無線網絡中智能超表面部署研究

崔亦軍，李 萍，葉崢崢，武藝鳴，竇建武

(1.中興通訊股份有限公司，上海 201203；2.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518055)

0 引言

近年來，智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)因為其能夠靈活操控信道，改變環境中的電磁特性，在國內外吸引了學界和業界廣泛的關注。RIS在學術研究及產業推進上更是發展迅速，被認為是6G 網絡的關鍵候選技術之一[1-3]。由于RIS能夠通過改變電磁單元的排列組成，從而可以根據場景需要改變信號的幅度和相位[4]，進而通過可編程的方式實現對無線環境中電磁波的控制。RIS具有低成本、低復雜度、低能耗和易部署的特性，與無線網絡相結合，能夠使得無線網絡中的覆蓋和容量增強。如果要在網絡中引入RIS這樣的新元素，那么就需要從RIS在無線網絡中的應用開始研究。

現有文獻主要集中研究了RIS信道估計方面的內容，以及不同RIS波束賦形的方案[5-8]，基本上都著眼于RIS如何更好地改變無線信道，從而提升信道容量[9-11]。本文主要是側重工程應用，研究在無線網絡中如何部署可以實現RIS的最大覆蓋效率，解決RIS面臨的最基本、也是最重要的問題，同時還能在實際場景中進行部署。

1 智能超表面技術在無線通信中的應用

1.1 RIS在5G無線通信中的應用場景

傳統的無線通信，利用了空時頻三個維度的特性來擴展信道/系統容量[12]。時域上通過分時控制以及時間的累加可以提高整體系統的吞吐率，然而本質上并不改變頻譜效率；頻域上可以通過擴展頻譜來實現容量的顯著提升，從厘米波逐步擴展到毫米波再到更高的頻率和波段；而空域是在時頻域基礎上更加延拓頻譜資源，從最初的單通道發展為多通道，再到后來的MIMO、 Massive MIMO，理論上可以實現頻譜效率成倍的增長。可以發現，這些技術都是在通信系統的發送和接收側實現方案和性能優化，目的都是為了對抗實際無線信道環境，而對于空時頻資源的利用仍然會存在一個瓶頸，隨著頻域/空域資源的不斷擴展，“邊際效用”漸漸凸顯出來。另外，對于遮擋下無信號覆蓋的盲區來說，任何算法和策略都難以實施。可以說，實際的無線信道環境決定了整個系統容量的上限。

與傳統的被動“適應”無線信道不同，智能超表面能夠“改變”信道特性，帶來無線信道環境容量上限的提升。特別是5G系統中通過傳統的算法或者策略無法解決的問題，例如遮擋下無信道覆蓋的盲區，可以通過引入RIS來得到根本的解決。 在傳統5G系統中無線信道薄弱的環節，智能超表面將發揮巨大的作用。

智能超表面可以有效填補局部覆蓋空洞、增加信號傳播自由度、降低功耗，還具有感知定位的能力。對于sub-6GHz系統的某些場景下，存在空間秩缺少、覆蓋不夠深入室內等狀況。如圖1所示，可以通過引入RIS來增加多徑，實現空曠區域的增秩效果，如體育場、廣場等傳播環境和空曠環境。

圖1 RIS部署示意圖(sub-6GHz)Fig.1 Deployment for RIS (sub-6GHz)

對于5G mmW系統，雖然其頻譜資源豐富、帶寬大、反射特性好，但容易受到環境的影響，典型的場景就是物體遮擋，如植被、建筑物等。所以，一般意義上的mmW應用場景為空曠、無遮擋的室外或者室內場景，而當實際環境中仍有遮擋物體就會存在覆蓋弱區與盲點，這就導致了5G NR mmW系統的覆蓋率要低于sub-6GHz系統，其覆蓋受場景限制，不利于網絡覆蓋，從而影響部署。如圖2所示，把RIS引入到5G mmW系統中，將LOS信號通過“中轉”的方式反射到盲區，實現局部空洞的補盲，形成連續覆蓋。

圖2 RIS部署示意圖(mmW)Fig.2 Deployment for RIS (mmW)

另外，在用戶數量較多時，可以采用多RIS部署，通過提升每個用戶的覆蓋來提升無線系統整體的容量。如圖3所示，對于每個弱區/盲區可以分布架設不同RIS以實現不同目的。一方面RIS可以對無信號區域進行定向補盲，另一方面RIS可以對弱區或者業務量較大區域進行定向補弱。

圖3 多RIS部署示意圖Fig.3 Deployment for multiple RIS

在無線網絡中，RIS的這幾項優勢如何才能被更好地發揮出來，是網絡部署中一個關鍵問題。經過研究發現，RIS的覆蓋能力是與其所使用的材料、面積大小、部署位置強相關的。能否做好RIS的網絡部署，是RIS在無線網絡中得以廣泛應用的關鍵問題。

1.2 智能超表面技術的部署方案

全新的RIS技術特性及其與無線通信應用的結合，全新的應用場景對于其在網絡中進行部署面臨著巨大挑戰。RIS的組網設計既需要考慮在傳統蜂窩網中網絡架構的實現方案，也需要研究探索在未來全新網絡架構網絡中的實現方案[13]。

在傳統的蜂窩網絡中，部署首先要確定的是RIS板的安裝位置，先通過仿真、路測、MR(Measurement Report)等確定RIS目標區域，找到基站無法部署解決的弱覆蓋區域(主要受建筑物及植被影響)，根據目標區域及周邊宏站位置進行LOS徑站址選取，包括部署位置、掛高、RIS面板傾角等，需要充分考慮實際部署條件的限制因素；其次是RIS板面積的選擇，隨著面積增大，RIS的波束賦形增益和面積增益得到提升，但同時出射波束的水平垂直寬度也隨著陣子數的增加而減小，因此需要結合實際應用需求和場景進行合適的面板面積選擇，在本文中暫時不展開詳細討論；最后是RIS面板的波束形態和碼本的選擇，根據部署場景和入射、出射位置信息等，需要選擇合適的波束形態，以適配實際的覆蓋面積和用戶數量需求。

通過對RIS板的覆蓋面積進行數學建模，構建最佳波束形態和部署方式的優化系統流程，可以仿真計算最大覆蓋面積，作為實際RIS部署覆蓋能力的參考，根據需要覆蓋的廣場、道路、樓體等不同場景特性，分析該覆蓋方案的最大能力是否符合需求，如果不符合則需要尋求加板、站點位置變更等其他解決方案。

2 RIS板覆蓋面積建模

假設RIS面板的水平、垂直陣子數分別為M和N，水平垂直陣子間距分別為dx和dy，入射、出射信號與面板法線夾角分別為θt和θr，基站與RIS距離為d1，RIS與UE距離為d2，RIS面板反射效率為γ，RIS單元陣子功率增益為Ge，發射功率為Pt，發射天線增益Gt，接收天線增益Gr，信號波長為λ。以遠場場景為例，則RIS面板增益可以等效為[14]：

(1)

RIS陣列的水平垂直導向矢量可以表示為：

(2)

(3)

式中，θ和φ分別為相對面板的方位角和俯仰角。假設RIS面板所加載的碼本為w，則產生的三維空間波束方向圖可以表示為：

R(θ,φ)=Pr×|wH(fh?fv)|2。

(4)

在距離為d0的特定方向閾值為GThr的切面下水平垂直波束寬度設為Δθ和Δφ，則在該距離下特定切面方向的覆蓋面積Scover可以表示為：

(5)

3 RIS部署方式和優化系統

按照實際的部署和效果需求，RIS部署方式或者碼本的選擇可以包含以下幾種。

3.1 單用戶波束

單用戶波束可以作為較常規的波束形態使用，因為具有較窄的覆蓋面和較大的出射增益，因此對于單用戶可以實現較好的覆蓋和跟蹤性能。隨著接收距離的增加，接收端的最大RSRP會逐漸衰減，而覆蓋面積也隨之展寬，不同的RSRP閾值門限對應了不同的距離和覆蓋面積特性。單用戶波束的水平垂直波束寬度隨水平垂直陣子數變化而變化，陣子數越多，出射波束的寬度也越窄；隨著接收距離的增加，寬度也逐漸展寬。在接收距離較近時，單用戶波束的覆蓋面積比較受限，很難滿足大范圍寬度的覆蓋要求，但在遠距離下因其良好的最大功率增益屬性而適合選用。考慮到實際的入射、出射角度測量存在誤差，需要給單用戶波束的寬度預留一定余量。

3.2 多用戶波束

對于多用戶聯合覆蓋的場景，針對不同用戶分布不聚集、間隔較廣、移動路徑隨機的情況，可以使用多用戶波束碼本，能夠實現對多個用戶或區域的較好覆蓋和實時跟蹤。多用戶波束可以通過子板拆分和波束拼接、碼本設計等方式實現，在距離較近或者中等的情況下可以獲得比單用戶波束更廣的覆蓋距離，但是最大RSRP增益也隨之降低，導致在遠距離下覆蓋面的RSRP過低而用戶無法接入。因此多用戶波束不適合在遠距離或超遠距離下覆蓋，而在中短距離的覆蓋會有更好的性能表現。

3.3 聚焦展寬波束

通過改變碼本可以實現對出射能量和方向圖的不同匯聚效果，實現任意形態和寬度的波束控制。聚焦展寬波束的寬度和形態可以通過改變參數而實現變化，特別是對于在面板水平垂直陣子數固定的情況下，如果需要設計不同水平垂直寬度的出射波束，就可以選擇使用聚焦展寬波束，以實現水平和垂直維度的不同程度角度擴展。使用聚焦展寬波束最大的優點是可以根據實際的覆蓋需要靈活調整波束形態，使功率能有效對準目標用戶，避免功率的浪費和對其他接收點產生信號干擾。

為了在實際應用中達到最優的RIS覆蓋性能，可以設計最優部署和覆蓋系統，系統流程圖如圖4所示，基于前期的環境勘測結果和RIS面板參數確定可選的幾種部署方式，生成對應的碼本，并根據環境和UE能力確定RSRP閾值，通過UE反饋或者工程測量的方式獲取部署坐標和距離，這些參數都支持動態調整。基于這些參數和碼本，能生成不同部署方式的波束方向圖和不同距離下的覆蓋面積，通過使Scover最大得到最優的碼本，選擇在特定距離下的最優部署方式和碼本作為RIS的實際部署方案，最優碼本w表示為：

w=argmaxScover。

(6)

4 仿真結果

基于上述理論分析和系統設計，做了建模與仿真，在2.6 GHz頻點下，1 m2的RIS面板，基站與RIS距離為200 m，進行不同部署方式的覆蓋性能仿真，分別使用了單用戶波束、多用戶波束和兩種不同參數的聚焦展寬波束共4種方式，覆蓋距離設置為10～100 m2的范圍，RSRP閾值分別設置為-80 dBm、-85 dBm、-90 dBm，不同部署方式的覆蓋面積仿真曲線如圖5～圖7所示。

從圖5～圖7的3個不同RSRP閾值仿真結果可以看出，隨著RSRP閾值的降低，整體覆蓋面積和最大可覆蓋距離增加；隨著距離增加，不同部署方式的覆蓋面積基本呈現先增大后減小(或者逐漸變小)的趨勢，在不同的部署方式和RSRP閾值下，最大覆蓋面積對應的覆蓋距離也會隨之變化，稱之為最佳覆蓋距離。在工程實現中，如果能夠將目標接收點部署在選用的部署方式對應的最佳覆蓋距離上，便能實現該部署方式的覆蓋性能最優化。對于相同的部署方式來說，隨著RSRP閾值的變小，最大可覆蓋距離和最佳覆蓋距離都得到了提升，最大的覆蓋面積也逐漸增大。對于相同的RSRP閾值，從最大可覆蓋距離來看，單用戶波束覆蓋的距離最大，聚焦展寬波束覆蓋的距離次之，而多用戶波束覆蓋的最大距離最小；從最佳覆蓋距離來看，也符合這一特性。其中聚焦展寬波束通過設置不同的參數，可以使其最佳覆蓋距離介于單用戶波束和多用戶波束之間的任意距離位置，填補了最佳覆蓋距離維度上的空缺，從而使得整體的覆蓋收益得到提升。

圖5 RSRP閾值為-80 dBm時不同部署方式在不同 距離下的覆蓋面積比較Fig.5 Cover Area Comparison for different deployment mode and range with RSRP threshold -80 dBm

圖6 RSRP閾值為-85 dBm時不同部署方式在不同 距離下的覆蓋面積比較Fig.6 Cover Area Comparison for different deployment mode and range with RSRP threshold -85 dBm

圖7 RSRP閾值為-90 dBm時不同部署方式在不同 距離下的覆蓋面積比較Fig.7 Cover Area Comparison for different deployment mode and range with RSRP threshold -90 dBm

不同的部署方式具有不同的覆蓋面積-距離特性。由上述3個仿真結果可以進一步得出，對于給定的覆蓋閾值和覆蓋距離，總能找到一種最優的部署方式，以實現RIS的最佳覆蓋。在實際工程應用中，針對實際部署場景以及不同的部署距離和覆蓋面積需求，可以選擇對應的部署方式，以達到最佳的覆蓋性能。此外，也能夠基于仿真的最大覆蓋面積衡量RIS的覆蓋提升能力和部署收益，以便工程中進行決策和優化。

5 結束語

RIS的部署在無線網絡應用性能中是至關重要的，本文研究了無線網絡中智能超表面部署方案，闡述了幾種典型的應用場景與部署方式。從理論的角度對智能超表面的部署面積進行建模，并在不同RSRP閾值和不同智能超表面部署方式下進行仿真分析，探索了不同部署需求下的最優部署策略。仿真結果表明了智能超表面覆蓋面積和覆蓋距離的特性，更大的RSRP閾值意味著覆蓋面積、最大可覆蓋距離和最佳覆蓋距離的變小；對于給定的覆蓋距離和RSRP閾值要求，可以選擇部署方式實現最佳覆蓋性能。本文進一步給出了工程中智能超表面部署方式選擇以及覆蓋距離/面積評估的指導，以提升RIS在無線網絡中的覆蓋效率。