面向网络协作的智能超表面技术白皮书.pdf

1面向网络协作的面向网络协作的智能超表面技术白皮书智能超表面技术白皮书（20232023 年）年）中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司编制单位编制单位：中移智库中移智库、中国移动通信研究院中国移动通信研究院中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）前前言言作为我国原生技术，智能超表面（Reconfigurable IntelligentSurface，RIS）是一种新型的人工电磁表面，通过结构设计和编码控制，可实现对空间电磁波的调控，改善电磁波传播环境，具有低成本、低功耗、低热噪声等特点，是未来 6G 技术构建智能无线传输环境的重要基础之一。本白皮书面向商用落地，重点关注智能超表面作为协作反射节点，即在未来复杂组网中由基站的统一协调进行协作反射，在应用场景、通信系统设计、信道建模、器件调控和性能验证等方面提出了相关倡议，提出综合考虑产业成熟度和理论研究水平来分阶段推进该技术的演进和发展。希望能够为产业在规划设计协作反射节点相关技术、产品和解决方案时提供参考和指引。本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）1目目录录1.概述概述.22.应用场景应用场景.43.通信系统设计通信系统设计.63.1.与网络控制直放站的对比分析.63.2.基于波束的传输方案.74.信道建模信道建模.135.器件调控器件调控.155.1.调控精度.155.2.幅相调控.155.3.双极化.165.4.功耗与成本.166.性能验证性能验证.176.1.器件特性验证.176.2.系统级仿真验证.196.3.现网测试验证.227.分阶段推进策略分阶段推进策略.278.总结与展望总结与展望.30缩略语列表缩略语列表.31参考文献参考文献.33中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）21.概述概述新型关键技术带来的服务质量的提高已经成为了蜂窝移动通信系统代际更替的驱动力。第五代移动通信（the 5th Generation Mobile Communication，5G）采用了大规模多输入多输出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）、毫米波通信（millimeter wave，mmWave）等关键技术，以支持增强型移动宽带通信、海量物联网、超高可靠性和超低延迟通信等多种应用场景，将网络容量提升千倍，为千亿台设备提供泛在连接1。然而，5G 关键技术所带来的高复杂度、高成本、高能耗等问题尚未解决。例如，将大规模 MIMO 的应用从 6 GHz 以下频段扩展到mmWave 频段通常需要更复杂的信号处理以及更昂贵、更耗能的射频硬件。因此，未来第六代移动通信（the 6th Generation Mobile Communication，6G需要探索高频谱效率、高能效和高成本效益的解决方案，以实现更大的容量、更低的延迟、更高可靠性、更高安全性和更全面覆盖的美好愿景。智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）是一种通过可调电磁元件控制电磁波传播特性的新技术24。具体来说，RIS 是由紧密排布的低成本无源电磁超材料构成，通过引入可调器件阵列和控制模块，使得每个元件的工作状态独立可调，引起入射信号的振幅和/或相位变化，从而实现细粒度的三维波束赋形。RIS 可以作为中继节点赋能通信网络，即协作反射节点协作反射节点（Cooperative ReflectingNode，CRN），如图 1 所示，其具有如下技术优势：重构传播环境：有望打破传统无线环境的随机性和不确定性为移动通信网络带来的不可控因素，重塑无线传播环境，提供了新的自由度，并为实现智能和可编程无线环境开辟了道路。低功耗：由于 RIS 除控制器如 FPGA 等小型有源器件外，无需功放、馈线等器件，因此有望实现低功耗，低频段样机的器件和控制功耗有望优化在 5 瓦以内。低成本：无需复杂的射频和基带处理电路，硬件成本可以更低。低热噪声：RIS 通常不需要功率放大、下变频等对接收信号进行处理，而仅仅改变信号的方向，因此热噪声低。全双工高能效：RIS 可以实现对信号的实时反射，而无需先接收后转发，可以节省传输时间实现全双工，有望提高能效。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）3图 1 协作反射节点示意图基于上述技术优势，RIS 可以进行低成本、低功耗的密集部署，且无源 RIS之间无需进行复杂的干扰管理。此外，还可根据实际情况制造，以便安装在任意形状的表面上，从而满足不同应用场景的需要。在解决现有 5G 面临的问题的同时，也为 6G 网络带来了全新的范式。RIS 作为一种新兴的跨学科技术，需要无线通信、射频工程、电磁学和超材料等学科的的协同配合，全球学术和产业界已开展了相关的研究和试验工作。学术界的研究内容涉及基本性能、信道估计、基站和 RIS 联合预编码、信道模型等5,6。RIS 还与人工智能、机器学习、非正交多址接入、通信感知一体化、太赫兹波段通信等相结合7。学术界对 RIS 的热情迅速蔓延到了产业界8：2020 年 6 月成立的 IMT-2030（6G）RIS 任务小组，2020 年 8 月成立的关于 RIS 的 IEEE 新兴技术倡议（Emerging Technology Initiative，ETI），2021 年 1 月成立的欧盟（EU）RISE-6G，2021 年 9 月成立的 RIS 的欧洲电信标准协会（European TelecommunicationsStandards Institute，ETSI）行业规范小组（Industry Specification Group，ISG）以及 2022 年 4 月成立的 RIS 技术联盟（RIS TECH Alliance，RISTA）。学术界和产业界通力合作，联合开展了数十个 RIS 原型系统项目和现场试验9。2019 年，由东南大学团队首次提出并构建了基于 RIS 的信息调制超表面基站，实现了基于 SISO 和 MIMO QAM 调制的无线通信试验系统，率先实现了基于 RIS的新型无线调制技术从无到有的突破。2022 年 9 月，IMT-2030 RIS 任务组已完成了移动-东南联合团队、联通-清华联合团队、中兴、华为、大唐等共 8 家高校和企业的智能超表面原型样机性能验证。清华大学团队设计搭建了应用于 2.3GHz和 28.5GHz 的波束调控超表面阵列，并对其可行性和有效性进行了验证。美国MIT 和 UCSD 大学分别搭建了名为 RFocus 和 ScatterMIMO 的 RIS 实验系统，验证了室内部署 RIS 的可行性。日本 DOCOMO 公司于 2019 年首次在外场测试了基于静态 RIS 的 28 GHz 智能超表面，通信速率由无 RIS 时的 60 Mb/s 提高至达到 560Mb/s。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）42021 年中国移动发布了智能超表面白皮书，该白皮书从应用场景、关键技术和算法、实现和样机验证以及产业和标准化的角度全面调研了学术界和产业界的对中继和基站的研究成果，引起了业界的广泛关注。经过几年如火如荼的研究，协作反射节点技术的研究已经有了长足的进展，落地商用指日可待。为进一步加速推动产业发展和商用进程，2023 年 4 月 CCSATC5 WG6#66 次会议上中国移动等三大运营商与中兴通信联合牵头成功立项“智能超表面工程化关键技术研究”。本白皮书面向商用落地，重点关注智能超表面作为协作反射节点，即在未来复杂组网中由基站的统一协调进行协作反射，在应用场景、通信系统设计、信道建模、器件调控和性能验证等方面提出了相关倡议，提出综合考虑产业成熟度和理论研究水平来分阶段推进该技术的演进和发展。2.应用场景应用场景协作反射节点可以应用于传统蜂窝网络，提升网络的关键性能指标（KeyPerformance Indicator，KPI）。一是覆盖增强，RIS 可部署在建筑物表面或室内，通过可控的反射/透射，提升覆盖盲区或弱覆盖区信号传输质量。二是速率提升，在合适的位置部署 RIS，通过波束赋形，定向增强有用信号接收功率的同时，有效抑制邻区干扰，提升用户上下行速率。协作反射节点还可以催生更多新型应用，包括与无人机、车联网等结合，实现大范围航路信号覆盖、车联网覆盖扩展；利用信号聚焦和干扰抑制的特点，实现感知与高精度定位融合、安全通信、减少电磁污染以及能量收集与传输等功能。如图 2 所示。图 2 协作反射节点应用场景中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）5很多学术研究认为 RIS 代表着移动通信模式的转变，为无线传输提供更多的自由度，对各种应用场景进行了无尽的畅想。但是从产业发展的角度看，应用场景的甄别应该和产业成熟度以及理论研究进程相得益彰，分阶段、分步骤地进行重点部署。基于当前阶段的原型样机，业界主要针覆盖增强覆盖增强场景进行测试验证。例如，IMT-2030 测试测试重点是毫米波频段毫米波频段的室内和室外覆盖场景，如表格 1 所示。再如，中国移动广东公司现网 RIS 测试选择了如图 3 所示的三个场景，针对低频低频段段 2.6 GHz：隧道或停车场，该场景的用户少投资收益低，面积大且比较封闭，宏站信号很难进入，但考虑安全性，设备部署有困难；室内场景，室分部署困难，用户网络需求度高；道路，室外空旷，周围多个信号重叠直射，干扰强，信号差。表格 1 IMT-2030 测试场景室内覆盖室外覆盖室内 L 型走廊室内开放办公区室外覆盖室外多用户用户级波束赋型图 3 中国移动广东公司外场测试场景随着理论和硬件的发展，尤其是信道模型的完善，协作反射节点通过改善信道条件（如汇聚能量、增加散射径等），实现对网络中信道条件较好的用户进行扩容增流扩容增流传输。以 2023 年杭州亚运会试点计划为例，如图 4 所示，通过划分潮汐效应区域，实现忙时利用 RIS 扩充容量，闲时关断部分基站，利用 RIS 保证基本覆盖。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）6图 4 杭州亚运会试点场景2023 年 7 月 1 日正式施行新版中华人民共和国无线电频率划分规定，工业和信息化部率先在全球将 6425-7125MHz 全部或部分频段划分用于 IMT（含5G/6G）系统。中低频段将是国内中低频段将是国内 6G 深耕频段，深耕频段，RIS 应用潜力还可进一步挖掘应用潜力还可进一步挖掘。3.通信系统设计通信系统设计3.1.与网络控制直放站的对比分析与网络控制直放站的对比分析3GPP Rel-18 立项了网络控制直放站（Network Controlled Repeater，NCR），与传统直放站全向发射信号、始终进行转发放大不同，其能够按照基站指示，在需要的时候才进行放大和定向的转发工作，重点关注高频段的覆盖增强的应用场景，兼顾中低频。为了确保从 3GPP Rel-18 NCR 顺利过渡至协作反射节点，应进行详细分析，以确定 NCR 与基于波束赋形的 RIS 在系统参数、工作模式、控制信令等细节方面存在的差异。该分析如图 5 所示。首先，RIS 的元件数目远多于 NCR 的有源元件数目，这表示 RIS 的波束会比NCR 的更窄，指向性更高，在覆盖区域一定的情况下，势必会引入大量额外的波束资源，如何进行低开销的波束训练/扫描是 RIS 相较于 NCR 的增量研究之一。其次，现阶段 NCR 的控制链路和回程链路是带内链路，共用射频模块；由于 RIS 具有无源特性，可以考虑在 RIS 控制和信号反射之间采用独立的射频，这样可以提供更多设计灵活性，简化控制链路，优化 RIS 性能。再次，NCR 需要功率放大，对供电和能耗有一定的需求；而 RIS 仅需对控制模块供电，可以通过控制方案设计达到显著节能的效果。最后，NCR 的射频单元可以关断以停止转发；而 RIS 无相位加载时可以进行中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）7镜面反射，因此可以进一步设计不同的开关策略。图 5 RIS 与 NCR 对比NCR 是一种面向需求而生的技术，主要解决高频场景下的覆盖问题。RIS 相比于 NCR 具有更大面积阵列和更多的阵元，相比于 NCR 具有更多的可控单元，具有更大的灵活性。相比于 NCR 主要用于覆盖增强，RIS 还可以具有其他的可能性，如改变信道环境，提升容量。随着产业的发展，RIS 将可以用于探索更多的可能性。3.2.基于波束的传输方案基于波束的传输方案根据早期根据早期 RIS 产品形态和研究产品形态和研究，其增益主要来自于波束赋形其增益主要来自于波束赋形。早期可以假设反射波束仅为适应大规模衰落而调整，移动设备只能对固定波束进行长期信道测量，然后反馈给基站；而后基站根据获取的信道信息，对 RIS 进行多轮波束调整，以实现特定用户的波束赋形，如图 6 所示。静态和半静态工作模式适用的覆盖补盲场景存在以下特征：环境比较固定，用户数较少，建站成本和阻力较大等。静态/半静态 RIS 的设计目标主要是低成本、低功耗和易部署，对标准几乎没有影响，主要是偏实现的方案。可以实现在现网中的快速部署。例如，可以使用盲波束赋形半静态方案盲波束赋形半静态方案，其考虑了 RIS 级联信道估计的复杂性和所需要的参考信号、控制信令的开销，是一种基于随机采样的方法，可以不借助参考信号而对级联信道进行“盲估计”，进而计算出合适的RIS 天线单元相位，使复合信道的容量最大化11。动态工作模式可以实现基站根据终端反馈对 RIS 波束进行调控。根据是否需要获取 RIS 逐阵子级别的信道状态信息，可以分成波束扫描方案和基于信道估计的特定终端（UE-specific）波束赋形方案。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）8图 6 基于波束的 RIS 传输方案3.2.1.波束扫描波束扫描由于 RIS 是无源器件，因此很难单独估计基站或终端到各个 RIS 单元的信道。学术界现有的方案是通过估计级联信道，再优化 RIS 的波束赋形相位。所需要的参考信号的开销通常是比较高的，相应的控制信令的开销也很高。因此 RIS 在初期部署时，为降低参考信号和控制信令的开销，保证系统的稳健，基于波束扫描并反馈的方案更具有可行性，即对 RIS 面板上的天线单元进行相位梯度的调节，从而形成波束，来降低基站到终端的路径损耗，提高链路的容量。波束反馈方式不仅适用于中低频，如 sub-6 GHz，也同样适用于毫米波频段。（1）中低频部署）中低频部署图 7 是一个固定波束工作模式的示意图，比较适合中低频段部署。这里的基站采用覆盖整个小区的宽波束。根据基站到 RIS 面板的方向角度，RIS 采用合适的单元相位分布，形成 4 个固定方向的波束，覆盖 RIS 所希望服务的用户位置范围。RIS 以分时的方式，轮循逐个扫描 4 个波束，终端对 4 个固定波束的接收强度进行测量和上报，基站根据上报的波束强度信息，选出最优的波束如图7 中的固定波束 3，然后告知 RIS。RIS 根据基站的指示，用固定波束 3 来转发数中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）9据。流程如图 6“基于波束反馈的动态工作模式”所示。由于是固定波束扫描，从限制扫描次数的角度考虑，波束的宽度一般不是很窄。并且因为存在终端没有对准某个固定波束中心的情形，此模式下的波束赋形的增益相对受限。但是其优点是信道对终端基本上是透明，终端无需对经过 RIS的信道（包括 RIS 面板到终端的空间角度信息）进行单独估计，参考信号和控制信令的开销较小。从图 7 还可以看出，由于基站采用小区宽波束，在本小区的终端存在两种情况：终端处于基站覆盖内：都是能与基站直接通信的。此时，RIS 级联链路的作用有两种：当基站与 RIS、RIS 与终端，以及基站与终端的信道主要是 LOS径，级联链路可以增加终端的接收信号功率；当以上几条链路存在明显NLOS 径时，级联链路可以增加信道的空间秩，提升 MIMO 的信道容量。终终端有必要区分信号是直接来自基站还是经过端有必要区分信号是直接来自基站还是经过 RIS 反射。反射。终端处于覆盖盲区或者基站覆盖之外：终端不用区分信号终端不用区分信号是仅来自固定波束3，还是加上小区宽波束的。如图 9“基于波束反馈的动态工作模式”流程仍然适用。图 7 基站宽波束&RIS 固定波束工作模式的示意图（sub-6 GHz）（2）高频段部署）高频段部署在毫米波段，功率放大器的效率较低，天线端口发射的功率不如中低频段的，再加上波长较短，即使是在自由空间，路径损耗也较大，因此需要采用波束赋形，尤其是模拟波束赋形来弥补较低的发射功率和较大的路损。但是，电磁波在毫米波段的绕射和衍射能力变差，很容易被物体遮挡而产生覆盖空洞，如图 8 所示。这里基站将小区细分成 4 个固定的小区波束，RIS 面板尽量部署在靠近其中一个小区波束的峰值方向，例如小区波束 2，基于终端的测量反馈，确定 RIS 面板用固定波束 4 来转发数据，从而绕过阻挡，解决毫米波部署的覆盖/补盲问题。如图 9“基于波束反馈的动态工作模式”流程同样适用。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）10图 8 基站固定波束&RIS 固定波束工作模式的示意图（毫米波）3.2.2.信道获取信道获取相比固定波束扫描的工作方式，采用基于信道估计的 UE-specific 波束赋形可以使得 RIS 波束能够更精确地对准所服务的终端，波束宽度也可以更细，从而起到更大程度地增加级联信道上的信号功率。对于中低频段的多数情形，覆盖较好，基站与终端的直连链路能够支持通信，可以让基站同时形成多个数字波束，例如图 9 中的两个波峰方向，分别指向 RIS 面板和终端。RIS 面板或者终端对 RIS 到终端的信道状态信息进行测量，然后反馈给基站，基站进行决策，告知 RIS 采用哪种相位分布图，在比较窄的 UE-specific 波束转发数据。大体的流程如图 9“基于信道估计的动态工作模式”。与图 8 中流程不同，这里对 RIS-终端链路的空间信道是更为直接和全面的测量，而不是局限在与哪一个固定波束的空间方向最为匹配。因此，该工作模式可行性主要取决于信道获取方案的设计。图 9 UE-specific 波束工作模式的示意图（Sub-6 GHz）在 RIS 辅助通信系统中，由于 RIS 为无源器件，虽然其反射阵子的反射系数和相位等参数还是依靠电调或者光调，但是 RIS 自身无法根据信道信息进行相应的预编码设计等，需要基站侧进行配置。在信道获取的过程中，现有学术方案需要 RIS 进行多次相位调整，终端配合进行相应的计算和反馈，最终才能获取信道；也有方案通过开关 RIS 阵面单元，对逐个阵子进行信道估计，实际上并不可行，中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）11原因如下：RIS 作为一种无源器件，每个单元孔径较小，增益十分有限，基本上不可能通过开关阵面单元进行逐个阵子的信道估计；考虑 BS-RIS 路损与 RIS-UE 路损的乘性关系，每个天线单元的级联信道路损严重，导致信号太弱，无法保证准确的信道测量和估计；在通常测试中，RIS 作为一个整体，从测量得到的总天线方向图反推每个单元的天线方向图。目前 RIS 辅助系统的信道估计和反馈方案都集中于理论研究，而应用于实际通信系统还存在如下缺失：基站侧：基站对 RIS 的控制流程，包括相位的指示、参考信号的指示、相位和参考信号的关系等指示，根据这些指示，RIS 才能进行相应的相位调整，才能使得终端能够做出合适的信道估计和反馈。终端侧：由于直接传输路径和经 RIS 反射的信道之间的差异性，终端在信道估计时，需要知道当前的接收是否有 RIS 的参与，从而确定信道估计的方法、反馈的模式和内容。为了弥补上述缺失，以下设计思路可供参考。（1）参考信号设计）参考信号设计考虑到在智能反射表面系统中，终端所能估计的只有信号经过表面反射后的信道，其信道特性和结构与一般的发射节点-接收节点信道有较大的不同，因此可以定义一种新的参考信号用于进行RIS系统中的信道估计，例如如下两种情况：I 类参考信号：无 RIS 时的参考信号/RIS 参数不调整时的参考信号。II 类参考信号：有 RIS 时的参考信号/RIS 参数调整时的参考信号。（2）流程设计）流程设计信道估计和反馈的流程设计示例如图 10 所示，其具体流程如下：第一步，终端接收基站信号，可以包括同步信号、CSI-RS 等。第二步，终端上报位置、接收角度、信道估计信息给基站，供基站判断该终端是否位于 RIS 附近，是否需要发送 RIS 信道估计参考信号（II 类参考信号）；另外，终端可以根据上述信息自行判断自己是否位于 RIS 附近，触发基站发送 II 类参考信号。第三步，基站给终端配置 II 类参考信号，以及码本配置（匹配 RIS 信道的码本给 RIS 配置 II 类参考信号，同时配置所关联的 RIS 相位信息。（如果 RIS 有上报能力的话，也可以不由基站配置，由 RIS 自身决定并上报基站）。第四步，基站发送 II 类参考信号，RIS 基于配置的信息在相应的 RS 发送位置中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）12上调整相位反射信号。具体地，见图 4-19 右下部分，RIS 从基站处要获得参考信号的时域图样，在不同的时域位置上调整 RIS 的相位，这样保证终端可以接收到经过不同相位反射的信号。第五步，终端基于 II 类参考信号图样，进行反射链路的信道估计，由于反射链路的特性与直传链路不同，因此在做反馈时按照基站的配置选择 II 类码本进行反馈，在反馈信息中应该区分出当前反馈的 PMI 是基于哪类码本的反馈。第六步，基站基于终端的反馈计算信道矩阵，配置 RIS 实际传输时的相位配置信息，需要将该配置信息对应的传输资源信息配置给 RIS。第七步，基站传输业务，RIS 根据配置，在相应的传输资源上使用配置的相位信息反射信号。图 10 信道估计和反馈流程（反射板即 RIS）综上所述，针对各种工作模式所适用的场景，如表格 2 所示，可以给出初步建议：静态工作模式可在相对静止的环境中获得较好的性能增益，以实现低复杂度、低信令开销的快速部署。动态工作模式适用于多小区、多用户等相对动态的复杂场景，其干扰更加复杂信道状态变化更加剧烈，动态工作模式可以很好的捕捉和追踪环境的变化，有利于系统性能的提升，但需要综合考虑复杂度、信令开销等可实现性因素，合理设计传输和控制方案。从参数配置上看，基于波束扫描的动态方案在 RIS 规模比较小、且以波束宽中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）13度为扫描间隔的情况下可以获得与基于 CSI 的动态方案相当的性能，否则基于 CSI 的动态方案性能更优。从可实现性上看，基于波束扫描的动态方案更简单直接，实现基本通信功能可以做到对终端透明，开销来自对 RIS 反射波束的资源配置及相关的信令交互；基于 CSI 的动态方案需要进一步设计 CSI 的获取流程，由于 RIS 的无源本征特性，无法进行信道估计和反馈，因此需要终端辅助进行与 RIS 有关的入射和反射信道估计，对终端不透明，所涉及到的资源配置和信令交互会更加复杂。所以针对动态场景，选择具体方案需要考虑性能增益和可实现性之间的折中。表格 2 应用场景与关键技术总结典型应用商用目标方案理论共性目标个性目标方案设计理论模型覆盖补盲低成本低功耗易部署非标准化偏硬件实现类方案静态/半静态控制对终端透明远场大尺度信道模型覆盖补盲容量提升（传统网络性能提升）易部署标准化动态控制对终端透明 or 非透明远场信道模型新型应用易部署多形态各种控制方式共存与具体应用场景适配远场&近场信道模型4.信道建模信道建模RIS 的信道建模面临如下挑战性：首先，RIS 是一种无源设备，很难独立测量回程链路和接入链路中每个 RIS 单元的信道；其次，在传统的 MIMO 设置中，即使是大规模 MIMO，电磁波也主要是远场传播。对于 RIS 来说，为了充分发挥其性能潜力，RIS 面板的孔径可能非常大，以至于传播条件可能是近场。信道建模工作也需要分阶段进行。当前阶段，基于波束的 CRN 考虑到重点是波束赋形，且 RIS 的尺寸不是很大，可以假定为远场传播。假设运营商可以优化 CRN 的位置，那么回程链路将以视距（Light of Sight，LOS）为主导。在该假设下，广泛使用的基于几何统计的信道模型（Geometry based statistical model，GBSM）（目前 3GPP TR 38.901 中采用的建模方法）可以很容易地扩展为级联模型10，其中接入链路被建模为传统的 MIMO 信道，RIS 可以建模为中继节点的无源天线，中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）14也可以建模为一个散射体簇，如图 11 和表格 3 所示。这样，测量工作就只需进行参数拟合，以高效推进。在 6G 的全维度 RIS 阶段，可考虑采用射线跟踪类型的确定性信道建模，这可能会更准确地描述复杂环境和部署场景中的 RIS 信道特性。图 11 RIS 建模方法：左图 option 1；右图 option 2表格 3 RIS 建模方法对比方案优势劣势Option 1：将 RIS视为一个网络节点，BS-RIS 与RIS-UE两跳链路单独进行小尺度建模Option 1a:两端信道基于 38.901 分别建模，按照一定准则砍掉一些径参照 38901模型，两跳链路的小尺度信道公式容易表达占用内存巨大，运行速度慢缺少理论或实测支撑，不确定该模型是否符合实际两种方案小尺度建模涉及代码架构的修改，如何与原有架构融合有待研究Option 1b:增加一个RIS 径，对于其他径的影响，例如建模一个 RIS 径，其他 22 条按照随机模型建模Option 2：将 RIS 建模为一个散射体簇（cluster）加入原有 BS-UE 的建模基于现有平台，不会大幅增加运行内存和速度尚待研究：-如何表征 RIS 散射体-RIS 的散射体簇与传统簇的区别-当RIS-UE是NOLS时，如何建模，是否将RIS建模为两跳簇中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）155.器件调控器件调控5.1.调控精度调控精度在基站中，来自远端射频单元（Remote Radio Unit，RRU）的射频信号沿法线方向馈入天线面板。与基站天线面板不同，RIS 面板的入射波束角度范围很大，这将引入新的问题。例如，在设计合理的情况下，如图 12 硬件仿真结果所示，反射主瓣方向的正弦值（表示为 sint）和入射角的正弦值（表示为 sini）之和应等于辐射方向的正弦值（表示为 sin）。然而，由于 RIS 所处的微电磁环境比较复杂，并且超表面器件的比特分辨率有限且具有非理想特性，入射角和反射角的实际关系可能会偏离图 12 所示的理想关系。因此当调控精度达到 3 比特时，RIS 硬件设计的首要任务当是确保角度关系在较大入射角范围内的一致性；当调控精度极低（如 1 比特）时，需要抑制明显的旁瓣，因为旁瓣不仅会对其他方向造成不必要的干扰，还会降低主瓣方向的增益。图 12 RIS 入射角，反射角和单元相位之间的关系5.2.幅相调控幅相调控在充分研究 RIS 单元的相位特性，且产业链制造工艺更加成熟之后，可以继续探索 RIS 硬件的振幅特性如果调控总比特数受到控制信号开销的限制，那么幅度调控必然会占用相位调控的比特数。为了形成所需的波束，需要权衡相位和中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）16振幅调整。5.3.双极化双极化由于基站广泛部署了交叉极化天线，所以对 RIS 双极化响应的研究是十分必要的。但到目前为止，大多数 RIS 设备只对一种极化做出响应，即根据 RIS 元件内电流流动的方向，做出垂直或水平极化响应。与振幅调节的情况类似，垂直和水平极化的独立调节也会使相位调节的比特分辨率预算更加紧张。5.4.功耗与成本功耗与成本对于目前的可调 RIS 设备，需要一定的功率来维持元件相位。如果经常进行调整，可能会非常耗电。可以结合材料技术等研究如何进一步降低独立型 RIS 的功耗。对于半静态超表面，如果采用可调器件的智能超表面，覆盖某个区域需要长时间维持某个相位，低功耗下维持相位的方法如图 13 所示。目前，大部分RIS设备都是由大学实验室或大学创办的小型创业公司设计的，其成本和功耗都比较高。到一定阶段，基本设计原则确定后，RIS 的硬件设计应由更专业的公司来进行，并配备更专业的设计工具和测试环境。此外，生态链不同层次的供应商应进一步优化 RIS 设备的制造，以降低成本，并使制造超大尺寸和大量元件的 RIS 面板成为可能。成本优化包括尝试使用性能要求更宽松的 PIN二极管和变容二极管，包括更长的切换时间更高的非线性度等。由于大多数现成的半导体分立设备都用于信号处理，因此这种成本优化是可能的。当 RIS 面板的经济规模达到一定程度时，电路元件供应商就可以为 RIS 设备定制 PIN 二极管和变容二极管；RIS 面板的制造也将由更专业的供应商来完成，例如敷铜板制造商。根据入射角/反射角计算元素相位需要消耗一定的功率。就目前而言，FPGA足以满足此类计算的需要，其专有算法经过改进，可有效降低功耗。然而，从长远来看，随着 RIS 元素数量的增加，和/或如果需要更复杂的软校正来减轻元表面硬件的非理想特性或补偿近场效应，计算会非常密集，使用定制化的 ASIC 芯片可有效降低功耗，提高性能。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）17图 13 相位维持方法计算复杂度还取决于控制信号的设计，例如，是对单元相位图还是对所需波束进行索引。前者可以通过提前存储相位图来节省一些即时计算，但是信令开销较大；后者降低信令开销，但是在 RIS 控制器处需要更多的运算开销。二者之间还需要一定的折中。6.性能验证性能验证技术推进过程中，广泛的性能验证是十分必要的，包括且不限于器件特性的验证，系统仿真性能验证和现网测试验证。三种验证形式各有侧重：器件特性验证旨在探究 RIS 器件本征性质，与超材料的结构设计息息相关，是 RIS 设备研发制备的必要环节；系统仿真性能评估是对 RIS 大规模组网部署策略和效果的提前预演，通过模拟实际环境中多小区多用户的复杂通信环境，可以初探 RIS 对通信网络中干扰和系统性能的影响；现网测试是原型样机或 RIS 产品在真正网络环境中的试水，测试结果对产品迭代改进具有重要意义。6.1.器件特性验证器件特性验证6.1.1.电磁仿真方法电磁仿真方法为充分研究 RIS 器件及阵列的波束特性，需要搭建 CST 电磁仿真平台。对 RIS阵列的电磁仿真可以采用如下两种方法，如图 14 所示：传统电磁仿真方法：需要对阵列中各单元的可调元件逐一设置 RLC 电路参数，需要耗费数小时，当阵列相位图发生变化时，需要重复设置 RLC 参数，复杂度高，效率低。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）18利用单元面积等效相位的建模方法：其结构简单，MATLAB 联合 CST 可以自动快速建模，简化建模方法与传统建模方法结果高度一致，但复杂度低，建模仿真时间短，大幅提升器件特性仿真效率12。图 14 传统电磁仿真方法与面积等效相位建模方法6.1.2.特性验证特性验证基于对 RIS 单元及阵列的设计及建模仿真，在遍历入射角、反射角的条件下，计算阵列相位，并进行全波仿真，可以得到如下结论：首先证明了60范围内实际波束方向与目标波束方向体现一致性，同时上下行波束方向及功率满足互易性，角度大于60范围波束一致性和上下行互易性均变差，验证了单元相位响应线性度受入射角度影响明确互易性范围，如图15 所示。其次，仿真验证了 1bit 调控 RIS 在远场条件下存在镜像波束，多 bit 调控 RIS在调节精度、波束指向准确性上存在显著优势。图 15 60入射角范围内互易性成立，角度大于60范围互易性变差再次，单极化 RIS 仅能对一种极化波（其电场平行于表面电流）调相及波束中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）19赋形，45极化波经单极化 RIS 反射会出现两个主瓣方向不同的极化波束，导致接收增益下降、双流传输受到影响，如图 16 所示。图 16 单极化 RIS 对 45入射极化波仅对一个极化方向有赋形效果6.1.3.测试方法测试方法测试 RIS 器件/原型样机的反射特性，可以考虑紧缩场、平面近场、弓形测试法等测试环境，以及延伸板与转台相结合的测试方法。针对具体测试方案需要给出一致性测试、波束扫描范围、互易性、工作带宽、极化方向验证等多个暗室测试例。6.2.系统级仿真验证系统级仿真验证6.2.1.评估指标和因素评估指标和因素基于系统仿真环境可以从不同调控比特数、反射面个数、反射面单元数、节点位置等不同规格性参数配置下的对系统性能进行评估。6.2.1.1.规格性参数规格性参数可以考虑不同的用户位置和智能超表面部署位置下的系统性能，如图 17 所示。评估对象可以是信干噪比（Signal to Noise and Interference Ratio，SINR）和参考信号接收强度（Reference Signal Received Power，RSRP）的累积概率函数（cumulative probability function，CDF）如图 18 所示13。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）20图 17 用户和智能超表面位置分布图 18 不同位置、调控精度和阵子规模下的 CDF 曲线表格 4 系统仿真参数参数值参数值参数值频点2.6 GHz阵子数16*16,40*40阵子间隔0.8*0.5RIS 个数/扇区8,16基站高度25m用户高度1.5mRIS 高度15mRIS 极化单极化场景7 小区 21 扇区通过系统级仿真，可以初步得到如下结论：在无线网络中部署 RIS 可以显著提高系统的性能，增加单个智能超表面的单元数或增加每个扇区的智能超表面个中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）21数可以提高系统的性能；与部署在小区中间相比，部署在小区边缘的智能超表面更能提升边缘用户的性能；2bit 调控 RIS 性能已经接近理想调相性能。6.2.1.2.典型调控模式典型调控模式基于系统级仿真平台，可以验证和对比智能超表面的不同调控模式下的性能，包括静态/半静态模式和动态模式，如第 4.3 节中图 6 所示。动态工作模式是利用终端的信道信息反馈，进行指向具体终端的波束赋形，根据信道状态信息的不同形成了两种动态模式：如果信道信息只是接收信号强度，则为基于波束扫描的动态工作模式；如果信道信息是完整的信道状态信息，包含不限于幅度和相位，则为基于信道状态信息（CSI）的动态工作模式。此时考虑的因素除了 RIS 规模和位置外，还有调控精度和波束宽度。评估对象可以是 SINR 和 RSRP 的 CDF 曲线，如图 18 所示图 19 16x16 和 40 x40 RIS 系统仿真在不同波束宽度下的系统级仿真对比通过系统级仿真，可以初步得到如下结论：当反射面规模较大时，基于信道信息针对用户波束赋形方法具有显著的性能增益。当反射面规模较小、且波束扫描间隔与波束宽度相当时，波束扫描与针对用户的波束赋形的性能相当。中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）226.3.现网测试验证现网测试验证现网测试最直接地可以给出在一定场景下，RIS 样机可以带来的性能影响。本小节给出两个现网测试实例，测试方法和测量结果可供后续研究参考。6.3.1.深圳现网智能超表面测试系统深圳现网智能超表面测试系统中国移动研究院联合广东移动、华为和港中文大学（深圳）首次完成了室外补盲室内、室内延伸覆盖和室外干扰抑制三个不同的场景的商用网络外场应用和测试。测试系统平台如图 20 所示14。图 20 深圳现网 RIS 测试系统表格 5 系统参数参数值阵子数16*16频点2.6GHz带宽200MHz（1）室外补盲室