基于智能超表面的6G近场网络构建.pdf

第48 卷总第52 4期“RIS辅助的通感一体化”专题1本期专题：RIS辅助的通感一体化专题客座主编黄崇文现任浙江大学信息与通信工程系主任、研究员、博士生导师，国家海外优青、浙江省杰青、IEEE通信学会亚太杰出学者、麻省理工科技评论中国区“35岁以下科技创新35人”。主要从事6 G无线通信技术的研究，重点研究方向包括：智能超表面技术、全息MIMO、通感一体化、6 G无线AI等。发表SCI期刊论文8 0 余篇。专题特邀编辑：潘存华东南大学教授游昌盛南方科技大学博导何继光阿联酋科技创新研究院高级研究员刘凡南方科技大学博导徐勇军重庆邮电大学教授主编观点移动通信诞生40 多年来，经历了5代标准，取得了辉煌成就，从2 0 2 4年开始，第六代移动通信即将进入标准化。作为未来6 G移动通信的两大潜在技术，智能超表面（RIS）和通感一体化（ISAC）技术的发展引起了业界的广泛关注，学术界和产业界在理论探讨、关键技术、实现算法及工程试验等领域开展了一系列研究活动，表明RIS电磁调控无线环境技术、通感一体化、毫米波感知等技术方案能极大提升通信与感知体验，具有巨大的工程实践意义，具备成为5.5G/6G无线通信的关键技术的潜力。为推动RIS辅助的通信感知一体化技术的发展，移动通信推出“RIS辅助的通感一体化”专题，旨在融合智能超表面和毫米波感知两项关键6 G候选技术的各自优势，关注RIS辅助毫米波通感一体化关键研究进展，聚焦相关领域的高质量优秀论文。本次专题共收稿1 5篇，内容涵盖了信道估计、波束赋形、通感定位、性能优化、硬件测试、未来发展和机遇等多个RIS辅助通感一体化的最新研究方向。在信道估计方面，专题论文深人探讨了RIS辅助毫米波MIMO信道估计、稀疏自适应信道估计、盲超分辨技术的感知参数估计算法等，反映了业界在大规模MIMO场景下信道参数估计等最新研究成果。在波束赋形方面，专题论文探讨了STAR-RIS辅助通感算一体化系统的波束赋形算法、基站的波束赋形和RIS相位算法设计、联合优化基站的主动波束赋形和RIS反射系数、异步时空编码超表面的神经网络，反映了业界在RIS辅助通感一体化系统的波束赋形最新研究成果。此外，也有多篇论文聚焦于天线校准和导频分配算法、基于不同类型智能反射面的定位、通感性能优化、硬件实验验证以及对未来RIS辅助通感一体化系统和6 G近场方面的展望等，反映了业界在RIS辅助通感一体化多个方面的进展。本次专题得到了国内高校、科研院所与相关企业的大力支持，全面反映了我国学者在RIS辅助的通感一体化的最新研究成果，将会对6 G移动通信技术的研究与应用起到推动作用。浙江大学研究员、博导黄崇文移动通信2024年4月第4期1“RIS辅助的通感一体化”专题I基于智能超表面的6 G近场网络构建赵亚军1 2（1.中兴通讯，北京1 0 0 0 2 9;2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东深圳51 8 0 55）【摘要】近年来，近场传播特性的研究备受关注，尤其是基于RIS的近场技术成为研究的热点。目前尚缺乏对基于RIS的近场技术进行全面梳理的文献。首先简要概述了近场技术的基本概念，然后分别从三个方面系统地梳理了基于RIS的近场技术研究进展及挑战，包括RIS构建泛在的近场无线传播环境、使能6 G网络的近场新范式以及基于RIS的近场技术面临的挑战等。通过技术梳理，期望对RIS和近场技术研究工作起到推进作用。【关键词】智能超表面；近场传播；泛在近场；通感一体化；信能同传；网络部署doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240327-0003中图分类号：TN929.5文献标志码：A文章编号：1 0 0 6-1 0 1 0(2 0 2 4)0 4-0 0 0 2-1 0引用格式：赵亚军.基于智能超表面的6 G近场网络构建 .移动通信,2 0 2 4,48(4):2-1 1.ZHAO Yajun.Reconfigurable Intelligent Surface Constructing 6G Near-Field NetworksJJ.Mobile Communications,2024,48(4):2-11.Reconfigurable Intelligent Surface Constructing 6G Near-Field Networks2.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology,Shenzhen 518055,China)AbstractIn recent years,the investigation on the near-field propagation characteristics has received significant attention,especially that thereconfigurable intelligent surface(RIS)-based near-field technology has become a research hot topic.However,a comprehensiveliterature review on RIS-based near-field technologies is still lacking.This article aims to fill this gap by firstly providing abrief overview of near-field concepts and then a systematic survey of the state-of-the-art RIS-based near-field technologies andchallenges from the following three aspects:the construction of ubiquitous near-field wireless propagation environments using RIS,the new near-field paradigms enabling 6G networks through RIS,and the challenges faced by RIS-based near-field technologies.This technical review is expected to facilitate the development and innovation of RIS-based near-field technologies.KeywordsReconfigurable intelligent surface;near-field propagation;ubiquitous near-field;integrating sensing and communications;simultaneous wireless information and power transfer;network deploymentOSID:ZHAO Yajun:2(1.ZTE Corporation,Beijing 100029,China;扫描二维码与作者交流0引言随着5G无线网络商业化规模不断扩大，针对下一代6G无线网络的探索性研究也正如火如茶地进行。相较于传统无线网络，人们对6 G网络提出了更宏伟的愿景，设定了更高的性能指标需求。此外，智能内生、智能无线环境、通感一体化、空天地海一体化等全新技术元素被认为是6 G网络的潜在关键技术特性。然而，这些更高的设计目标、全新的技术元素带来了诸多挑战。为了解决这些挑战，研究热点扩展到了采用新中频、毫米波及太赫兹收稿日期：2 0 2 4-0 3-1 8*基金项目：国家重点研发计划“6 G频谱共享共存技术”(2020YFB1807600)移动通信22024年4月第4期等高频段的频谱资源，进一步增强多天线技术（如（ELAA，Extremely Large-scale Antenna Array）、Ce l l-f r e e）和引人全新的智能超表面（RIS，Re c o n f i g u r a b l e I n t e l l i g e n tSurface）等方面 1-2 。传统的无线通信网络（1 G5G）主要采用6 GHz以下频谱，甚至是3GHz以下频谱。受限于波长，这类网络一般采用较少天线阵子数量的天线。由于低维天线阵列和较低的频率，无线近场范围通常被限制在几米甚至几厘米。因此，可以基于远场假设近似有效地设计传统无线通信系统。然而，考虑到ELAA的大孔径和极高的频率，6G网络呈现出百米量级的超大近场区域，传统的远场平面波假设已不再适用 3。因此，在6 G网络中，近场区域将不可忽略，这激发了对新的近场通信（NFC，Ne a r-f ie ld第48 卷总第52 4期赵亚军：基于智能超表面的6 G近场网络构建移动通信Communications）范式的研究。从空间维度的资源利用角度，传统蜂窝网络的典型部署是以小区为中心的标准网络架构。在该网络架构下，尤其是在其主流的6 GHz以下（sub-6GHz）频段，远场近似已经足够表征。传统无线通信系统已经充分挖掘和利用了远场空间资源，而进一步探索和利用近场空间资源，则有望为无线通信系统带来新的物理空间维度。未来6 G网络中将会配置更大的天线孔径，并将使用新中频、毫米波、太赫兹等更高频段，这将使得近场特性更加显著。同时，智能超表面（RIS）4-5、超大规模MIMO、去蜂窝（Cell-free）6-7 等新技术的引人，则使得未来无线网络中近场场景广泛存在。近场通信技术也是实现未来6 G网络更高的数据速率要求、高精度的感知需求及物联网无线传能需求等的使能技术之一，有机会成为未来6 G潜在无线空口关键技术之一。其中，RIS所具备的超大尺寸、无源异常调控、低成本、低功耗和简单易部署等诸多特性，有机会在未来6 G网络中构建泛在的近场无线传播环境，并带来全新的网络范式。近年来，近场传播特性研究备受关注，研究进展日新月异。特别是基于RIS的近场技术成为了研究的热点，涌现出诸多研究成果 8 。然而，目前尚未有文献对基于RIS的近场技术进行全面的梳理。本文旨在从RIS构建泛在的近场无线传播环境、使能6 G网络新范式及其面临的挑战等几个方面，尝试全面系统地梳理基于RIS的近场技术，以期对RIS和近场技术研究的发展起到推进作用。1近场无线传播概念1.1电磁波近场的基本概念根据电磁场与天线理论，天线辐射的电磁场分为近场区域（Near-FieldRegion）和远场区域（Far-FieldRegion）。近场区域进一步划分为感应近场区域（ReactiveNear-Field Region）（也称为非辐射近场区域，Non-Radiating Near-Field rRegion)和辐射近场区域(RadiatingNear-Field Region）。在天线或散射体附近，非辐射近场行为占主导；而在远离天线或散射体的区域，则以辐射近场行为为主。当天线在自由空间中辐射信号时，场分布由麦克斯韦方程组唯一确定，传播特性在不同的区域有一定的差异。这些区域中的电磁波表现出不同的传播特性。在远场区域，振幅、角度和相位变化可忽略不计，路径损耗效应决定了接收信号强度。而在近场区域，根据从用户设备（UE，U s e r Eq u i p m e n t）到天线表面的距离，存在明显的振幅、角度和相位变化1 9-1 0 。在远场区域内采用的平面波模型，天线阵列上的信号是平行的，每个天线具有相同的到达角，不同阵元的相位差只与到达角有关。而在近场区域内，不同天线信号不能看成平行，信号到达阵列呈现球面波形式。相位差不仅与到达角有关，还与距离有关。从波束赋形角度，波束操纵包括将能量集中在远场中的特定方向上（对应于在无限远处聚焦），在近场中操作允许将能量集中在空间中的特定点上。一般将近场和远场的边界距离称为瑞利距离（Ra y l e i g h D i s t a n c e），该边界距离定义为d=2D/a，其中，D为天线的最大尺寸，几为波长1 2-1 3。感应近场非常靠近天线表面，其边界被认为是/2 元，其中入是波长。辐射近场区域（也称为菲涅尔区域，FresnelNear-Field）覆盖了从入/2 元到瑞利距离的大部分近场区域1 4。瑞利距离的动机是考虑由电磁波波前曲率引起的相位差异，该定义仅适用于天线阵面的近轴附近的区域，并假设最大相位偏差为元/8 1 1 5。实际上，近场区与远场区的过渡是逐渐发生的，两个区域之间没有严格的边界。为了定义这些度量，可以采用两个不同的视角，即相位误差和信道增益误差。（1）从相位误差的视角出发，一些常用的经验规则包括瑞利距离 1 3、Fraunhofer条件【4 等，这些距离主要适用于靠近天线孔径主轴的场边界。Decarli和Dardari等人将大尺度阵列的近场和远场边界从2 D=/推广到2Dcos9/2，其中9表示相对于阵列轴线方向的夹角1 1 。（2）从信道增益误差的视角，可以对离轴区域的场边界进行更准确的描述。在文献 1 6 中提出了一个改进的瑞利距离，称为有效瑞利距离。作者根据归一化相干性大于9 5%的标准定义了有效瑞利距离，得到有效瑞利距离cos2D9/，其中，=0.367，9是基于ULA的基站天线中心与UE之间的角度。有效瑞利距离小于经典瑞利距离，并与方向角9有关。由于感应近场区域很小（小于波长），逝波随距离呈指数级快速衰减，而本文将要探讨的6 G系统交互对象的距离一般大于波长。因此，在本文的其余部分，将主要关注辐射近场区域内的传播特性。为简单起见，若无特别说明下文将使用“近场”来指代辐射近场区域。1.2近场传播特性近场传播将会带来不同于远场传播的信道环境：近场效应和空间非平稳性 1 7 。另外，近场也会带来更为显著的宽带斜视效应。与传统的远场相比，近场有三个显著不同的特征，即球面波模型（SWM,SphericalWave Model）、空间非平稳性（SNS，Sp a t i a l No n-Stationarity）和波束斜视效应（BSE,BeamSquintEffect）。此外，相对于远场，近场衰落随距离的变化更32024年4月第4期第48 卷“RIS辅助的通感一体化”专题总第52 4期为剧烈：远场信号强度衰落与距离的平方成正比，而近场信号强度的衰落与距离的4 6 次方成正比。（1）近场效应-球面波模型（SWM,Spherical WaveModel）近场传播的主要特征之一是球面波阵面。在实际的无线通信场景中，天线阵列的电磁波在辐射场中以球面波的形式传播。不过，当用户的接收天线与发射天线的距离大于瑞利距离时（即位于远场区域），为了简化计算，可以在预定义的最小偏差约束下，将球面波模型近似为平面波模型表示。然而在超大规模天线阵列系统中，由于阵列天线数量的大幅度增加，阵列尺寸随之增大。这使得远近场交界的瑞利距离增大，阵列的近场区域也因此而变大，散射体和用户将大概率位于超大规模阵列的近场区域中。此时信道建模中通常采用的平面波模型将不再适用，无法准确地建模真实的信道状况。当天线阵列较大（即相对于波长较大，例如ELAA和RIS）并且在短距离下操作时，平面波近似的有效性不再成立，因此必须考虑SWM（或波前曲率）1 8 。因此，对于超大规模天线阵列而言，基于球面波模型假设进行信道建模将是更合理的选择。在常规远场条件下，对于远场区域内采用的平面波模型，天线阵列上的信号是平行的，不同天线具有相同的到达角（AOA），不同天线阵元的相位差只与到达角有关。而在近场区域内，不同天线信号不能看成平行，信号到达阵列呈现球面波形式。不同天线阵元的相位差不仅与到达角有关，还与距离有关。文献 1 8 提出模拟近场效应时，可以用抛物面波模型（ParWM,ParabolicWaveModel）建模模拟球面波。抛物面波是球面波模型的二阶近似，其模型比球面波模型简单，同时又省去了球面波建模时需要用的复杂的根式计算。从通信的角度来看，近场传播增强了空分多址能力，可以同时为处于相同角度但不同距离的用户提供服务（即波束聚焦）1 9。（2）空间非平稳性（SNS，Sp a t i a l No n-St a t i o n a r i t y）空间非平稳性是指无线信道特性在空间上的可变性，是信道中的另一个主要差异。在远场和近场中都可能出现空间不稳定。在远场中，空间非平稳性通常是由BS处天线阵列的大孔径引起的，不同位置的用户可能会看到阵列的不同部分，或信号遇到不同的散射体。而在近场中，除了大阵列孔径因素之外，球面波前引起的阵列元件之间的非线性相移也会导致空间非平稳性，导致情况更为复杂 2 0 。对于大阵列孔径因素，由于近场散射、局部衰落和阻塞的影响，大阵列的不同天线阵元以不同的视角观察来自同一信号源的信号传播，大阵列的观察到具有不同功率的相同信道路径或不同区域会接收到同一信号的不同传播路径的信号分量，从而导致整个阵列的空间非平稳性 2 1-2 3。也即，SNS包括两种情况：（1）阵列的不移动通信42024年4月第4期同区域可能会观测到相同的子径信号，但落在不同阵列区域的功率不同；（2）阵列的不同区域可能观测到完全不同的路径。当阵列的尺寸变得非常大时，因为每个UE的信号能量集中在阵列的其中一部分区域上（称为可视区域），阵列的不同部分也可能分别看到不同的UE。因此，受超大阵列可视区域的限制（也即有效阵列尺寸受限），单个UE性能将无法随着阵列尺寸的增大而持续提升。然而，这种空间非平稳特性可以显著提高多用户多址接入的能力，特别适用于用户密集场景，进而更好地支持块分多址（详见下文）。相较于传统的自然散射体，RIS的波束赋形会使信号传播更加集中，导致信号传播随角度和距离的变化更为显著，进一步加剧了空间非平稳特性。（3）宽带波束斜视效应（BSE，Be a m Sq u i n t Ef f e c t）传统无线系统主要工作在低频窄带场景，因此传统研究主要采用窄带假设。未来，毫米波等高频频段将成为无线系统的主要频段，因其丰富的频谱资源，宽带通信将成为主要场景。在宽带通信中，需要考虑波束斜视效应，而近场传播将进一步加剧这一效应。对于传统的有源相控阵天线，由于模拟移相器采用相同的相移处理不同频率的信号，因此会引起BSE。而对应于RIS，RI S对不同频率的信号采用相同的相位调控系数，同样会导致BSE。当信号带宽较大时，倾斜人射在天线列上，带宽高低频的光程差不可忽略，固定的天线间距会导致阵列上出现频率相关的相移，从而产生BSE。在远场中，BSE导致不同方向上不同子载波的分裂波束。相比远场中的分裂波束，近场场景的BSE会使不同频率的波束发生失焦 2 4，从而大多数波束无法聚焦在单一目标用户 2 。对于通信而言，BSE会使得波束赋形增益受损，从而带来性能的下降。虽然宽带波束斜视效应会带来挑战，但也可以用于支持一些特定需求。例如，利用BSE不同子带的多个分裂波束，可以实现多个UE在不同分裂波束的快速接人，或者用于快速波束扫描训练。需要注意的是，BSE发生在特定系统条件下，即大带宽、大阵列尺寸、频率非独立移相的模拟阵列结构，并对远离法线方向波束成形/波束聚焦角度。RIS在处理宽带波束斜视效应时将面临新的挑战，尤其是在近场环境中。传统有源相控阵天线克服宽带斜视现象的主要手段是采用真时延（TTD，T r u e T i me D e l a y）机制，即在有源相移器上引人TTD结构。而RIS为无源调控，很难配置TTD结构。因此，在RIS调控矩阵设计时，需要在考虑理想调控矩阵基础上，引人TTD矩阵分量，以克服宽带斜视效应。文献 2 6 进一步指出，TTD矩阵分量还可以用于实现RIS的子频带独立调控。第48 卷总第52 4期赵亚军：基于智能超表面的6 G近场网络构建移动通信2RIS构建泛在近场无线传播环境2.1RIS构建近场无线传播环境近场传播特性为未来6 G网络带来了更多可能性，但基于传统有源相控阵天线构建近场传播环境也面临诸多挑战：（1）超大尺寸的有源相控阵天线（APAA，A c t i v ePhasedArrayAntenna）在硬件成本、复杂度、功耗、重量与体积等方面均有较大提升，这使得密集部署变得异常困难，可提供的近场覆盖区域受到限制；（2）近场距离在APAA阵面的近轴附近达到最大，会随着离轴角度的增大而逐渐减小，该现象进一步限制了近场的覆盖范围；（3）不同于通信业务受益于NLOS多径环境，感知定位和无线传能业务理想的传播环境为近场LOS信道。仅采用集中部署的传统APAA，与目标之间很大概率为NLOS多径信道。尽管有很多文献研究了基于传统有源相控阵天线的无蜂窝（Cell-free）或协作多点（CoMP，Co o r d i n a t e d M u l t i-Point）技术 ，这类分布式天线技术虽然可以一定程度缓解上述集中部署的APAA问题，但依然受限于有源相控阵天线的固有技术特点的约束，因此很难实现密集泛在部署。RIS具有独特的技术特征，可以作为解决传统APAA挑战的有效手段。首先，RIS作为一种可编程二维电磁超表面，以无源方式对电磁波进行异常调控，具有低成本、低功耗的特点，并且可以很容易制作成较大尺寸的天线孔径，从而可以以较低的成本实现密集部署。其次，RIS类型多样，可以灵活地适应复杂多样的部署环境。从功能角度来看，RIS类型可以包括信道调控型（例如反射型RIS、透射型RIS和半透半反RIS）、信息调制型RIS（例如基于RIS新型基站、基于RIS的背向散射发射机、基于RIS的伴生通信等）和基于RIS的新型相控阵天线等。RIS可以很容易制作为不同尺寸、形状和曲面形态，从而适应不同的部署需求。最后，RIS的简单易部署特点也使得构建近场LOS环境更加容易，从而更好地支持感知定位与无线传能业务的需求。此外，由于RIS为无源调控，其天然具有较低的电磁辐射水平，在泛在近场环境中可以满足人体电磁辐射安全指标，即比吸收率（SAR,Specific Absorption Rate）。综上所述，相对于传统有源相控阵天线，RIS具备无源调控、低成本、简单易部署的特点，可以被泛在密集部署，从而为未来6 G网络构建泛在近场信道环境提供了可能。2.2基于RIS的典型近场模式RIS的引人构建了级联信道，相较于传统网络，未来6G网络的无线传播环境将更加复杂多样。从近场传播环境的角度来看，RIS构建的典型近场模式可以采用不同方式进行归类（详见表1 表4）。在分析RIS构建的近场传播特性时，可以参考这些场景分类。表1 RRIS功能角度的近场功能类型近场特性（1）扩展近场覆盖区域信道调控类RIS（2）克服近场覆盖空洞（3）构建新的LOS近场低成本、低复杂度实现超大孔径相控阵天基于RIS的新型相控阵天线线，提升近场覆盖距离信息调制类RIS为低速率IoT设备通信构建发射机近场环境表2 透反射类型角度的近场类型近场特性在信号电磁波人射的RIS正面（0,元）角度范围内构建反射式RIS近场传播环境在信号电磁波人射的RIS反面（元，2 元）角度范围内构建透射式RIS近场传播环境半透半反式RIS0,2元 角度范围内构建近场传播环境表3无源/有源RIS近场类型近场特性无源RIS对人射电磁波信号执行近场波束聚焦，信号强度受限对人射电磁波信号执行近场波束聚焦，并进行信号放大有源RIS可以克服无源RIS信号强度受限问题，但复杂度稍高表4RIS网络中的近/远场组合关系类型近场特性单RIS级联信道NB-RIS之间的信道：近场/远场(NB-RIS-UE)RIS-UE之间的信道：近场/远场RIS-RIS之间的信道：近场/远场多RIS级联信道NB-RIS之间的信道：近场/远场(NB-RIS-RIS-UE)RIS-UE之间的信道：近场/远场NB-UE直达信道：近场/远场（RIS级联信道）+RIS-RIS之间的信道：近场/远场（NB与UE直达信道）NB-RIS之间的信道：近场/远场RIS-UE之间的信道：近场/远场2.3RIS异常调控与自然散射当RIS被部署在收发机之间的无线传播信道时，它能够重新构建电磁传播环境，形成全新的近场传播环境。在自然传播环境中，自然反射主要包括镜面反射和自然散射两种情况，其中镜面反射属于自然散射的一种特例。而RIS的引人将对电磁波的传播带来三种变化：异常调控取代原有的镜面反射、异常调控取代原有自然散射，以及引入新增传播路径（且该路径的传播被RIS异常调控）。接下来将对比分析镜面反射、自然散射和RIS异常调控三种情况对近场传播的影响。镜面反射作为自然散射的一个特例，这里独立于一般自然散射进行特别分析。在镜面反射中，收发机之间的距离等于分段反射径距离的累积（即分段信道距离之和），只有当该累积距离小于瑞利距离时，其信道传播特性才满足近场条件。显然，经过镜面反射的路径分量长度大于收发机之间直达的LoS径。另外，镜面反射没有波束赋形增益。对于一般的自然散射，不同的散射方向将电磁波分离到不同的角度空间。在各向同性散射的情况下，电磁波信号能量会被均匀散射到不同的角度内。然而，在非各向同52024年4月第4期第48 卷“RIS辅助的通感一体化”专题总第52 4期性散射的情况下，会在某些角度散射更大比例的能量，同时在其他角度散射较小比例的电磁波能量，这体现了角度域的能量分布波动。当UE处于自然散射的某个角度区域内时，聚集在该角度内的散射线可以被视为散射体将这些散射线聚焦在该终端上。虽然这种传播现象具有较高的空间自由度，但由于该角度内只散射了较小比例的信号能量，因此信号强度较弱，信道容量受限。与镜面反射一样，一般的自然散射也没有波束赋形增益。RIS引人实现了对信号电磁波（人为主动地）异常调控，从而自适应地将信号能量以波束赋形波束聚焦的方式调控至目标UE。与镜面反射不同，RIS具有对信号传播的聚焦作用，能够改变传播的焦点焦平面。RIS等效于一个可变焦点的透镜，能够对信号传播进行聚焦，并将信号调控聚焦到不同的正交子空间。RIS提供了波束赋形增益，并支持更为灵活的异常调控。此外，在自然传播环境原本没有散射路径的情况下，通过恰当地部署RIS可以构建新的传播路径（且该路径的传播被RIS异常调控）。在实际网络部署中，可以根据需要在靠近UE的区域灵活地部署RIS，构建近场传播环境，这样可以增强信号的同时充分获得近场传播的增益。3RIS使能6 G网络近场新范式RIS具有超大尺寸、无源异常调控、低成本、低功耗和简单易部署等诸多特性，有机会在未来6 G网络中构建泛在的近场无线传播环境，并带来全新的网络范式。3.1增强无线通信一一空间新维度（1）扩展空间自由度，提升信道容量在传统无线通信中，不断增加MIMO的收发天线数量是持续提升无线信道容量的有效手段。然而，这种做法在达到一定数量级后，会导致信道硬化（ChannelHardening），使得信道的秩（Rank）无法进一步提高。5G系统中MassiveMIMO的天线阵子数量已经达到较高的数量级，出现了信道硬化的现象，已很难通过简单地增加天线数量来进一步提升信道容量。然而，传统MIMO系统工作于低频段和较小的天线孔径下，近场区域非常小，因此所述的信道硬化现象主要针对远场空间资源而言。正如前文所述，泛在部署的RIS可以构建泛在的近场传播环境，而近场传播特性则拓展了新的空间维度，提升了空间资源的自由度。在无线通信领域，自由度（DoF,DegreeofFreedom）已成为理解和评估系统能力和潜力的关键度量量。简而言之，DoF提供了可用于在无线信道中传递信息的独立信号维度的度量。尽管传统远场场景已经进行了广泛深入的研究，但近移动通信62024年4月第4期场表现出独特的特征，需要对DoF进行新的探索。从DoF的角度分析近场，其具有三方面的技术优势：首先，NFC提供更多的DoF，这使得其在数据容量和传输能力方面具有优势；其次，表征NFC中的DoF有助于优化系统参数，如天线配置和传输策略，从而提高整体性能；第三，采用DoF视角有助于开发专门为NFC环境量身定制的通信协议和算法，从而增强可靠性、覆盖率和吞吐量。尽管已经有一些研究分析了NFC的DoF，但该领域仍处于初级阶段。对于单用户接人场景，近场自由度的提升可以克服传统远场信道下MassiveMIMO信道秩固化问题，并解决高频场景中秩受限问题，从而提高单用户接人的近场空间复用增益。另外，近场波束聚焦也可以提高波束赋形增益。对于多用户接人而言，近场传播可以提升空分多址（SD M A,Sp a c e D i v i s i o n M u l t i p l e A c c e s s）的容量，从而提升系统的多用户接人能力。近场波束聚焦在角度距离域上具有能量聚焦的能力。也即，近场SDMA可以生成具有球面波前的波束，同时服务于处于相似角度但不同距离的用户。球面波前的距离域为多用户接入提供了一个新的可利用空间维度，近场SDMA也可以被视为位分多址（L D M A,L o c a t i o n-D i v i s i o n M u l t i p l e A c c e s s）。例如，采用LDMA支持海量物联网（MassiveIoT）接人。此外，在高频宽带情况下，近场的宽带波束分裂斜视效应更为显著。充分利用波束分裂现象可以用于支持快速的波束扫描训练，并更好地支持多用户接入和海量IoT接人。（2）RI S支持中高频段网络的近场连续覆盖当前6 GHz以下的频段已经或即将被现有的4G/5G商业网络完全占用。尽管ITU已经将6 GHz频段中的高500MHz带宽划归IMT使用，且中国也已正式将该频段确定用于5G和6 G网络（中华人民共和国无线电频率划分规定自2 0 2 3年7 月1 日起施行），但每个运营商也只能分配到其中较窄的带宽，不可能用于满足未来6 G更大带宽的需求。未来6 G网络的部署将与现有的4G/5G网络长期共存，在短期内很难为6 G网络释放出已占用的6 GHz以下的频段。2 0 2 3年1 2 月，国际标准化组织3GPP在英国爱丁堡召开会议，确定立项了5G-Advanced第二个标准版本Rel-19的首批8 个项目，其中包括7-2 4GHz新中频的信道模型研究。此外，毫米波频段也是支持高精度感知定位业务连续覆盖的优质频段。可以预见，中频段及毫米波频段，尤其是新中频及低频毫米波频段（7 一30 GHz），将有机会作为实现6 G网络连续覆盖的主力频段。毫米波频段的电磁特性决定了毫米波通信的高定向性，传统的毫米波通信受到高路径损耗和高阻塞概率的限制，使得基于传统集中式部署基站（扇区化蜂窝网络）的方式第48 卷总第52 4期赵亚军：基于智能超表面的6 G近场网络构建难以实现连续覆盖。站址选择、成本、复杂度、功耗、部署难度等因素都会限制传统基站部署密度的进一步增加。美国5G毫米波网络部署的失败案例便是一个很好的佐证。如前所述，RIS具有低成本、低功耗和简单易部署的独特技术优势，是实现毫米波连续覆盖的潜在解决方案。例如，基本复用现有5G基站站址（即毫米波基站与现有6 GHz以下频段的基站密度相当，或适当增加基站密度），同时在基站之间密集部署RIS，可以低成本实现毫米波的连续覆盖。为了更好地构建毫米波网络近场覆盖的连续性，RIS部署优化时一方面需要考虑传统信号强度角度的覆盖连续性，另一方面还需要兼顾所覆盖区域的近场传播条件。因此，RIS网络需要在尺寸、朝向角度、部署密度、部署位置等方面进行综合优化。也就是说，RIS网络部署需要在原有优化目标信号覆盖强度的基础上，进一步增加近场传播信道的空间自由度作为优化目标。例如，在目标连续覆盖区域，近场传播信道的可达空间自由度以超过概率x%大于预定义门限（例如x%=95%，=2）。（3）RI S块分多址在RIS为多个用户提供服务时，不同用户的波束可能会同时人射在同一个RIS面板上。由于RIS在任一时刻只能采用一种调控状态，这使得RIS的波束赋形调控难以同时最佳匹配多个用户的信道特性。为了更好地实现RIS的多用户接入，除了使用传统的非正交多址（NOMA）技术外，文献提出了一种基于RIS的块分多址（BDMA,Block-DivisionMultipleAccess）机制。BDMA机制将RIS划分为多个子块，基站（NB,Node B）将不同用户的波束指向RIS的不同子块，通过分别独立调控各个子块的相位，实现同时优化匹配不同用户的信道，从而有效地实现多用户接入。当NB与RIS之间的信道满足近场传播条件时，针对某个UE的波束能量可以更好地集中在RIS的特定子块上，因此更有利于实现块分多址接入。此外，近场传播具有更为显著的空间非平稳特性，这也可用于更好地支持块分多址。当RIS阵列的尺寸变得非常大时，由于每个UE的信号能量集中在RIS阵列的其中一部分区域上（或称为可视区域），RIS阵列的不同部分可能分别看到不同的UE。这种空间非平稳特性可以大大提升多UE的多址接人能力，有利于接用户较多的场景，即更好地支持块分多址。与NOMA技术相比，BDMA接入可以有效地消除多用户之间的干扰，从而获得更好的性能。与时分多址（T D M A，T im e D iv is io n M u lt ip le A c c e s s）技术相比，BDMA接人可以实现同时传输，支持更高的资源调度灵活性，从而可以有效降低时延并提高频谱效率。基于RIS的BDMA接人机制既可以应用于单小区多用户接入场景，也可以应用于多小区多用户接人场景。3.2使能通感一体化通感一体化（ISAC,Integrating Sensing and Communications）系统通过高速率、低延时的系统信息交互能力，可以实现通信和感知的高效协同，打破了二者单独运行的传统模式，从而有机会在一个系统中同时实现高速率通信和高精度感知。然而，通信系统和定位感知系统的设计目标存在差异。通信系统的设计目标是传输信息，追求无线信道容量的极限，而定位感知系统的目标则是从无线信道中提取关于用户状态的信息。如前所述，6 G网络预计将采用更高的频段、更大的带宽和超大规模天线阵列，这将构建更为泛在的近场传播环境，有助于提升无线通信和感知定位系统的性能。RIS以其独特的技术优势为无处不在的高精度感知定位业务需求提供了支持。基于RIS构建近场传播环境，可以为系统的感知定位提供多方面的潜力：（1）利用近场球面波模型特征同时估计角度和距离参数。在空间分辩率方面，近场波束聚焦提供了极窄和异常定向的波束，同时包含角度和距离信息，从而实现高分辨率的参数估计。对于距离感知，在传统远场传播条件下，平面波模型仅包含角度信息，而常用的距离感知方法是估计到达时间。然而，在满足近场传播条件下，使用近场球面波模型可以在窄带系统中进行距离估计。到达时间估计与球面波传播所包含的距离信息估计相结合，可实现更为鲁棒和精确的距离估计。此外，相对于远场场景，通过利用近场球面波模型特征同时估计角度和距离参数，可以避免对多节点的需求。（2）灵活部署的RIS可以很方便地构建LoS信道以更好地支持感知定位。非直射（NLoS）传播被视为无线定位系统中的主要误差源。传统以NB为中心的无线蜂窝网络，尤其是在通感一体化系统典型采用的毫米波频段，LoS路径易被阻塞。合理部署RIS可以构建新的LoS信道，从而即使在NB至UE之间的直达LOS径被阻塞的情况下，也可以构建经历NB-RIS-UE的虚拟LOS路径，支持精确感知定位。（3）提供更高的波束赋形增益，提升感知信号的强度。与没有RIS的传统感知定位系统相比，RIS波束赋形可以增强感知信号，提升感知的信噪比，从而提升定位感知的性能。例如，RIS可以为NB的覆盖盲区提供传播路径，实现盲区覆盖；对于NB的弱覆盖区域，RIS波束赋形可以增强信号，提升感知信号的信噪比。（4）通过覆盖补盲和构建泛在近场，提升感知定位业务的覆盖率。如前所述，RIS技术特性使得其可以比较容易地实现在6 G网络中的泛在部署。以构建近场LoS信道为优化目标，可以通过优化RI