基于RIS 的室內無線通信信號增強系統

唐奎，胡琪，趙俊明，陳克，馮一軍

（南京大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

近年來，隨著移動通信技術飛速發展，5G 技術已在世界各地逐步部署，且在中國部署范圍最廣泛。相較于4G，5G 雖然在通信時延、傳輸速率以及通信安全[1]等方面都有較大提升，但隨之也暴露出了一些有待解決的問題，如能耗、成本等。一方面，5G 使用的頻段越來越高，這將導致通信距離的下降[2]；另一方面，為了實現萬物互聯的物聯網（IoT,Internet of things）[3-4]，未來各種終端設備將不斷增加到一個極大的數量級。基于這兩方面的原因，真實場景中均需要大規模部署5G 基站，這將大幅增加能耗、基站部署難度以及維護成本[5]。此外，通信質量在室內復雜環境下往往會嚴重下降。從電磁波傳播的角度來看，由于室內環境中空間狹長，又存在較多障礙物，電磁波在傳播過程中存在散射、多徑效應等現象，而傳統無線通信存在信道不可控的問題，因此導致了通信質量下降。

近年來，隨著有源超表面技術的發展[6-9]，室內通信質量下降的問題有望得到解決。相關研究領域在有源超表面基礎上提出了可重構智能表面（RIS,reconfigurable intelligent surface）技術[10-11]。RIS 能夠動態調節電磁波傳播，改善通信信道，并具有低功耗、低成本、易部署等優點，有望克服目前5G的部分缺陷。因此，RIS 技術被認為是6G 的主要候選技術之一[12-13]。

可重構智能表面本質上是由有源超表面發展而來的一種具有可編程電磁特性的人工電磁表面結構，一般為加載有源元件（如PIN 二極管、變容管等）的亞波長尺寸單元排列而成的二維平面結構。通過控制有源元件兩端的電壓來實現元件電路特性的改變，進而改變RIS 單元的電磁響應特性并實現對電磁波頻率、幅度、相位和極化等電磁波固有屬性的動態調控。另外，也可通過可調材料（如相變材料）來實現動態可變的電磁響應功能[14-15]。

近年來，有學者進一步提出了數字編碼表面的概念，將RIS 單元的電磁響應與二進制數字編碼建立聯系，從而將電磁波的模擬世界與數字世界相連接。數字編碼使用數字比特0 和1 來表征RIS 電磁響應狀態，可分為1 bit、2 bit 以及nbit RIS（n為大于2 的正整數），分別對應2、4 以及2n種可切換的電磁響應狀態。數字編碼表面通常由RIS 與現場可編程門陣列（FPGA,field programmable gate array）或者微控制單元（MCU,micro control unit）相結合，并利用FPGA 或MCU 動態輸出不同的編碼序列來實時調控RIS 編碼狀態，進而實現如異常反射、漫散射、多波束反射以及波束聚焦等電磁調控。基于以上特性，目前，RIS 在通信中的應用可大致分為兩類：一類是用RIS 替代傳統發射機，實現基于RIS 的新型通信架構[16-18]；另一類是將RIS 作為準無源中繼，輔助無線通信，改善通信信道[19-21]。本文主要關注RIS 作為準無源中繼在室內環境下的應用研究。目前，該領域已有較多的研究工作，但大多數集中于理論研究和理想環境下的實驗測試[22-24]，缺乏真實環境下的實驗研究與分析，因此本文旨在通過具體的實驗測試來探索與驗證RIS 作為準無源中繼在室內環境中的應用潛力。

針對上述問題，本文主要開展了以下工作。

1) 研制基于RIS 的室內無線通信信號（簡稱室內信號）增強系統原型機。首先，設計一種工作于2.55 GHz 的2 bit RIS 單元，并加工尺寸為800 mm×820 mm 的RIS 實物樣件；然后，搭建FPGA控制電路部分，并與RIS 進行聯合測試，驗證其對電磁波的動態調控能力。

2) 進行真實室內環境實驗研究。搭建典型室內通信環境，通過動態改變RIS 口徑上的相位分布，研究區域信號覆蓋的變化。實驗分為空場、放置金屬板以及放置RIS 輔助通信3 個對照組，對比分析實驗結果。

3) 實驗結果表明，相較于空場和金屬板輔助的室內場景，本文所設計的基于RIS 的室內信號增強系統能夠大幅提高目標區域的通信信號功率，且覆蓋區域可動態調節以保證用戶通信質量。

1 可重構智能表面設計

1.1 單元設計

為了實現基于RIS 的室內信號增強系統，本文設計了反射型2 bit RIS 單元，該單元由上下兩層印制電路板（PCB,printed-circuit board）構成，兩層PCB 之間為空氣層，如圖1 所示。上層為H 形金屬結構的拓撲變形，在金屬結構上沿y方向截斷并加載2 個PIN 二極管構成電磁諧振結構。在沿y軸的三條金屬臂上分別加載“正-負-正”的電壓，形成共陰極的供電形式來控制PIN 二極管的導通（ON）與截止（OFF）狀態。下層為介質板，且介質板背面覆蓋全金屬層以保證RIS 工作于全反射電磁波調控模式。

圖1 RIS 單元結構示意

本文利用商業三維電磁場仿真軟件 CST Microwave Studio 對圖1 所示結構進行建模與全波電磁仿真分析。金屬層為電導率為5.8×107S/m的銅膜，介質為F4B 材料，其相對介電常數為εr=2.2，損耗角正切函數為tanδ=0.001。通過構建PIN 二極管的等效電路來模擬其導通與截止狀態，當PIN 二極管工作在ON 狀態時，其等效電路為電阻與電感的串聯電路；當PIN 二極管工作在OFF 狀態時，其等效電路則為電容與電感的串聯。綜合考慮仿真分析結果以及樣品制備工藝等條件，最終優化后的單元結構參數如下。單元周期長度為p=32 mm，上下兩層PCB 厚度分別為h1=1.5 mm 和h2=2.0mm，中間空氣層厚度為h3=8.0 mm，上層金屬結構各參數分別為l=7.8 mm、w1=19.9 mm、w2=6.2 mm。

用0 和1 分別表示PIN 二極管OFF 狀態和ON狀態，2 個PIN 管的開關狀態（PIN1,PIN2）可實現4 種狀態組合，即OFF-OFF、ON-OFF、OFF-ON、ON-ON，對應的數字比特可表示為00、10、01、11，形成2 bit RIS 單元，可以實現 22=4 種反射相位。通過CST 對該RIS 單元進行仿真分析，得到RIS 單元在PIN 管不同狀態下的仿真與實驗結果如圖2 所示。

圖2(a)為RIS 單元在PIN 管不同狀態下的電場分布，可以清晰地看到，該單元實現不同反射相位的本質在于PIN 的開關狀態改變了RIS 單元表面的感應電流和電場分布。這里以PIN2為例，當PIN2處于截止狀態時，其等效為電感與電容的串聯，因此單元表面金屬中的感應電流路徑被截斷，從而在該位置處形成了位移電流，激勵起較強的感應電場；當PIN2處于導通狀態時，其等效為電感與電阻的串聯，此時感應電流可以自由通過PIN2，因此該位置處未出現明顯感應電場。PIN1的工作原理與PIN2類似。由此，不同的二極管狀態形成不同的單元諧振特性，從而產生4 種相位。優化單元結構參數使4 種相位的相鄰相位差為90°，即可實現2 bit RIS 單元。

圖2 RIS 單元在PIN 管不同狀態下的仿真與實驗結果

圖2(b)顯示了 RIS 單元反射相位的仿真（Sim.）與實驗（Exp.）結果，可以看到，仿真與實驗結果基本一致。在2.55 GHz 處，相鄰狀態間的反射相位差均在90°左右。在數字編碼表面中，一般研究重點關注RIS 不同狀態間的相對反射相位，因此本文將2.55 GHz 處11 狀態的相位歸一化為0°，則該RIS 可以動態實現0°、90°、180°、270°這4 種反射相位。

1.2 波束調控理論分析

在RIS 單元的研究設計與測試基礎上，本文進一步借助天線陣理論驗證RIS 對入射電磁波的調控功能。RIS 波束調控原理、RIS 相位分布及遠場方向圖如圖3 所示。

圖3 RIS 波束調控原理、RIS 相位分布及遠場方向圖

假設RIS 由M×N個單元構成，每個單元的周期長度為p，以RIS 左上角的單元為幾何原點，如圖3(a)所示。在平面電磁波入射情況下，根據天線陣理論可知，為了使反射波束輻射方向為 (θ0,φ0)，單元(m,n)的反射相位必須滿足式(1)。

考慮到RIS 在室內環境中的應用，可以采用列控RIS 實現在俯仰角方向的波束掃描功能，即θ0∈[-9 0°,90°]，φ0=0°。因此，式(1)可以進一步簡化為

針對本文RIS 單元可以實現的4 種離散反射相位，需將式(2)得到的連續相位分布進行離散化處理。離散化相位采用就近原則，如式(3)所示，將反射相位離散化到0°、90°、180°、270°這4 個相位值，分別對應RIS 單元11、01、10、00 這4 個比特狀態。

由此，反射電磁波的遠場方向圖可表示為

這里假設RIS 由12×12 個2 bit 單元構成，結合式(1)～式(4)進行仿真計算，最后通過計算式u=sinθc osφ和v=sinθsinφ將笛卡兒坐標(x,y)轉化為平面坐標(u,v)，可得經過編碼后RIS 的理論遠場方向圖，這里分別給出θ=-3 5o、θ=-2 5o、θ=-1 5o這3 種RIS 的相位分布以及對應的遠場方向圖，如圖3(b)和圖3(c)所示。從圖3(b)和圖3(c)可以看出，RIS 的反射相位沿x軸方向呈逐漸增大的正相位梯度變化，并且隨著所需反射波束偏轉角的增大，其反射相位梯度逐漸增大，反之則逐漸減小。全波仿真分析結果顯示，反射波束角度與預期相符，角度誤差很小，而部分結果旁瓣的增高主要是由相位離散化導致的。

2 室內信號增強系統與測試

整個基于RIS 的室內信號增強系統主要由信號發射機、用戶接收端、RIS、FPGA 以及上位機（計算機）五部分構成。信號由發射機發出，經過室內信道（包括直射路徑、RIS 反射、墻壁散射等多條路徑）到達接收端，上位機對接收信號功率進行監控，優化RIS 編碼分布，從而使接收端的信號功率最大。

為了驗證系統功能，首先對基于FPGA 的現場可編程RIS 的波束調控功能進行驗證，然后在室內真實環境中驗證該系統的對接收端信號增強的有效性。

2.1 現場可編程RIS 實驗測試與分析

為實現現場可編程動態波束調控，本文使用基于FPGA 的外部偏置電壓控制器。以數字比特“1”表示1.2 V 正電壓輸出，即PIN 二極管的“ON”狀態；數字比特“0”表示零電壓輸出，對應PIN二極管的“OFF”狀態。單個FPGA 可支持68 路電壓比特流的輸出與實時控制，此外所使用的FPGA 具有可擴展性，可根據需求擴展輸出電壓的路數。本文設計的列控方案智能表面需48 路輸出。

首先，測試RIS 的電磁響應及其對波束的動態調控功能，聯合測試環境為圖4(a)所示的微波暗室環境。一對寬帶雙脊喇叭天線分別作為發射天線（Tx）和接收天線（Rx）連接矢量網絡分析儀（Agilent Technologies E8363A）兩端口。RIS 放置在弓形架測量系統的圓心位置，發射天線垂直發射2.55 GHz 的電磁波輻照RIS，接收天線沿弓形架移動，接收反射信號，其中，code1～code3 表示不同RIS 編碼對應的不同角度的反射波束。本文測試了預設θ=-3 5o、θ=-2 5o、θ=-1 5o、θ=20o、θ=30o、θ=40o共6 種RIS 編碼，RIS 遠場方向圖測試與理論分析結果對比如圖4(b)所示，其中，圖形表示測試結果，線表示理論分析結果。從圖4(b)可以看出，測試反射波束角度與仿真結果基本一致，誤差很小，顯示了RIS良好的電磁場波束調控能力。實測副瓣與理論分析結果有所偏差，特別是在大角度情況下。這主要是由有限尺寸RIS 的邊緣效應、單元之間的耦合效應以及單元反射性能隨角度增大而下降等原因導致。

圖4 RIS 與FPGA 聯合測試

通過以上RIS 的仿真設計、理論分析以及實驗驗證，本文證明了所設計的RIS 能對入射電磁波進行有效的動態調控，有望進一步應用于改善室內通信環境。

2.2 信號增強系統及測試環境

室內環境中，通信信號通過狹長的走廊到達盡頭后，由于走廊兩側水泥墻壁阻擋和散射等因素，信號往往難以覆蓋走廊盡頭以及拐角的方向。為此，在前述理論分析和初步實驗測試的基礎上，本文考慮其在典型室內信號弱覆蓋場景中的應用。在圖5 所示的室內測試場景中，發射天線連接信號源，位于沿x方向的走廊一側，天線距離地面高度1.25 m，距離RIS 5.1 m，并以入射角5°向RIS 樣品的中心位置發射信號。接收天線采用全向天線，與頻譜儀相連，位于測試區域，并且接收天線距離地面1.48 m，此高度大約為人們使用手機時的平均高度，可模擬室內客戶端真實使用情況。在該場景中，接收天線與發射天線之間因有水泥墻以及金屬門的阻擋效應，難以形成直接傳輸通道，導致信號功率不高。這里RIS 采用4 塊樣品（子RIS）拼接的方式實現，其中，每塊子RIS 由12 行12 列共144 個2 bit 單元構成，整面RIS 共有24 行24 列共576 個單元，最終RIS 的尺寸為800 mm×820 mm。由于本文將RIS 應用于同一層樓的室內信號增強，因此理論上只需要控制RIS 波束的俯仰角θ，而方位角φ固定為0°（如圖3(a)所示）。因此，本文采用列控的饋電方式，即同一列的單元所加載的電壓相同。然后，將RIS 板緊貼墻壁放置，并通過直流偏置線將RIS 控制端口與FPGA 輸出端口相連接，總計48 路輸出。通過控制每列RIS 單元的電磁響應狀態最終實現散射波束掃描。信號源與頻譜儀放置于一面吸波屏風后方，以防止儀器對信號能量測試效果的影響。

圖5 室內測試場景

測試區域面積約為15 m2。本文對該區域進行均勻的離散采樣測試。測試半徑為1.5～5 m，每隔0.5 m 測試一條弧線上的信號功率，同時測試角度為10°至90°。部分區域因雜物阻擋而未設置采樣點，最終共計56 個采樣點。

本文對未放置RIS 的空場情況、放置金屬板以及放置RIS 這3 種場景進行了對比測試。其中，金屬板的面積與RIS 相同，放置位置也相同。發射天線輻射由信號源產生的2.55 GHz 信號，其極化方向為水平極化，其波束以5°入射到墻壁某位置，即圖5的坐標原點處。在空場及放置金屬板的場景下，不需要任何額外操作，直接對采樣點測試。在放置RIS的場景下，采用遍歷RIS 預編碼的優化方式獲取相對最佳信號。這里根據天線陣理論以及廣義斯涅爾定律設計了11 種RIS 預編碼，在理想情況下，其遠場方向圖如圖6 所示（圖中θ的負號表示波束方位角φ=90°）。

圖6 11 種RIS 預編碼在理想情況下的遠場方向圖

波束方向圖根據廣義斯涅爾定律或天線陣理論計算得到。然后，通過FPGA 輪流切換編碼，將頻譜儀測試的數據上傳至上位機進行比較后取其最大測量值。采用該方案的原因如下。一方面，室內電磁環境往往十分復雜，存在電磁散射、多徑效應等因素，RIS 調控的反射波束會在室內進行多次反射，導致信號增強區域往往與簡單波束的預期方向有所偏移，因此理論計算并不能完全指導輻射波束的覆蓋區。另一方面，本文測試最小距離為5 m，不完全滿足遠場條件，輻射場的波瓣圖及場增強方向可能與預先設計編碼的輻射效果不一致。通過遍歷RIS 預編碼獲取最佳信號的策略可以有效避免以上問題。最終，通過對比空場、放置金屬板以及放置RIS 這3 種場景的測試結果，驗證基于RIS 的信號增強系統的有效性。

2.3 測試結果與分析

將測試得到的數據進行插值處理，不同場景下室內信號功率及增益測試結果如圖7 所示。圖7(a)～圖7(c)分別為空場、放置金屬板、放置RIS 這3 種場景下測試的信號功率分布。在反射角較小（10°～30°）的區域內均具有較高的信號功率，因為該區域存在部分直射和墻壁鏡面反射的情況，所以信號功率較高。空場與放置金屬板的場景下，測試區域的信號功率差別不大。但是，放置RIS 的場景下，在反射角為30°～80°的范圍內，測試區域中信號功率有明顯提升，而空場情況下出現了信號覆蓋極弱的區域。

分別將放置金屬板與空場、放置RIS 與放置金屬板、放置RIS 與空場的信號功率進行比較，計算信號功率增益，如圖7(d)～圖7(f)所示。從圖7(d)可以看到，放置金屬板相較于空場，在10°～70°的區域，信號功率基本未增加，僅在70°～90°的大角度區域對信號有微弱增強，其可能由有限大金屬板的邊緣散射效應導致。從圖7(e)可知，放置RIS 與放置金屬板相比，在原先的弱覆蓋區域，即左邊3～5 m 的區域，信號得到明顯提升，而1.5～3 m 區域由于金屬板場景下本身信號較高，因此提升并不明顯。放置RIS 與空場場景下的對比結果如圖7(f)所示，信號功率在2～5 m 的區域內均有明顯提升。

圖7 不同場景下室內信號功率及增益測試結果

整體而言，與空場相比，采用RIS 的場景下，最大信號功率增益達到22 dB，平均增益為8.9 dB。對于信號原本較強的區域，如信號功率高于-60 dBm 的區域，RIS 對信號功率增益有限，平均增益為5.34 dB；對于信號低于-70 dBm 的弱覆蓋區域，RIS 可大幅提升信號功率，平均增益為13.53 dB，部分區域，如4～5 m 的區域，信號功率提升可達19.70 dB，從而大幅改善原先弱覆蓋區域的信號質量。值得注意的是，作為原理性驗證，本文僅測試了11 種RIS 編碼，事實上對于2 bit 的RIS，其編碼方式共有2n（n=24 為可獨立控制的單元數）種。因此，本文所測結果尚未達到該系統的最佳增益效果，尤其是在復雜室內環境中，實際最佳增益所需的編碼往往與基于波束調控方向理論計算的RIS 編碼存在較大偏差。即使如此，在僅測試極少數RIS 編碼的情況下，該系統對室內信號仍產生了大幅提升。

此外，本文RIS 作為準無源中繼由于并不參與信號的調制、放大等，因此理論上RIS 對電磁波束的調控是互易的。雖然這里沒有實驗測試，但根據電磁波的互易性原理，該RIS 也能實現雙工通信。

3 結束語

本文設計了一種能夠在外加電壓激勵下實時調節反射相位的2 bit RIS 單元，并在仿真分析及理論計算基礎上構建了應用于室內接收信號增強的RIS 系統原型。最后，在真實室內環境中進行了實驗驗證。測試結果表明，該系統對室內信號功率的平均提升為8.9 dB，尤其是對室內信號弱覆蓋區域的增強效果顯著，最大可達22 dB。后續將重點研究如何結合算法優化，利用智能表面實現自適應電磁波動態調控，以進一步提升其應用前景。本文提出的智能表面及其原型系統未來有望進一步應用于室內、室外無線通信信號的覆蓋提升，以及無線傳能等方面。