智能超表面中繼的系統方案設計

關鍵詞：6G；智能超表面；超材料；方案設計

0引言

智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS），即智能反射面，是一種結合超表面材料和多天線的跨學科新興技術，利用超材料調控反射電磁波的電磁參數，例如相位、頻率、振幅等，實現對入射波的反射角控制，形成不同方向的反射波束。智能超表面能夠以可控的方式改變無線電傳播環境，從而顯著提高無線通信的鏈路質量。智能超表面無需復雜的射頻電路即可實現對信號的轉發，具有低成本、低功耗、易部署的特點。如果基站（BaseStation，BS）和用戶設備（User Equipment，UE）之間存在遮擋，BS發送的信號可以通過RIS進行盲區覆蓋。BS根據信道狀態信息，調節RIS的相位。相應的調節指令可以通過BS和RIS之間的無線控制鏈路完成。RIS由大規模器件陣列和陣列控制模塊構成。控制模塊完成對BS控制信息的接收、譯碼和執行等操作，并且可以將RIS的基本配置上報給BS。

雖然RIS是一項較新的技術，但已有大量工作對RIS進行了研究，涵蓋了基本性能、信道估計、BS天線與RIS聯合預編碼、信道模型等，其中很多研究都是建立在多輸人多輸出基礎上。RIS還與人工智能、機器學習、非正交多址、集成傳感與通信、太赫茲波段通信等技術一起進行研究。文獻[9]詳細調研了RIS中繼技術，并給出了目前面臨的挑戰和未來的研究重點，例如信道建模、信道估計、聯合波束賦形設計、多用戶傳輸、多小區干擾管理等。文獻[10]全面對比了RIS與傳統的全雙工、半雙工中繼技術，證明RIS具有低功耗、高能效、易部署、低成本、低熱噪聲等優勢。目前大部分研究都從理論上論證了RIS技術優勢，缺少RIS的系統方案設計。研究RIS的協議方案設計具有重要意義：

①提高系統性能：通過優化協議設計，可以提高RIS的性能，如提高信號傳輸速率、提高系統穩定性、降低功耗等。RIS的典型特征之一就是低功耗。研究節能的控制方案需要探索如何在保證通信性能的同時，盡可能地降低RIS的功耗，延長設備的使用時間。

②擴大應用范圍．提高靈活性：協議設計可以使RIS適應更多的應用場景，如不同的通信標準、不同的工作環境等。通過協議設計，可以使RIS具有更高的靈活性，如動態調整超表面的參數以適應環境變化、實現多任務并行處理等。

③支持多用戶設備：隨著移動互聯網的普及，將接人越來越多的通信設備。研究協議設計時需要考慮如何支持多用戶設備、多用戶調度方案，保證多用戶性能。

綜上所述，研究RIS協議設計是一個復雜而重要的任務。下文將簡述部分研究方案，推動智能超表面技術的持續發展。

1基于頻分的初始接入方案

用戶初始接入階段，BS以波束掃描的方式周期性地發送同步信號突發集，即以時分復用的形式在不同波束上發送不同的同步信號塊（SynchronizationSignal Block，SSB），如圖1所示。UE選擇最強波束方向發起隨機接人流程。

當無線網絡中引入RIS后，可以利用RIS的多個反射方向進行覆蓋擴展，但是RIS是無源器件，只能對SSB進行無源反射。同一個SSB在不同反射系數下索引是相同的，導致UE在接人過程中無法準確選擇最佳反射相位對應的波束方向，BS也無法根據UE對波束的選擇結果配置智能反射面指向UE的相位。因此在BS的同一個同步信號波束方向上，RIS需要進行反射波束掃描，即如何協調配置BS波束與RIS反射波束，同時不增加UE側的復雜度。

圖2（a）為RIS輔助BS通信示意圖，BS正常發送SSB的波束為0～3，RIS用不同波束反射。如果在多個周期的相同SSB位置上配置RIS不同反射波束，會導致同步信號突發集周期過長，如圖2（b）所示。如果在一個周期內的同步信號突發集上進行反射波束掃描，為RIS波束掃描的SSB將占據BS正常的SSB，導致實際用于覆蓋的SSB個數過少，影響小區覆蓋，如圖2（c）所示。

當無線網絡引入RIS后，BS需合理地配置同步信號突發集內的SSB傳輸資源。本文提出兩套同步信號的設計，同時實現BS和RIS的波束掃描。RIS輔助小區的盲區用戶同步流程如圖3所示。

步驟1：BS和RIS控制模塊建立控制鏈路的連接。

步驟2：RIS控制模塊測量并向BS上報信號強度最強的M個波束和RIS反射波束的總數如圖4所示。RIS上報信號最強的一個波束（BS對準RIS的波束）與RIS反射波束總數4個。

步驟3：BS收到RIS控制模塊的上報結果，在原有的同步信號保持不變的基礎上，BS將多配置一套同步信號，用于指示RIS的反射波束掃描。下文將BS正常的同步信號稱為一級SSB，將新配置的同步信號稱為二級SSB。二級SSB具體配置方法如圖5所示。

①頻域位置：二級SSB與一級SSB在頻率上有偏移，位于不同的頻率柵格。頻率偏移的二級SSB有以下優點：通過頻率區分兩套同步信號，不會因為RIS波束掃描而增大時延；由于一級SSB保持不變，能保證正常同步信號的個數，在低頻譜部署日寸不影響小區覆蓋。

②時域位置：二級SSB與一級SSB在時域上的位置相同，且指示時域位置的序列信息相同，目的是為保證時間讀取一致。

③一級SSB與二級SSB的關系：二級SSB應該包含一級SSB的索引，以便于UE區分波束是BS正常的波束還是經過RIS的反射波束，使用戶可以靈活地選擇不同的資源接入系統。

步驟4：盲區UE開機，在不同的同步柵格搜索SSB進行同步，并測量各個波束的接收信號強度，選擇最強波束作為駐留波束。

步驟5：盲區UE發起初始接人請求，發送前導碼，該前導碼或前導碼時頻域資源與最強波束的二級SSB索引關聯。

步驟6：BS基于收到的前導碼確定盲區UE的RIS反射波束。BS通知RIS控制模塊調整反射相位。

步驟7：RIS控制模塊控制RIS反射板調整反射相位。

本方案針對低頻譜（FRI）部署，出于以下兩點考慮：由于低頻譜部署時，波束較寬，同步信號突發集中的SSB個數較少，在指定周期能完成SSB的波束掃描；低頻譜部署支持同時在不同頻點發送不同方向的波束，對擴展到頻域上對SSB的發送功率沒有影響，不影響小區覆蓋。

2基于尋呼消息的半靜態控制方案

在4G LTE的尋呼過程中，用戶在尋呼幀（Paging Frame，PF）中的尋呼機會（Paging Occasion，PO）定期喚醒并監測：物理下行控制信道（PhysicalDownlink Control Channel，PDCCH），以檢查尋呼消息的存在，如圖6所示。

在5G新空口（New Radio，NR）的尋呼過程中，PF定義了PO的起始位置，每個PO不再是單一的子幀，而是若干個PDCCH監聽機會（PDCCH Moni-toring Occasions，PMO）。因為NR中引入了波束的概念，BS不知道UE的發送波束，因此使用多個下行的波束在多個時隙上發送尋呼消息。每個PO對應所有的SSB。PMO的時域位置由pagingSearchSpace確定，如圖7所示。

尋呼支持非連續接收（Discontinuous Reception，DRX）是為了讓UE只在固定的時間內醒來接收尋呼消息，其余時間可以休眠以降低功耗。但是在多波束的情況下，對于RIS低功耗設備，也需要不斷地喚醒，在每個PMO上執行PDCCH盲檢測，包括BS沒有對準RIS的波束的時隙，也需要RIS進行監聽，這樣會增加RIS的功耗。因此，當無線網絡引入RIS后，需合理地配置尋呼消息的傳輸資源。

由于RIS部署在固定的位置，BS對應的RIS發送波束固定。將RIS的PMO與BS對應的RIS發送波束關聯，利用PDCCH直接傳輸RIS的相位（或波束）信息，將減少檢測開銷和尋呼傳輸開銷，降低RIS的功耗。此外，在RIS波束不需要快速切換的情況下，利用PDCCH直接傳輸RIS的相位（或波束）信息，RIS不需要進入連接態，能達到省電的目的。具體方法如圖8所示。

步驟1：BS和RIS控制模塊建立控制鏈路的連接。

步驟2：RIS控制模塊測量并向BS上報設備類型、信號強度最強的M個波束和RIS反射波束的總數Ⅳ。

步驟3：BS收到RIS控制模塊的上報結果，BS根據RIS的波束信息配置尋呼消息，具體配置方法如下：PMO與BS對應RIS的發送波束關聯，即PMO位于RIS能收到SSB的時域位置，如圖9所示。好處在于利用RIS位置固定的特點，PMO與BS對準RIS的發送波束關聯，降低RIS的盲檢次數。PDCCH直接傳輸RIS的相位（或波束）配置信息，RIS的控制模塊不用解析物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel， PDSCH），能降低開銷。此外，在波束切換沒有特別快速的需求時，例如半靜態模式工作模式，RIS不需要進入連接態就能收到相位（或波束）配置信息，達到RIS節能的目的。

步驟4：BS需要給RIS控制模塊傳數據時，則在PMO上發送尋呼消息。

步驟5：RIS控制模塊進行非連續接收，處于空閑態的RIS控制模塊大部分時間休眠，只在PMO上醒來，監聽使用尋呼無線網絡臨時標識（PagingRadio Network Temporary Identifier， P-RNTI）加擾的PDCCH。女口果檢U4至IJ使用P-RNTI力口擾的PDCCH，RIS控制模塊還會比較自己的標志和尋呼消息中的RIS-Identity是否一致。若一致，RIS控制模塊則解碼不同字段的PDCCH。

步驟6：RIS控制模塊根據反射波束索引調整RIS反射板的反射相位（或波束）。

除了在尋呼消息中調控RIS相位指示外，RIS還需要反射BS的SSB。此時RIS反射SSB的相位與周期性指示RIS的相位產生沖突。沖突處理的方法如下：

①RIS的相位指示跳過有SSB的時隙。

②沿用RIS的周期性相位指示，在有SSB的時隙中，除了SSB占用的符號，其他符號仍然按照周期性的相位指示來進行配置。

在本控制方案中，BS對準RIS的波束（特定的資源）上進行尋呼傳輸，即PMO位于RIS能收到SSB的時域位置。RIS的相位配置直接在PDCCH上傳輸。該方案有以下優點：基于特定的資源來進行尋呼傳輸，既能節省BS的傳輸開銷，也能避免RIS頻繁地進行PDCCH盲檢測，節省RIS功耗；RIS的相位配置直接在PDCCH上傳輸，可以節省資源開銷；DCI周期指示RIS相位的方法，能節省開銷；RIS無需進入連接態，達到RIS節能的目的。

3碼本方案設計

根據RIS的反射參數（相位或波束）的調整快慢，可分為靜態、半靜態和動態的RIS波束賦形。當前的半靜態、動態RIS的波束賦形的調整可通過兩種方式實現。

第一種方式是手動輸入入射角和反射角的角度信息，結合RIS的面板配置（陣子數，調節比特數），再計算對應的碼字（相位或波束），如圖10所示。第二種方式是提前預存碼本，遍歷碼本，再結合回傳信號強度，實現對碼字的尋優篩選，如圖11所示。

第一種方式，當RIS架設于高塔或高層建筑外墻等位置時，角度測量困難，工程部署不便。第二種方式，雖然節省了手動輸入角度信息，但由于RIS單元數量多，要實現較為精準的波束對準，需要預存大量的碼本，會使RIS在進行波束掃描尋優對準的過程耗時較長。

3.1與入射角有關的碼本方案設計

假設BS到RIS的位置固定，即入射角固定，預存碼本基于一個入射角度。當入射角一旦發生變化，碼字就會隨之改變。由于RIS不知道BS的覆蓋范圍，且RIS的波束靈活多變，遍歷全部預存碼本耗時較長。因此，當無線網絡引入RIS后，需根據入射角和覆蓋范圍，合理地配置碼本方案。提出一種根據不同入射角，配置多套碼本的方案，且根據覆蓋范圍，進行碼字的序號重配置。

3.1.1基于RIS的入射波和反射波的角度信息，設計多套碼本

人射角的個數對應碼本套數、反射角的個數對應每套碼本的碼字個數。如圖12所示，假設RIS有MxN單元數，有I個人射角J個反射角，I套碼本配置，每套碼本包含J個碼字。

具體碼字A設計如圖1 3所示，碼字的設計與入射角、反射角、RIS的單元數有對應關系，對應一種相位。

控制模塊通過調用碼字A-能夠對RIS進行偏置電壓配置，使RIS的各個單元產生不同的相位分布，使得BS到RIS側入射角為的入射波經RIS反射后，產生反射角為的反射波。根據不同入射波角度調用不同的碼字即可控制反射波束的方向。

3.1.2由于BS的覆蓋范圍不同，有可能不會用到全套碼字

最終選擇RIS碼本的大小不確定，因此需要進行RIS的碼字序號重配置。假設RIS有，個人射角J個反射角。入射角對應的碼本為A，A，…，A}。在不會用到全套碼字的情況下，選取適合的碼字，重新編號（碼字序號重配置）。重配置可分為兩種方式：

①連續碼字重配置，選擇從某一個碼字開始的連續多個碼字。Start-Codeword表示碼字起始序號，指示重配置序號從第Start-Codeword個碼字開始。Num-ContiCodeword表示碼字連續個數，指示選擇連續Num-ContiCodeword個碼字。

②不連續碼字重配置，用bitmap指示碼字重配置的序號。Position-DiscontiCodeword表示用bitmap指示碼字重配置的序號，用，位的bitmap表示重配置后的碼本序號，位圖中“0”表示不用該碼字，“1”表示使用該碼字。

用bitmap指示的方式較為靈活，既可以用于連續碼字重配置也可用于不連續碼字重配置。但當RIS單元數目巨大、波束寬度較窄、碼字個數較多時，使用bitmap的位數較多，可以使用連續碼字重配置。

具體的碼本配置流程如圖14所示。

步驟1：BS和RIS控制模塊建立控制鏈路的連接。

步驟2：RIS向BS上報俯仰角信息、碼本大小、碼字個數。

步驟3：BS根據RIS上報的俯仰角信息，計算覆蓋范圍角度對應的碼字，將選擇的碼字進行碼字序號重配置。

步驟4：將入射角對應的碼本號和對應的重配置后碼字序號給RIS進行指示。

步驟5：BS給RIS控制模塊配置具體相位信息。

步驟6：RIS控制模塊根據反射波束索引調整RIS反射板的反射相位。

步驟7：BS與用戶進行數據傳輸。

基于覆蓋范圍不同，在不會用到全套碼本的情況下，選取適合的碼字，進行碼字序號重配置。如圖16所示，定義RIS法線方向為0°，入射角范圍-90°～0°，全部反射角范圍為-90°～90°，但由于建筑物的遮擋，實際覆蓋范圍所需僅為0°～90°。假設入射角全套碼字有12個，每個碼字對應15°的覆蓋范圍，重配置后只選擇0°～90°的6個波束。

本方案中，基于RIS的入射波和反射波的角度信息，設計多套碼本。入射角的個數對應碼本套數、反射角的個數對應每套碼本的碼字個數。碼字的大小與RIS的單元數有關。基于覆蓋范圍或UE數等原因，將碼字序號重配置。有以下優點：在入射波角度變換的情況下，可以自由選擇碼本，實現RIS的靈活部署。原有長序號需要占用多位，開銷大。在不會用到全套碼字的情況下，選取適合的碼字，重新編號（碼字序號重配置），可以減少碼字個數，縮短波束掃描時間，節約資源。

3.2與頻率有關的碼本方案設計

RIS通過對超材料單元結構設計中加入的變容二極管、PIN二極管和MEMS開關等離散元件進行電容、開關調節，實現超材料電磁特性的改變；具有特定范圍內工作頻率重新調節、極化偏轉、相位矯正或電磁波調制功能，實現電磁波的反射、透射切換。

圖18顯示了PIN二極管的相位響應隨頻率的變化。在26GHz的頻率附近，用兩個PIN二極管的不同開關（ON or OFF）狀態表達了4種相位值。

圖19顯示了變容二極管的相位響應隨頻率的變化。在2.6GHz的頻率附近，當偏置電壓從0～19V變化時，相位響應在2.6 GHz頻段的變化幅度可達3000以上，且線性度較好。為了實現2bit量化，在2.6GHz頻率下選擇了4個相位值，分別對應4個不同的電壓值：0、5、7、14 V。

目前的RIS技術中，碼本方案并未根據載波頻率來進行配置，由于RIS在不同頻率的相位響應不同，如圖1 8和圖19所示，導致RIS的波束方向有差異。對于多頻段共存移動通信系統（2G、3G、4G、5G），頻段不同，碼字設計應有所區別。因此，當無線網絡引入RIS后，需結合載波頻率，合理地設計碼本配置方案，根據入射角、反射角的角度信息、RIS配置信息以及載波頻率的碼本設計及調用方法。

碼本設計：根據入射角、反射角、載波頻率以及RIS的配置信息（例如陣子數），得到每個陣子的相位排布。RIS出廠前，可通過包括但不限于公式計算、AI擬合、仿真、硬件測試等方式，對不同入射角、反射角、載波頻率組合、對相位矩陣進行碼本設計，將碼本存儲于RIS中。

碼本調用流程如圖20所示。

步驟1：BS和RIS控制模塊建立控制鏈路的連接。

步驟2：RIS控制模塊測量并向BS上報俯仰角信息、碼本大小和碼字個數。

步驟3：BS需要通知RIS載波頻率信息與上下行資源配置信息。

步驟4：BS根據入射角和反射角發送相位信息，通知RIS在不同資源（頻率資源或時間資源）上使用不同的碼字（相位或波束）。

步驟5：根據載波頻率或上下行資源配置，RIS修正相位（或波束）。RIS控制模塊根據修正相位調整RIS反射板的相位（或波束）。

圖21為異頻或異系統切換示意圖，在頻率切換后，UE沒有移動的情況下，入射角沒有變化；但由于頻率變化，相位響應會發生變化，反射角也會變化，RIS反射波束方向不一定能指向目標UE。為了保持反射波束方向不變，因此需要根據載波頻率來進行RIS的相位（或波束）修正。

圖22為雙連接的示意圖。5G頻率較高、信號衰減較大。由于終端的功率受限，5G的上行覆蓋區域比下行覆蓋區域小。利用雙連接，在沒有5G上行覆蓋的區域，上行使用4G發送數據。這種情況上下行的頻率不同，因此RIS需要知道上下行資源配置（例如幀結構），RIS可以靈活選擇碼本。

基于RIS的入射波和反射波的角度信息、RIS配置信息以及載波頻率，設計碼本（相位或波束）。根據不同載波頻率，RIS進行相位修正，修正方法包括絕對修正和相對修正。其有以下優點：在不同頻率的系統中，RIS使用不同碼本，能夠解決因不同頻率引起的相位響應差異，實現波束方向的矯正，從而實現RIS的靈活部署。BS通知RIS載波頻率信息與上下行資源配置信息。RIS的控制模塊檢測到的配置信息，確定在不同的時間資源上使用不同的碼本。

4結論

RIS作為6G的潛在關鍵技術之一，將不可控的傳播環境轉變為一個智能可重構空間，具有高集成度、低成本和低功耗的優勢。簡要介紹了RIS輔助通信的基于頻分的初始接人方案、基于尋呼消息的半靜態節能控制方案、與入射角和頻率有關的碼本方案，對RIS的未來標準化方案設計提供一定的參考。