近日,中国移动研究院6G团队在通信领域顶级刊物《IEEE Communications Magazine》上发表题为《Reconfigurable Intelligent Surface Relay: Lessons of the Past and Strategies for Its Success》 的论文。《IEEE Communications Magazine》是SCI检索工程技术类一区期刊,影响因子9.03。
智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)是一种新型的人工电磁表面,通过数字编程的方式智能控制电磁超表面各个单元的电磁特性,实现对空间电磁波的调控,降低无线网络的能量消耗并提高频谱效率,是6G潜在关键技术之一。
研究团队从产业界的角度对RIS中继进行分析梳理,旨在借鉴以往的标准化和部署经验,为其未来的成功部署提供策略。RIS中继是中继技术与多天线技术的有机融合,论文首先简要回顾了4G长期演进(LTE)中的两项与RIS密切相关的技术:中继技术和全维多输入多输出技术(FD-MIMO),从它们的标准化历程总结经验教训,包括技术的多阶段过渡的必要性,过度设计的弊端,通用部署场景的重要性等。在此基础上,指出了RIS未来能否实现大规模商用的三个重要方面,包括3GPP标准化、RIS设备的硬件和控制、以及RIS辅助通信的信道建模。
3GPP RIS标准化、RIS 硬件/控制和RIS信道建模的各个演进阶段
在3GPP标准化方面,文章先将RIS和现阶段在3GPP R18标准化版本中的NCR进行对比,分析了两者在系统参数、操作、控制信号细节等方面的异同,随后指出在接下来的R19和R20标准化版本中的RIS研究可分两步开展:第一步主要根据大尺度衰落来调整反射进行波束域的控制;第二步将实现更加动态的RIS控制,支持更精准的波束赋形和高级MIMO功能。
在硬件和控制方面,由于RIS元件微电磁环境复杂、分辨率有限以及超表面器件的非理想特性,实际入射角与反射角的关系可能与理论公式发生偏差。因此,文中指出在RIS硬件设计中一些迫切需要解决的问题,例如在较宽的入射角度范围内,如何保证角度关系的一致性等。此外,RIS相位计算复杂度还取决于控制信号设计,传输开销和计算复杂度的权衡也是系统设计需要重点考虑的。
RIS硬件仿真结果显示入射角、反射角与单元相位之间的关系
在RIS辅助通信的信道建模方面,由于RIS是一种含大量无源器件的材料,很难分别单独测量每个RIS单元的信道。同时,为了充分发挥其性能潜力,需要RIS面板有足够的孔径,这使得传播场景变为近场,给信道建模带来了挑战。因此,在下一个R19标准化版本中的RIS,第一步可以假设RIS面板的尺寸中等不大,在远场条件成立下,主要建模大尺度衰落,将广泛使用的GBSM信道模型(3GPP TR 38.901中使用)扩展为级联信道模型。在未来的R20标准化版本中,RIS板的尺寸可以非常大,近场效应显著,可以酌情考虑射线跟踪的方法进行确定性信道建模,能够更准确地描述复杂环境和部署场景下RIS信道的特性。
文章整体从工业界的视角建议了RIS技术各个演进阶段的重点攻关目标,指明了RIS的研究路线,为RIS的标准化提供参考,为6G无线通信的发展提供有力的支撑。