智能超表面赋能5G-A/6G_网络的思考
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doi:
10.3969/j.issn.1003-3114.2024.02.009
引用格式:
刘秋妍,吕轩,李佳俊,等.智能超表面赋能5G A/6G网络的思考[J].无线电通信技术,2024,50(2):288-293.[
LIUQiuyan,LYUXuan,LIJiajun,etal.ReconfigurableIntelligentSurfaceAssisted5G A/6GNetwork[J].RadioCommunicationsTechnology,2024,50(2):288-293.]
智能超表面赋能5G A/6G网络的思考
刘秋妍1
,吕 轩2
,李佳俊3
,王东洋
1
(1.中国联合网络通信有限公司研究院,
北京100048;2.中国联合网络通信有限公司北京分公司,北京100031;3.中国联通华盛通信有限公司,
北京100031)摘 要:未来移动通信网络在满足用户个性化需求的同时将社会福祉作为网络发展的重要方向,基于对移动通信
网络业务发展趋势和挑战的分析探讨,
面向下一代移动通信网络泛在接入、绿色节能等发展需求,指出智能超表面(ReconfigurableIntelligentSurface,RIS)在5G Advanced(5G A)和6G网络典型应用场景,并从技术能力、产业成熟度等多个角度分析RIS在信道侧和收发端等不同场景下的应用价值。
面向移动通信网络设备管控需求,提出了基于网络控制、自主调控和终端控制三种RIS管控方案,并分析了三种方案的差异。
关键词:无线通信;6G;5G A;智能超表面
中图分类号:TN929.5 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(
OSID):文章编号:1003-3114(
2024)02-0288-06ReconfigurableIntelligentSurfaceAssisted5G A/6GNetwork
LIUQiuyan1,LYUXuan2,LIJiajun3,
WANGDongyang1
(1.ChinaUnicomResearchInstitute,Beijing100048,China;
2.ChinaUnicomBeijingBranch,Beijing100031,China;3.ChinaUnicomHuashengCo.,Ltd.,Beijing100031,China)
Abstract:
Socialwelfareisregardedasanimportantdirectionformobilenetworkinadditiontomeetingpersonalizedneedsofusers.
Inthispaper,scenariosofReconfigurableIntelligentSurface(RIS)deployedin5G Advanced(5G A)and6Gnetworkarefiguredoutbasedontheanalysisofdevelopmenttrendandchallengesinmobilenetworkaccordingtoubiquitousaccessandenergysaving.Furthermore,weanalyzetheapplicationvalueofRISindifferentscenarios,includingtransceiverdesignedbasedonRISandRIS assistedwirelesschanneldynamiccontrol.Finally,differentcontrolschemesofRISwithnetworkcontrol,self controlandterminalcontrolareproposedandcompared.Intheseschemes,controlinformationdistributiononnetwrok sideispreferedforitssamllerimpactonRISarea,costandpowerconsumption,andiscapableofimplementstandardizationofconvergenceofBSsandRISdevicesfromdifferentvendors.
Keywords:wirelessnetwork;6G;5G A;RIS
收稿日期:
2023-11-19
基金项目:国家重点研发计划(2022YFB2902400
)
FoundationItem:NationalKeyR&DProgramofChina(2022YFB2902400
)0
引言
随着用户需求不断演进,更优质的业务体验,更多垂直行业的业务拓展,都将驱动移动通信网络不断向前发展。
移动通信网络在满足用户个性化需求的同时将社会福祉作为网络发展的重要方向,通过
人-机-物多维泛在连接和普惠智能,
实现物理世界和虚拟世界的连接,进而推动人类社会从“万物互联”演变为“万智互联”,形成真正意义上的智慧互联时代[1-4
]。
为了满足更大带宽、更高速率、更低时延、更智能化的业务需求,工作频段更高、天线规模更大、设备算力更强是下一代未来移动通信网络发展的重要
趋势[5-6]。
但是,更高频段、更大规模天线、更强算力的引入致使移动通信网络发展也面临诸多挑战[7-10]。
①高频信道环境恶劣:相较于低频信号,高频信号的传播与穿透损耗较大,受障碍物遮挡影响也更大,网络覆盖区域容易出现盲区或弱覆盖区域,不利于实现无线网络的泛在接入和深度覆盖。
②天线规模发展受限:伴随天线规模的增加,天线制造工艺与成本、信道测量与建模难度、信号处理运算量、参考信号开销等方面都会显著增加,对天线系统的一体化和集成度提出了更高的要求。
因此,超大规模天线技术走向实用化的前提是低成本、低功耗、高可靠和易部署。
③能耗负担日益加剧:能耗是网络运营的关键因素,5G基站(BaseStation,BS)相对4GBS能耗显著提升,以BS为代表的无线接入侧主设备射频器件能耗约占设备能耗55%;降低射频器件能耗,提升能效是牵引设备绿色演进的核心。
④被动适应无线环境:目前无线网络智能调控能力仅限于收发端两侧,对无线信道环境中的路径损耗、多径衰落等现象只能采取被动适应的手段,空口常常成为限制网络性能的关键,亟需面向无线全域构建一体化智能协同能力,打通从硬件到软件融合一体的智能重构,实现业务体验与网络效率的最佳平衡。
1 智能超表面技术原理与典型应用场景为了满足5G Advanced(5G A)和6G网络深度覆盖、绿色节能、智能调控的需求,崔铁军院士及其团队将超材料引入到移动通信系统,提出智能超表面(ReconfigurableIntelligentSurface,RIS)技术理念。
1.1 RIS技术原理
RIS作为电磁超材料的一种二维实现,由大量精心设计的电磁单元排列组成,通过给电磁单元上的可调元件施加控制信号,可以动态地控制这些电磁单元的电磁性质,进而实现以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控,形成幅度、相位、极化和频率可控制的电磁场[11]。
RIS的引入,使得无线传播环境从被动适应变为主动可控,从而构建了智能无线环境。
RIS是一门多学科融合技术,涉及超材料科学、天线及电路设计、电磁计算、无线通信、智能控制等多个领域,如图1所示。
由于RIS采用少量有源器件甚至全无源器件的设计理念,无论是成本还是功耗都较全栈BS低一个数量级,并且通过采用超材料及可拼接部署方式,RIS设备在低成本、低功耗、低复杂度和易部署方面具有一定优势,有机会解决未来移动通信网络发展面临的需求与
挑战。
图1 RIS与相关学科的关系
Fig.1 RelationshipamongRISandrelatedsubjects1.2 G A阶段潜在应用场景
1.2.1 基于信道侧RIS辅助的深度覆盖增强
在信道侧,RIS作为一种低成本低功耗的信道环境调控节点,如图2所示,可针对移动网络覆盖补盲、多流增速等深度覆盖需求,部署在BS与覆盖盲区之间,通过RIS按需构造非视距反射路径或改变电磁波透射特性,可有效解决由于障碍物遮挡产生的室内/外盲区问题,在室外宏站覆盖室内场景,可通过改变投射特性,提升网络质量,丰富小区边缘用户设备(UserEquipment,UE)散射环境,提高小区边缘UE传输性能,以低成本低功耗方式实现深度覆盖和提速扩容[12-13]。
(a)
室外覆盖补盲
(b)O2I覆盖增强
(
c)
多流增速(
d)
轨道交通覆盖增强(
e)室内走廊覆盖增强图2 基于RIS的信道侧辅助通信组网场景
Fig.2 ScenariosofRISassistedchannelenhancement
inwirelessnetwork
1.2.2 基于RIS辅助超大规模广角BS天线由于RIS采用无源/准无源设计理念,在成本、体积、重量方面都具有显著优势。
在现有5G有源天线单元(ActiveAntennaUnit,AAU)基础上,集成无源RIS阵面,如图3(a)所示,既可以实现一体化动态智能调控、扩展BS覆盖角度,又可以有效提升天线
阵面口径增益、增加BS覆盖距离,
可有效解决边远郊区、广场或体育馆等区域广覆盖问题。
相关测试表明,采用增加RIS反射阵面扩展的5GAAUBS,上下行平均速率可提升5%~8%。
除了在AAU上集成反射式RIS,还可以通过在
AAU边缘集成透射式RIS,
如图3(b)所示,动态调控BS天线接收或辐射电磁波的角度,有效扩展BS覆盖水平角和俯仰角范围。
当水平角度扩展到接近180°时,该方案可以用两小区替代传统三小区覆盖方案,提升BS覆盖范围,解决边远郊区低容量场景
低成本低功耗覆盖补盲问题。
(
a)
反射式(
b)透射式图3 基于RIS的BS天线设计
Fig.3 BSantennadesignedbasedonRIS
1.3 G
阶段潜在应用场景1.3.1
基于RIS辅助的简化架构BS
传统发射机将基带信号调制到载波上,而基于数字编码RIS的发射机将信源比特映射成RIS控制
信号,如图4所示。
结合时空编码技术,
RIS集能量辐射和信息调制功能于一体,动态调控电波传播方向和谐波能量分布,调控RIS对入射波的电磁响应,将信息调制到不同的频率、相位、幅度、空间资源,实现低成本和低复杂度的FSK、PSK、QAM调制,简化发射机架构,降低设备功率消耗[14-16
]。
图4 基于RIS的发射机设计
Fig.4 TransmittersdesignedbasedonRIS
1.3.2
近场安全通信场景
电磁波的传输特性与距离相关,传输距离大于瑞利距离的区域称为远场区域,反之称为近场区域。
在近场区域,电磁波建模为球面波模型,球面波前不仅携带角度信息,还携带距离信息,因此电磁波束在角度域和距离域上同时聚焦,形成近场波束聚焦。
在RIS辅助的无线网络中,近场范围由BS RIS
距离
和RIS UE距离的调和平均值确定,因此只要这两个距离中的任何一个距离小于瑞利距离,RIS辅助通信就工作在近场区域[17
]。
当UE位于RIS辐射近场区域时,可以通过对
RIS配置服务特定UE的近场码本,
将近场波束聚焦在授权UE所在的特定角度和特定距离,如图5所示。
其他UE即使与授权UE位于相同的角度区域,也无法通过拦截无线信号实现空口监听,实现对特定UE
的高安全级通信服务。
图5 基于RIS的近场安全通信场景
Fig.5 ScenariosofRISassistednearfieldsecurity
communication
1.3.3
声场调控场景
RIS
除了应用于电磁波调控之外,还可以应用于声波调控。
通过控制每个声波RIS单元的共振模式,而无需手动对声源或周围散射体进行任何调整,即可动态调控声波相位差,可以影响整个空间的声场分布,实现空间内某个特定位置声场强度的压制或增强,
为特殊用户提供静音或音量增强服务。
图6 基于RIS的声场调控场景
Fig.6 ScenariosofRISassistedacousticcontrol
2 RIS
技术价值分析
RIS
典型应用场景包括收发端侧和信道侧两类。
在收发端侧,既可以采用RIS简化AAU设计,也可以基于RIS调制信源信息,实现简化架构的发射机设计。
在基于RIS简化架构的发射机设计中,发射阵面设计只是其内容的一部分,基于RIS调制信源信息的技术难度远大于发射阵面设计。
因此,目前阶段,基于RIS的发射阵面设计的技术成熟度相对较
高,通过与AAU的对比测试验证发现,在典型场景
下基于RIS的发射阵面原型系统的覆盖补盲性能与
AAU性能相当。
未来,
通过进一步优化设计提升硬件集成度,可以实现优于AAU的能效;与全栈BS相比,现阶段基于RIS的简化架构发射机设计还有待通过更多的优化设计和对比测试进行深入的分析验证。
在信道侧,RIS与BS呈互补关系。
BS是提供
移动通信网络基础覆盖的主设备,
RIS作为一种辅助性设备,通过按需动态调控特性,为移动通信网络深度覆盖提供了一种低成本、智能化、易部署的解决方案。
同样作为辅助性设备,采用有源器件设计的射频直放站一直面临天线自激干扰问题,入射信号经直放站放大后,大部分信号由转发天线发射至终端,少量信号经转发天线的后瓣耦合到主天线后瓣,再次进入直放站接收端进行二次放大,形成正反馈环路,导致功放、低噪放模块进入饱和状态,严重影响通话质量,引起掉话,甚至直放站及周围BS的瘫痪。
基于无源器件设计的RIS转发阵面,可以有效避免自激问题,支持超大规模阵元集成,并且在成本、功耗、体积等方面具有显著优势。
因此,从设备性能增益角度而言,采用无源RIS在信道侧作为辅助BS的深度覆盖补充设备是5G A阶段最有可能落地的应用场景。
从技术经济的角度出发,在不同场景下,影响RIS技术应用价值的因素除了设备性能增益之外,还包括政策法规、市场规模、成本、技术成熟度与投资回报周期等多方面因素。
RIS应用在信道侧的典型场景中,依据网络覆盖现状和需求,在一个扇区内,通过BS和协同部署的多个RIS联合组网,实现移动网络绿色低成本深度覆盖。
该类场景可以基于
5GNR协议实现RIS与BS、
终端的解耦,具有较高的技术成熟度和对标准化影响较小的优势,市场规模较大,投资回报周期较短,具有较高的应用价值。
3 RIS
管控方案分析
RIS
阵面采用无源器件的设计,能够有效降低
设备体积、能耗,提升阵元集成度,获得更高的口径增益,但是无源阵面缺少对信道环境的感知能力。
为了实现按需动态调控,RIS的控制信息可以通过网络侧BS下发、控制模块自主采集或接收终端上报等多种方式获取,如图7所示。
基于网络控制的RIS方案中,RIS控制模块上集成极简能力终端模组,终端将测量报告经RIS无源阵面转发后上报给BS,BS依据信道状态信息生成RIS控制决策并下发
给RIS控制模块终端模组,进而对无源阵面进行智能调控。
RIS控制模块集成的极简能力终端模组既可以复用NB IOT、RedCap以及NCR等标准化成果,也可以针对RIS特性进一步精简终端模组能力,仅支持波束ID、开关等少量控制信息的接收、解析
与实现。
这种实现方案对RIS的体积、
成本和功耗影响较小,与RIS作为一种低成本、
绿色节能的辅助性深度覆盖设备的定位保持一致,通过标准化工作规范RIS控制模块终端模组能力及其与BS间的接
口协议,有利于进一步推进异厂家BS、
RIS设备的协同融合。
相比与基于网络侧控制方案,
RIS自主调控方案和基于终端的调控方案都会要求RIS控制模块集成更强的射频和基带处理能力,在功能性能
上与BS和网络控制直放站等设备逐渐趋同,
不仅增加了RIS控制模块的复杂度、成本和功耗,削减了RIS在低成本、低功耗、易部署等方面的优势,弱化
了RIS作为辅助性网络设备的技术定位,这种断长补短的方式不利于充分发挥RIS技术价值,
而且增加了网络建设、设备管控、
运维优化的风险隐患。
图7
RIS
管控方案
Fig.7 SolutionsofcontrolandmanagementforRIS
4
结束语
为了满足更大带宽、更高速率、更低时延、更智
能化的业务需求,工作频段更高、天线规模更大、设
备算力更强是下一代未来移动通信网络发展的重要趋势,但同时也面临成本、能耗等方面诸多挑战。
RIS设备在低成本、低功耗、低复杂度和易部署方面具有一定优势,既可以用于信道侧室内外覆盖增强、多流增速场景,也可以用于BS侧天线增强,可有效解决移动通信网络发展面临深度覆盖、绿色节能等方面的需求。
不同场景中,受技术性能、产业成熟度、市场规模、成本收益等因素影响,RIS的技术价
值有显著不同。
目前,信道侧增强网络深度覆盖是RIS高价值应用场景。
在RIS管控方案中,基于网络侧的控制信息下发方案是一种较优的技术方案,对RIS的体积、成本和功耗影响较小,并且具备通过
标准化推进异厂家BS、
RIS设备的协同融合。
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刘秋妍 女,(1984—),博士,高级工程师。
主要研究方向:无线通信新技术。
吕 轩 男,(1983—),硕士,高级工程师。
主要研究方向:无线通信解决方案与新技术创新。
李佳俊 男,(1985—),博士,高级工程师。
主要研究方向:无线通信网络与移动终端技术。
王东洋 男,(1980—),硕士,高级工程师。
主要研究方向:无线通信网络新技术、新产品。