可重構智能超表面設計及其無線通信系統應用

馬向進,韓家奇,樂舒瑤,田雨岑,陳斯龍， 李 龍

(西安電子科技大學 超高速電路設計與電磁兼容教育部重點實驗室，陜西 西安710071)

0 引言

萬物互聯的時代，通信容量增長迅速，無線連接設備隨處可見，實現全維度覆蓋的泛在智聯世界存在迫切解決的問題和挑戰。例如，所構建的網絡復雜度較現有的無線網絡有很大提升，基站的增加大大提升了硬件開發成本以及維護的費用；此外高額系統功耗同樣也帶來能源的巨大消耗。頻譜逐漸向毫米波以及太赫茲發展，必然會需要更加昂貴的硬件設備，以及更加復雜的信號處理架構。因此，如何降低系統的復雜度，同時開發出具有可靠性強、通信容量大、成本低、功耗低的設備是當今研發人員迫切需要解決的問題。近年來，隨著數字可編程智能超材料/超表面的發展，為解決這些難題提供了新的方法和途徑。

可重構智能超表面(Reconfigurable Intelligent Metasurface,RIS) 是具有可編程特性的人工電磁超表面，可對空間電磁波的幅度、相位、極化以及頻率進行靈活調控。RIS具有低成本、低功耗、可調控、可靠性高等優點，因而倍受學術界與工業界的關注。將RIS部署在無線信號傳輸路徑中，一方面RIS可以被動地改善信道的散射條件，從而增強通信系統的復用增益[1]；另一方面，RIS可以主動對傳播路徑上的信號進行調控，有效消除信號盲區、增強接收信號、實現信道調控，從而提高通信傳輸性能[2]。現階段RIS的研究熱點主要分為兩方面：一是高性能、高質量的系統硬件樣機的設計與開發，二是RIS陣列的優化算法和信道調控研究，前者為硬件層，后者為算法層。硬件方面，如文獻[3]研究利用低成本的無源中繼器來實現盲區的穿墻覆蓋。2008年，李龍等人[4-6]提出了頻率選擇反射天線陣作為無源中繼設備應用于消除無線通信中的盲區，通過在固定位置架設無源反射陣，從而改變基站信號的傳輸路徑，實現基站信號非視距的傳輸覆蓋，有效減少了通信網絡的信號盲區。2011年，研究人員提出了一種由四元折疊貼片天線陣列、平面八木天線和功率合成器組成的準平面無源中繼器，來提高多徑下的多輸入多輸出設備性能[7]。2017年，李雙德等人提出了一種具有普適用的路徑損耗模型，該模型可有效表征信道在視距 (LOS) 和非視距 (NLOS) 環境下的路徑損耗[8]。2019年，方遙等人利用反射陣作為無源中繼應用于室內L型走廊和T型走廊中，有效實現了毫米波頻段的室內盲區覆蓋[9]。算法方面在文獻[10]中提到了一種關于通過優化 RIS 相位矩陣和基站 (BS) 的最佳功率分配來最大化下行鏈路中的每焦耳能量效率。文獻[11]通過優化 BS 處的發射波束和 RIS 處的相移矩陣，解決了 RIS 輔助多址網絡的下行鏈路發射功率最小化問題。為了解決 RIS 輔助通信系統中頻譜效率的最大化問題，文獻[12]提出了通過優化接入點的波束形成器和 RIS 相移來最大化頻譜效率。為了解決通信鏈路在非視距情況下性能衰減，文獻[13]提出繪制多個有用的系統級別，它可以通過提供額外的間接視距鏈接來提高作為通信鏈路障礙物的物體，如建筑物或樹木，蜂窩網絡的覆蓋概率。文獻[14]通過研究兩個用戶向一個接入點(AP)發送獨立消息的多接入信道(Multiple Access Channel,MAC)的容量區域，借助RIS，推導出集中式部署的容量外界和分布式部署的封閉容量區域。針對無線通信場景下的應用，圍繞RIS的硬件系統設計，從理論、技術與應用進行研究與探索。

1 智能超表面原理與設計

RIS 的硬件基礎為數字化可編程超表面，21世紀初，超材料技術逐漸從理論走向實際應用。D.R.Smith等人通過調節開口諧振環和金屬細線陣列，從而獲得負折射率材料[15]，這一工作也被《Science》評為年度科技進展。在此基礎上為了克服超材料的體積大、損耗大、復雜度高等缺陷，超表面作為超材料的二維形式極大擴展了其應用領域。2011年，Capasso 教授團隊提出廣義斯涅爾定律[16]，通過引入分界面梯度相位的概念，從而使得以超表面為媒介的電磁波調控及應用得到了重要發展[17-18]。傳統模擬型的電磁超表面只能在特定狀態下實現固定的功能，調控電磁波的能力受到了極大地限制。2014年，東南大學崔鐵軍教授提出數字編碼超表面，對超表面單元進行反射相位的離散化，通過數字編碼表征超表面，并調節編碼狀態實現超表面對電磁波的調控功能切換[19]。為了進一步擴展超表面的功能，研究人員將電磁波的調制技術與廣義斯涅爾定律結合，設計出一系列狀態及功能可調的數字可編碼超表面[20-21]。在數字編碼超表面的基礎上，崔鐵軍院士團隊又通過將PIN二極管與超表面和現場可編程門陣列(FPGA)控制器連接，提出現場可編程超表面[22]。將PIN二極管的開關狀態與數字信息編碼對應，通過調節PIN二極管的工作狀態，可實時動態調控可編程超表面的狀態。通過控制多個PIN二極管的狀態和電磁波調控的編碼算法，可實現1 bit到多bit的可編程超表面在不同場景下產生高增益單波束、多波束、特殊散射波束等功能。在此基礎上，崔鐵軍院士進一步提出了時空編碼超材料[23-24]，實現了對電磁波頻譜的實時可編程操控。這種數字編碼表征使超材料由被動變主動，從模擬變數字，因而有能力在物理空間上進行信息操作和數字信號處理運算，進而提出了信息超材料/超表面的新方向[25]。

在實際應用中，FPGA既可以作為控制器，又可以作為網關，通過單獨的無線鏈路與其他網絡組件 ( BSs、APs、LTs ) 進行低速率信息交換。圖1為RIS 在無線通信系統的應用架構，旨在有效調控不同場景下的無線通信信道。當系統終端與基站源信號之間存在障礙物時，基站信號無法直接傳輸至終端用戶，此時可以有效通過 RIS 表面進行信號的中繼；當系統終端與基站源信號之不存在障礙物時，RIS 可以作為系統的輔助信道，進一步增加通信信道的數量，提升信號傳輸質量。因此，在終端接收到的信號y可表示為：

(1)

式中，hΦH為在終端和基站之間等效的級聯信道，h為RIS 到終端間信道，Φ為 RIS 的可調相移對角矩陣，基站到 RIS 間信道為H，g為終端和基站之間的直射鏈路，s表示基站發送的信號，n表示高斯白噪聲。

圖1 RIS 在無線通信系統應用架構Fig.1 Application architecture of RIS in wireless communication system

在RIS 硬件設計中，我們關注的是Φ矩陣的求解與設置，對 RIS 輔助通信場景分析時，由于基站距離 RIS 的距離比較遠，可以近似等效為平面波入射至 RIS 表面。所以當饋電為平面波時，分析場景示意圖如圖2所示。

圖2 平面波饋電的可編程反射超表面原理圖Fig.2 Schematic diagram of the programmable reflection metasurface fed by plane wave

平面波入射時，反射陣上每個單元的入射相位相同，則反射相位等于補償相位ΦR=ΦC+ΦI，其中，ΦR為 RIS 的目標波束的反射相位，ΦC為 RIS 單元的補償相位，ΦI為平面波入射相位。因此，根據所需要調控的反射波束方向可計算出補償相位：

ΦC=-k0sinθ0cosφ0xij-k0sinθ0sinφ0yij-ΦI。

(2)

式(2)為平面波入射時的相位補償計算公式。根據反射主波束的目標方向和入射波相位的信息可計算 RIS 各單元的相位，即求得相位矩陣Φ。由二進制編碼可知，編碼狀態數N= 2b(b= 1,2,3…) ，其中b代表編碼位數。當b= 1時，有“0”，“1”兩個編碼狀態，記為1 bit量化；當b= 2時，有“00”“01”“10”“11”四個編碼狀態，記為2 bit量化；更高位的編碼位數對應的狀態以此類推。以1-bit的量化為例，將360°的連續相位離散為兩種狀態，當補償相位在[ 0,90°]和[ 270°,360°]范圍內時，單元編碼狀態為“0”編碼，補償相位在[90°,270°]范圍內時，單元編碼狀態設置為 “1”編碼。通過數字量化編碼超表面調控電磁波，不僅可以實現不同功能的主波束，同時大大降低了實施的復雜度。

2 基于RIS的覆蓋增強方案

RIS是近年來才被提出的，但其前身智能反射面 ( IRS ) 發展較早。2008年，李龍教授團隊提出采用頻率反射陣天線 (FSR)[4-6]解決由于樓宇遮擋造成基站信號傳輸質量下降，消除通信盲區，以及室內通信信道選擇的方案。近年來，將RIS應用在解決信號傳輸盲區、增大信號覆蓋區域、提升通信信道質量等方面，逐漸成為現代無線通信關注的熱點[10,26]。

2.1 智能反射器墻面

在通信系統中的非視距傳輸場景，由于信道受障礙物遮擋，造成基站出現覆蓋盲區，移動終端設備無法正常通信。傳統的消除信號盲區方式是通過在特定位置放置直放站，從而擴大蜂窩覆蓋范圍，消除信號盲區。但標準直放站需要收發器、電源、電纜等，成本高，對安裝空間要求大。在高樓林立的城市環境，如圖 3 所示的無線通信系統模型，在兩個密集高樓之間的街道，往往是移動無線通信的盲區。將平面反射陣列設置在建筑物頂部或安裝在墻面上，形成對遠處基站的電磁波調控反射器。通過靈活的設計，它可以引導主波束覆蓋基站的通信盲區[5-6]。

圖3 基于平面反射陣的無線通信系統模型Fig.3 Wireless communication system model based on planar reflective array

為了滿足WCDMA系統所在的頻段要求，實現信號的調控，設計了一款工作在1.8～2.2 GHz頻段的頻率選擇反射陣列(Frequency Selective Reflectarray,FSR)天線[6]。采用印刷交叉偶極子結構與方形環結構的組合作為頻率選擇反射陣的基本單元，如圖4(a)所示。印刷交叉偶極結構對入射波的極化靈敏度較低，空間中的TE波或TM波均可激勵單元工作，與入射波極化無關。由方形環組成的頻率選擇表面只對預設工作頻段的電磁波產生反射，不干擾其他通信系統的信號傳輸，如圖4(b)所示，當加入方形環結構時，單元能夠正常工作。利用交叉偶極子和方形環組合構造頻率選擇反射單元時，呈現了不受極化干擾，只針對特定信號調控的優點。

FSR天線陣列與建筑物墻面的集成分析模型如圖4(c)所示。考慮到傳統的蜂窩移動通信，不失一般性，根據WCDMA (Rel.99) 的系統鏈路參數，通信基站與反射陣的距離為Rt= 500 m，FSR到用戶測試點距離Rr為 40 m。平面波從基站天線以(θ,φ) = (20°,-90°)的入射角發射到 FSR，設定FSR的反射波束指向 (45°,90°)。發射機和接收機天線增益分別為 10 dBi 和 0 dBi。采用通信鏈路分析來預測最大傳播損耗，如圖 4(d)所示。圖 4(d) 中的虛線表示WCDMA無線通信系統傳播損耗的閾值，一般情況下，傳播損耗大于 128 dB，則會出現通信盲區，終端設備便不能進行正常通信。研究結果表明，如果在樓頂上安裝布置11×7個單元的 FSR，可以有效調控基站信號的覆蓋區域，成功地消除了原始通信環境中的盲區。但是，如果使用金屬板作為反射器時，即使增加金屬反射板的尺寸也不能改善盲區的通信質量，這證明了所提出的可靈活調控波束的頻率選擇反射陣列中繼方案的有效性。

(a) FSR單元模型

(b) FSR單元反射相位特性

(c) FSR陣列及墻面應用模型

(d) WCDMA中傳播增益的鏈路預算分析

2.2 毫米波室內場景下的盲區信號覆蓋

5G時代的到來，意味著可用通信頻帶更寬，數據信息傳輸更快，終端通信接口更豐富，無線網絡更加智能，人們的生活更為便利。毫米波通信也勢在必行，毫米波可以利用的頻段更加豐富，因此可以充分利用頻譜帶寬來提升通信容量和速率。但同時毫米波本身的局限性也限制著毫米波通信的推廣，諸如路徑損耗和障礙物的遮擋效應嚴重，繞射能力差等問題，尤其是對于非視距(NLOS)的場景，很容易產生毫米波無線通信的覆蓋空洞，導致通信盲區。不同的建筑結構錯綜復雜，但是構成其結構的基礎場景大致相似，圖5(a)為一般的大樓場景模型。大樓的室內走廊場景主要由L型和T型兩種類型，本文以這兩種類型的走廊為例來分析其室內通信信號覆蓋情況。如圖5(b)～(c)所示，從有源基站發來的毫米波信號由于傳輸損耗和遮擋效應，難以有效覆蓋整個走廊，從而形成信號覆蓋盲區。對于室內 5G 通信覆蓋的種種問題，通過加載無源 RIS，將有源基站的來波以一定角度反射到盲區走廊實現通信覆蓋，消除通信盲區[9,27]。

(a) 典型大樓室內場景

(b) 無RIS布置的L型通道示意圖

如圖6(a)所示，本文提出一種新型四箭頭模型的超表面單元結構，具有寬帶特性和良好的相位覆蓋特性，可以有效控制大角度偏轉的反射波束。通過在方環上增加額外的箭頭分支，形成雙諧振結構，只需改變貼片尺寸即可獲得550°的相移范圍和線性良好的相移曲線，同時也有助于提高單元帶寬。基于設計的元件，如圖6(b)所示，反射陣列被設計并應用于室內非視距場景中的毫米波覆蓋增強。設計一款中心工作頻率為27 GHz的單波束微帶反射陣天線，采用的饋電方式為平面波入射，入射角為(0°，0°)，反射角為 (50°，180°)，陣面由90 × 90個單元組成，反射陣尺寸為324 mm × 324 mm。

(b) 90 × 90 陣列

為了模擬實際的通信傳播模型，采用射線追蹤方法對架設 RIS 前后的場景進行建模仿真。射線追蹤法是一種基于幾何光學和幾何繞射的路徑預測方法。場景中輻射源設置通過導入天線輻射方向圖并設置輸入功率實現，作為等效EIRP輻射源。射線追蹤圖像如圖7所示，設定信號覆蓋所要求的最低功率為-90 dBm，在未架設RIS時，信號不能有效覆蓋整個走廊，盲區約為25 m，在架設RIS后，走廊的信號覆蓋功率均大于-90 dBm，說明反射陣在理論上對盲區覆蓋有效。

(a) 無RIS場景仿真

(b) 架設RIS場景仿真

(c) 實驗測試場景

為了驗證設計的準確性，選取如圖7(c)所示實測場景。其測試路徑如圖所示，從L型走廊轉角處開始移動，移動間隔設置為0.8 m，共計測量37個點。模型中L型走廊的接收功率電平仿真結果和實測結果的對比如圖8(a)所示。如圖可知，當沒有架設反射陣時，由于此時信號無法入射到走廊，導致走廊上的功率分布明顯偏低，限于儀器靈敏度，只能讀出距離轉角3.2 m以內的信號分布功率，在架設反射陣后，可以看到走廊中線的功率分布有明顯提升，信號功率的平均提升值大于10 dBm，并且走廊末端的最小信號功率大于-95 dBm，說明了反射陣補盲的有效性。可以看到在毫米波情況下，其性態和功率量級基本保持一致。在24.5～29.5 GHz頻帶內，通過加載RIS后，信號功率平均提升了15 dBm，提升幅度隨頻率減小而略微增加，盲區覆蓋作用明顯增強，如圖8(b)所示。

(a) 原始L型走廊場景仿真與實測結果比較

(b) 不同頻率下，加載RIS表面前后實測的功率覆蓋情況

2.3 可拼接無源編碼RIS反射面

前面分析了無源反射超表面在L型走廊場景下對通信盲區的覆蓋。針對更加普適的場景提出一種智能可拼接無源編碼RIS表面，這種設計具有可重構功能，且是最低的功耗效應。針對任意特定口徑RIS、所需任意波束偏轉角度下，只需將單個‘0’和‘1’的子陣現場拼接組合，便可實現調控波束方向和覆蓋范圍所需要的功能[25]。根據平面波激勵下的 RIS 調控原理，波束指向由相位梯度決定。如圖9所示，設計了兩種具有不同相位梯度的子陣，分別用 1 bit 數字符號 “0” 和 “1” 表示， 其中子陣 “0” 的相位梯度為Pg0，波束指向為θ0；子陣 “1”相位梯度為Pg1，波束指向為θ1，那么根據插值理論，利用若干子陣 “0” 和子陣 “1” 的組合可以得到等效相位梯度Pgi的陣列，Pgi變化范圍為[Pg0，Pg1]。等效相位梯度變化，則波束指向可以在[θ0,θ1]內實現波束可重構。

(a) 等效相位梯度變化

(b) 波束方向重構圖

根據平均相位梯度原理，將Ms個 “0” 子陣與Ns個 “1” 子陣進行有序排列，組成 RIS 陣列中最小周期行向量Vmin，通過改變Vmin中Ms和Ns的數目和兩類子陣排列順序，實現波束可重構；以最小周期行向量Vmin為單位分別在陣列的俯仰面和方位面進行擴展，得到不同口徑的可拼接無源反射陣，實現口徑可重構。通過構建1 bit編碼子陣，制定拼接規則可同時獲得滿足需求的口徑和波束指向，適用于不同場景的毫米波通信盲區覆蓋需求。

設計了工作在26.5～31.0 GHz可拼接毫米波 RIS 陣列，反射波波束指向在40° ～ 60°內。設計的可拼接無源反射陣由若干個無源子陣組成陣列，該陣列包括 “0” 和 “1” 兩類子陣。子陣 “0” 波束指向在41.7°，子陣 “1” 波束指向在60°，通過“0” 和 “1” 編碼可以生成任意指向波束。如圖 10(a)為加工可拼接 RIS 陣列，采用標準增益喇叭饋電，測試可拼接 RIS 陣列的方向圖，如圖 10 (b)～(d)所示，由結果可知實測結果和理論結果吻合度良好。

(a) 可拼接RIS結構

(b) 24 GHz 的輻射方向圖

(c) 28 GHz的輻射方向圖

(d) 31 GHz 的輻射方向圖

2.4 5G 基站下的部分有源RIS信號增強覆蓋

無線通信中要保證通信的移動性，即在不同的位置處都可以很好地進行通信；這對基站下的信號覆蓋工作提出了新要求，要求主波束能夠實時可調，前面提出的無源陣列，主波束無法進行實時調整，適合特定場景的無線通信需求，不能滿足更高層次復雜多變的環境需求。為了實現主波束的實時可調，可以通過在超表面單元上加載電控元件，采用FPGA控制和數字編碼，靈活調控所需要的反射相位，最終實現反射陣天線主波束的可重構[28-30]。然而對于部分盲區覆蓋的場景，需要大口徑的可重構反射陣來確保通信效果。對于常規大口徑 RIS 陣列，所需PIN二極管的數量十分巨大，數量眾多的電控元件會引起成本的飆升。同時電控元件都會產生一定損耗，從而降低RIS的增益。

本文提出了基于稀疏陣列算法的一控二部分有源 RIS 陣列， RIS 單元結構如圖11所示。將兩個超表面單元通過串饋的方式連接在一起，只需要單個PIN二極管即可同時調控兩個 RIS 單元，這種方式可以使得可重構反射陣有源PIN二極管的加載數量減少一半，大幅度降低設計復雜度和成本。同時基于稀疏陣列算法，可獲得最佳波束調控和最佳增益所需的 RIS 陣列。

(a) 一控二單元頂層

(b) 一控二單元底層

圖12為基于稀疏陣列算法的一控二的部分有源 RIS 陣列表面。通過調控 PIN 管的狀態，能夠在工作頻段 3.6～3.8 GHz內實現主波束-50°～ 50°的波束掃描。為了驗證RIS在5G基站下NLOS場景信號傳輸的增強能力，構建了如圖13 所示的外場測試，采用實際的5G通信基站進行測試，對比有無RIS情況下的NLOS通信信道質量，將RIS超表面放置距5G 基站61 m，相對陣面入射角度為50°，基站距離目標終端41 m，且二者之間存在樓宇，造成信號嚴重遮擋。通過RIS作為信號傳輸中繼，實現對目標盲區的有效覆蓋。在目標點位下，放置RIS超表面可以有效提升信道功率。信道功率提升10.95 dBm，吞吐相對增益為110%。通過實驗表明，該結構在應用于5G信號下的信號增強有著明顯的優勢。

(a) 全陣仿真模型

(b) 不同編碼下的輻射方向圖

圖13 實際5G 基站下的NLOS場景信號傳輸實測圖Fig.13 Practical measurement of signal transmission in NLOS scenario under actual 5G base station

3 總結與展望

針對可重構智能超表面硬件系統設計及無線通信系統的應用，本文從無源智能反射墻面、可編碼超表面、無源可拼接RIS超表面、部分有源可編程RIS設計與應用出發，闡述了RIS在無線通信系統中的一些應用實例和低功耗設計，如非視距基站信號的傳輸、L型場景下的盲區覆蓋、毫米波室內通信以及5G基站下的信號增強等，展示了智能超表面在無線通信系統中的應用潛力。

可重構智能超表面因其獨特的特性、簡單低廉的硬件成本以及工作能耗低的優勢，逐漸成為6G通信中最具競爭力的技術路線，可應用于直接信息調制、改善信道環境、提高系統性能以及降低覆蓋成本。隨著更加復雜的通信環境和電磁空間，可重構智能超表面的設計需要進一步的改進：① 現階段對超表面的調控還大多數局限在相位響應方面，由相位的變化實現超表面波束的調控。其主要的問題突出在超表面每個單元上的幅度不一致，會帶來損耗或口徑效率的問題。② 超表面單元結構對電磁信號幅度和相位的調控具有很強的耦合性，無法完成電磁波信號特性的獨立調控，限制了RIS 在更多復雜場景下的廣泛應用。③ RIS 陣列有效工作帶寬受限，對入射電磁波的能量轉換效率較低，難以支持未來無線網絡大寬帶傳輸和遠距覆蓋。從技術上講，RIS適用于改變信道狀態，但不能用于增強通信容量。研究人員已經意識這一問題，并且已經報道了一些射頻信道操控RIS[31-33]，提出并測試了多輸入多輸出(MIMO)RIS的概念和原型[34]。此外，還為6G網絡設想了一種新的全息MIMO表面[35]。上行鏈路大規模MIMO系統的動態超表面天線的理論分析發表在文獻[36-37]中。但是，基于 RIS 的完整上行鏈路和下行鏈路實驗尚未見報道。因此，實現全雙工RIS將是未來的主要研究方向。

將無線能量傳輸技術和無線通信技術應用于全雙工RIS，構建了無線信息和能量集成的RIS表面，也稱為能信一體智能超表面(Wireless Information and Power Reconfigurable Intelligent Metasurface，WIPRIS)。對于不同的工作場景，WIPRIS可以提供不同的功能。基于 WIPRIS網絡的三層架構包括基站側、中繼側和邊緣側。在基站方面，WIPRIS基站除了提供移動網絡接入外，還可以提供點對點、點對多點和特定區域的能量覆蓋服務。在中繼端，WIPRIS可以用作中繼器或調控信道。此外，中繼將無線電力重新分配到周圍的物聯網傳感器或邊緣側，且強調中繼的主要能量由基站保證。在邊緣側，微瓦級傳感器設備伴隨著連接中繼 WIPRIS并協調能源互連。所有這些 WIPRIS協作，形成一個特色的WIPRIS無線網絡。在未來能源與通信系統的應用中，加快構建清潔低碳、安全高效的能信一體化設備，快速推進WIPRIS的構建和發展，助力實現碳達峰和碳中和發展戰略，機遇與挑戰并存。