特性，使其可以很容易地被嵌入移動通信網(wǎng)絡(luò)中（比如外墻表面、路邊設(shè)施等），這使得RIS的部署更加靈活。

2 RIS潛在應(yīng)用場景

目前，業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)于RIS的研究主要聚焦在兩個方面[5]，一是將RIS作為新型無線發(fā)射機，直接參與信號的調(diào)制和傳輸；二是將RIS作為無線傳輸?shù)闹欣^節(jié)點，以反射面的形式改善無線信號的傳輸性能。

對于基于RIS的新型無線發(fā)射機，雖然學(xué)術(shù)界已有一些理論研究成果[10-11]，但其與現(xiàn)有發(fā)射機相比，在硬件器件和結(jié)構(gòu)上都有較大差異。考慮到產(chǎn)品發(fā)展的延續(xù)性，這種新型無線發(fā)射機可能不會作為6G的主流產(chǎn)品出現(xiàn)。另外，現(xiàn)有的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的基站產(chǎn)品形態(tài)已相對穩(wěn)定和成熟，產(chǎn)業(yè)化進程處于良性態(tài)勢，RIS很難打破現(xiàn)有產(chǎn)品的市場環(huán)境，異軍突起。從性能角度來看，由于RIS一般不包含射頻鏈路器件，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流數(shù)可能難以與現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)匹敵，再加上基于RIS的高階信號調(diào)制方法也處于研究階段，所以RIS系統(tǒng)的容量可能很難在短期內(nèi)達到現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)的水平。結(jié)合上述分析來看，基于RIS的新型無線發(fā)射機可能不會成為6G時代RIS的主流應(yīng)用方式，因此本節(jié)主要考慮將RIS作為無線傳輸中繼節(jié)點的應(yīng)用方式，并分析其潛在的應(yīng)用場景與部署方式。

2.1 室外場景

隨著低頻段頻譜資源的耗盡，6G系統(tǒng)需要向更高頻段開拓可用的頻譜資源。然而，高頻系統(tǒng)在無線信號覆蓋方面存在天然的短板，高頻信號的傳輸更容易受到物體遮擋而導(dǎo)致無線鏈路的中斷。如何解決無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題，一直是運營商所關(guān)注的重點。RIS憑借其輕量、靈活、低成本等天然優(yōu)勢，很有可能會在6G網(wǎng)絡(luò)的室外覆蓋場景中發(fā)揮重要的作用。目前來看，RIS在室外場景的潛在應(yīng)用包括：

（1）建立視距環(huán)境

行人、車輛的移動，甚至由于植被以及樹葉的生長，都有可能對高頻信號的傳輸產(chǎn)生遮擋，導(dǎo)致傳輸中斷。雖然3GPP NR標準中為高頻頻段專門制定了波束管理流程，其中就包含了針對路徑遮擋問題的波束恢復(fù)策略，但這無法從根本上解決遮擋問題。RIS技術(shù)的出現(xiàn)，為這一問題的有效解決帶來了轉(zhuǎn)機。通過在建筑外墻的合適位置部署RIS，可以人為地營造出基站到RIS、RIS到用戶的雙視距（LoS, Line of Sight）傳播環(huán)境，提升無線鏈路的魯棒性和可靠性，具體如圖2所示：

圖2 通過RIS建立視距環(huán)境

（2）弱覆蓋區(qū)域補盲

由于建筑、植被等環(huán)境因素的影響，移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋會呈現(xiàn)一定的不均勻性，可能會出現(xiàn)零星的弱覆蓋區(qū)域。這些弱覆蓋區(qū)域的面積可能很小，但是會導(dǎo)致部分用戶的通信業(yè)務(wù)無法正常進行，對用戶體驗造成不好的影響，比如共享單車停放區(qū)域的弱覆蓋、電子售貨機放置區(qū)域的弱覆蓋等。針對這些零星弱覆蓋區(qū)域，一方面，可能很難通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化或系統(tǒng)調(diào)參的方式解決；另一方面，通過增加布站的方式提升相應(yīng)區(qū)域的覆蓋性能也不太現(xiàn)實。因此，需要尋找一種低成本、易實施的解決方案。而RIS正適合于解決該場景的覆蓋問題，通過RIS的部署，可以有針對性地將無線信號反射到相應(yīng)弱覆蓋區(qū)域，提升其覆蓋性能。

（3）鄰區(qū)干擾抑制

通常來說，基站天面在部署時會進行一定的機械下傾，在保證本小區(qū)覆蓋的同時，對鄰區(qū)干擾進行一定的抑制。然而，小區(qū)邊緣用戶的覆蓋性能和鄰區(qū)干擾抑制始終存在一定的矛盾性。雖然NR系統(tǒng)引入了波束賦形技術(shù)，可以更好地平衡本小區(qū)信號和鄰區(qū)干擾的關(guān)系，但是邊緣用戶的性能仍然不是很理想，尚有很大的提升空間。通過RIS的部署，可以更好地解決邊緣用戶的鄰區(qū)干擾問題。舉例來說，可以在小區(qū)邊緣建筑表面部署RIS，通過信號反射取代信號直射，進一步抑制對鄰小區(qū)的干擾，如圖3所示：

圖3 通過RIS抑制鄰區(qū)干擾

2.2 室內(nèi)場景

伴隨著新型應(yīng)用的出現(xiàn)，各種類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層出不窮，從最基本的語音、上網(wǎng)業(yè)務(wù)，到現(xiàn)在的視頻直播、AR/VR類業(yè)務(wù)，這些新型業(yè)務(wù)的出現(xiàn)不斷對移動通信網(wǎng)絡(luò)的性能提出更高要求。可以注意到，大部分的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實際上都發(fā)生于室內(nèi)，室內(nèi)覆蓋已成為現(xiàn)在和未來的重要場景。

與室外通信場景相比，室內(nèi)的通信環(huán)境更為簡單，通信距離更短，用戶移動性更低，但是無線傳輸面臨著更大的穿透損耗，以及更加嚴重的多徑問題。另外，由于建筑材料、家具表面的微小坑洼，室內(nèi)反射主要以漫反射為主，信號能量散開在室內(nèi)空間中，很難實現(xiàn)均勻的覆蓋。不同位置、不同房間的覆蓋性能可能存在較大差異，且難以控制。

從4G時代的無源室內(nèi)分布式系統(tǒng)到5G時代的有源室內(nèi)分布式系統(tǒng)，室分系統(tǒng)逐漸成為室內(nèi)覆蓋的主流解決方案。然而，室分系統(tǒng)也存在一定的局限性：首先，室分系統(tǒng)的建設(shè)成本較高；其次，室分系統(tǒng)可能存在布線困難的問題，部分建筑不適合部署室分系統(tǒng)；最后，室分系統(tǒng)的建設(shè)可能涉及多個運營商，在運維、共建共享方面存在一定的困難。

RIS技術(shù)為室內(nèi)覆蓋解決方案提供了一種新的思路。一方面，由于RIS本身由無源或近無源器件組成，且占用空間較小，可以打消人們對于電磁輻射的顧慮；另一方面，RIS易于部署在室內(nèi)墻面上，不需要額外的布線，且可通過室內(nèi)裝飾的方式呈現(xiàn)，不會有突兀的視覺觀感。通過在室內(nèi)部署多個RIS，可以將室外基站信號反射到各個屋內(nèi)，提升室內(nèi)覆蓋性能。另外，RIS也可以很好地與其他室內(nèi)覆蓋方案相結(jié)合，作為室內(nèi)覆蓋增強方案的額外補充。

3 RIS部署與應(yīng)用思考

得益于RIS的輕量化特點，其在部署上存在很大的靈活性，可以部署于建筑物的表面、路邊設(shè)施表面等。當RIS應(yīng)用于移動通信網(wǎng)絡(luò)中時，需根據(jù)RIS對網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)的透明程度來決定其具體的應(yīng)用方式，具體可分為全透明RIS、半透明RIS和非透明RIS。

3.1 全透明RIS

全透明RIS指其對于網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)都是透明的，即基站和終端都不需要感知RIS。此時，RIS的部署不會引入額外的控制信令開銷，不會影響基站和終端的特性，也不作為網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點。在設(shè)計方面，全透明RIS不需要實時動態(tài)地調(diào)整其反射波束圖樣，可采用預(yù)配置的方式設(shè)定若干種波束圖樣，在部署時結(jié)合實際需求選擇某種預(yù)配置圖樣。在成本方面，全透明RIS不需要數(shù)字處理模塊，因此實現(xiàn)成本較低。在應(yīng)用方面，全透明RIS適合于小區(qū)級的部署，可用于弱覆蓋區(qū)域補盲、特定區(qū)域的覆蓋提升等，此時RIS只需要將無線信號反射到指定的區(qū)域即可，不需要精細的反射波束控制。

全透明RIS與建筑物、植被等一樣，都是無線通信環(huán)境中的一部分，其差異在于，經(jīng)由RIS反射的無線信號在一定程度上是可控的，可以具有一定的方向性。全透明RIS宜采用靜態(tài)的配置方式，配置好反射波束圖樣后一般不再調(diào)整。因此，全透明RIS對無線通信環(huán)境的干涉有限，只能粗粒度地調(diào)整無線信號的覆蓋，無法實現(xiàn)用戶級的信號增強。

3.2 半透明RIS

半透明RIS指其對于網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)的某一側(cè)透明。考慮到終端的實現(xiàn)成本與復(fù)雜度，本節(jié)只考慮RIS在終端側(cè)透明，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)不透明的情況。對于半透明RIS，基站可以通過特定的控制信號主動調(diào)整RIS的整體電磁單元響應(yīng)，從而生成需要的反射波束圖樣。在RIS和用戶間的信道測量方面，由于用戶終端無法感知RIS，所以用戶只能對基站到RIS與RIS到用戶的級聯(lián)信道下的參考信號進行測量、反饋，至于基站如何對用戶反饋的信道信息進行處理與利用，則需要更進一步的研究。在設(shè)計方面，半透明RIS可以根據(jù)基站的控制，動態(tài)地對反射波束圖樣進行調(diào)整。考慮到布線的成本及施工難度，RIS和基站之間的信號傳輸更適宜于采用無線的方式。因此，基站很難實現(xiàn)對RIS上每個電磁單元單獨的進行控制，一種可行的方式是基站將期望的反射波束的角度信息傳輸給RIS，由RIS自行生成相應(yīng)的波束圖樣；另一種方式是基站采用波束訓(xùn)練的方式，將期望的波束索引號傳輸給RIS，再由RIS生成相應(yīng)的波束圖樣，具體如圖4所示。在成本方面，半透明RIS可能需要數(shù)字處理模塊對基站發(fā)送的控制信號進行解調(diào)，同時可能需要增加供電模塊，因此其成本較全透明RIS可能會高出很多。在應(yīng)用方面，半透明RIS同時適用于小區(qū)級部署以及用戶級的信號增強。

圖4 通過RIS輔助的波束訓(xùn)練過程示意圖

半透明RIS可以更好地對無線信道環(huán)境進行調(diào)整，改善基站與用戶間的信道狀況。半透明RIS可采用動態(tài)配置的方式，結(jié)合基站的控制，動態(tài)生成期望的反射波束圖樣，實現(xiàn)更精細化的波束，提升無線信號的傳輸質(zhì)量。半透明RIS對通信系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，不會影響終端的實現(xiàn)復(fù)雜度。

3.3 非透明RIS

非透明RIS指其對于網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)都是不透明的，此時RIS作為移動通信網(wǎng)絡(luò)中的一個非透明的中間節(jié)點參與無線信號的傳輸過程，其與非透明中繼在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的地位類似，區(qū)別在于：①RIS與解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼相比，它無需對用戶的數(shù)據(jù)信號進行解調(diào)，因此RIS不需要很強的數(shù)字處理能力；②RIS與放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼相比，它在反射信號時不會引入額外的噪聲，并且可以將能量聚焦，提升傳輸性能。非透明RIS與半透明RIS也有一定的區(qū)別，具體在于：非透明RIS可能需要具備自主向用戶發(fā)送特定的參考信號的能力，以便于信道測量。雖然這里說是自主，但實際上相應(yīng)的時頻資源等傳輸信息還是需要由基站配置，否則用戶無法知道應(yīng)該如何對相應(yīng)的參考信號進行測量。然而，在實際應(yīng)用中是否允許RIS自主發(fā)送參考信號還有待研究與評估。

除此之外，從多用戶傳輸?shù)慕嵌瓤紤]，RIS實際上是不知道各個用戶信號實際的物理資源位置的，除非RIS能夠知道基站的調(diào)度過程。因此，RIS無法自主地知道應(yīng)該在何時將反射波束調(diào)整成何種圖樣，也即RIS對波束圖樣的調(diào)整，很大可能還是依賴于基站的控制，無法實現(xiàn)自主控制。

非透明RIS與非透明中繼不同，它的具體優(yōu)勢與應(yīng)用還有待更進一步的研究，目前很難給出定論。但可以預(yù)見的是，非透明RIS可以更好地掌握基站與RIS間以及RIS與用戶間的信道狀況，如果妥善地加以利用，可以更好地對級聯(lián)信道進行精細化調(diào)整，提升上、下行信號質(zhì)量。另外，非透明RIS在設(shè)計上需要著重考慮其實現(xiàn)成本，如果成本過高，則將很難應(yīng)用于未來的6G移動通信網(wǎng)絡(luò)。

3.4 RIS應(yīng)用的其他思考

本節(jié)主要列出一些RIS在應(yīng)用時可能面臨的具體問題，主要包括：RIS的方向性、RIS對不同運營商網(wǎng)絡(luò)的影響。

（1）RIS的方向性

RIS在面向6G的應(yīng)用中，需要考慮傳輸?shù)姆较蛐裕Y(jié)合前文對RIS應(yīng)用場景的分析，在上行和下行傳輸中可能都需要RIS的輔助。一方面，用戶終端的發(fā)射功率相比基站的發(fā)射功率要小很多，上行信道往往是覆蓋瓶頸，所以上行傳輸對于RIS的需求更高；另一方面，對于視距阻擋、弱覆蓋、鄰區(qū)干擾抑制等應(yīng)用場景，下行傳輸也需要RIS的輔助。因此，在RIS的反射圖樣設(shè)計方面，需要同時考慮上、下行反射圖樣的需求。另外，還需要考慮上、下行反射圖樣的切換問題。如何保證RIS在上、下行兩個方向上都可以有效地工作，是未來的研究重點。

（2）RIS對不同運營商網(wǎng)絡(luò)的影響

不同運營商對RIS的部署需求可能存在不一致性，一個運營商部署RIS后也可能會對同區(qū)域內(nèi)其他運營商的網(wǎng)絡(luò)性能帶來影響。對于全透明RIS，這種影響是靜態(tài)的；而對于半透明或非透明RIS，這種影響則是動態(tài)變化的，相當于引入了新的信道時變特性。當RIS在網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署時，如果不同運營商分別對各自的RIS進行調(diào)整，可能會產(chǎn)生一定的相互影響，使得傳輸性能無法達到預(yù)期。一種可能的解決方案是限制RIS電磁單元的工作頻段，使其只能實現(xiàn)特定頻帶內(nèi)信號的相位調(diào)整，但是這個取決于器件材料特性，有待進一步研究。在RIS部署前，首先需要評估其對于不同運營商網(wǎng)絡(luò)的影響，如何避免這一影響，將成為RIS部署的一個痛點問題。

4 結(jié)束語

本文基于RIS的技術(shù)原理以及潛在應(yīng)用場景，對其在6G網(wǎng)絡(luò)中的部署及應(yīng)用進行了分析，著重探討了全透明RIS、半透明RIS和非透明RIS在設(shè)計、成本以及應(yīng)用等各個方面的特性和可能面臨的問題。除此之外，本文對RIS傳輸?shù)姆较蛐砸约捌鋵Σ煌\營商網(wǎng)絡(luò)的影響進行了分析，闡明了相關(guān)研究重點及需要關(guān)注的痛點問題。希望本文的分析可以起到拋磚引玉的作用，為RIS的研究與發(fā)展提供一些參考，協(xié)同促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。