面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū) 2023

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司編制單位：中移智庫(kù)、中國(guó)移動(dòng)通信研究院面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司編制單位：中移智庫(kù)、中國(guó)移動(dòng)通信研究院面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)1中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）低功耗、低熱噪聲等特點(diǎn)，是未來(lái)6G技術(shù)作反射節(jié)點(diǎn)，即在未來(lái)復(fù)雜組網(wǎng)中由基站的統(tǒng)一協(xié)調(diào)中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）11.概述 22.應(yīng)用場(chǎng)景 43.通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 63.1.與網(wǎng)絡(luò)控制直放站的對(duì)比分析 63.2.基于波束的傳輸方案 74.信道建模 135.器件調(diào)控 155.1.調(diào)控精度 155.2.幅相調(diào)控 155.3.雙極化 165.4.功耗與成本 166.性能驗(yàn)證 176.1.器件特性驗(yàn)證 176.2.系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證 196.3.現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證 227.分階段推進(jìn)策略 278.總結(jié)與展望 30縮略語(yǔ)列表 31參考文獻(xiàn) 33中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）2新型關(guān)鍵技術(shù)帶來(lái)的服務(wù)質(zhì)量的提高已經(jīng)成為了蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)代際更采用了大規(guī)模多輸入多輸出（Multi-InputMulti-Output，MIMO）、毫米波通信（millimeterwave，mmWave）等關(guān)鍵技術(shù)，以支持增強(qiáng)型移千億臺(tái)設(shè)備提供泛在連接[1]。然而，5G關(guān)鍵技術(shù)所帶來(lái)的高復(fù)雜度、高成本、獨(dú)立可調(diào)，引起入射信號(hào)的振幅和/或相位變化，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的三維波束賦中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）3圖1協(xié)作反射節(jié)點(diǎn)示意圖基于上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)，RIS可以進(jìn)行低成本、低功耗的密集部署，且無(wú)源RISRIS作為一種新興的跨學(xué)科技術(shù)，需要無(wú)線(xiàn)通信、射頻2021年9月成立的RIS的歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（EuropeanTelecommunications企業(yè)的智能超表面原型樣機(jī)性能驗(yàn)證。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了應(yīng)用于2.3GHz和28.5GHz的波束調(diào)控超表面陣列，并對(duì)其可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。美國(guó)中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）4協(xié)作反射節(jié)點(diǎn)可以應(yīng)用于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，提升網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)（Key圖2協(xié)作反射節(jié)點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）5IMT-2030測(cè)試測(cè)試重點(diǎn)是毫米波頻段的室內(nèi)和室外覆蓋場(chǎng)景，如表格1所示。室內(nèi)L型走廊室內(nèi)開(kāi)放辦公區(qū)室外覆蓋室外多用戶(hù)用戶(hù)級(jí)波束賦型圖3中國(guó)移動(dòng)廣東公司外場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景道條件（如匯聚能量、增加散射徑等實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中信道條件較好的用戶(hù)進(jìn)行中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）6圖4杭州亞運(yùn)會(huì)試點(diǎn)場(chǎng)景業(yè)和信息化部率先在全球?qū)?425-7125MHz全部或部分頻段劃分用于IMT（含3.1.與網(wǎng)絡(luò)控制直放站的對(duì)比分析其次，現(xiàn)階段NCR的控制鏈路和回程鏈路是帶內(nèi)鏈路，共用射頻模塊；由中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）7NCR是一種面向需求而生的技術(shù)，主要解決高性，如改變信道環(huán)境，提升容量。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，RIS將可以用于探索更多的3.2.基于波束的傳輸方案用戶(hù)數(shù)較少，建站成本和阻力較大等。靜態(tài)/半靜態(tài)RIS的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是低成中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）8并反饋的方案更具有可行性，即對(duì)RIS面板圖7是一個(gè)固定波束工作模式的示意圖，比較適合中低頻段部署。這里的基站采用覆蓋整個(gè)小區(qū)的寬波束。根據(jù)基站到RIS面板的方向角度，RIS采用合9從圖7還可以看出，由于基站采用小區(qū)寬波束，在本小區(qū)的終端存在兩種徑，級(jí)聯(lián)鏈路可以增加終端的接收信號(hào)功率；②當(dāng)以上幾條鏈路存在明顯3，還是加上小區(qū)寬波束的。如圖9“基于固定波束4來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而繞過(guò)阻擋，解決毫米波部署的覆蓋/補(bǔ)盲問(wèn)題。如中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）圖8基站固定波束&RIS固定波束工作模式的示意圖（毫米波）圖9UE-specific波束工作模式的示意圖（Sub-6GHz）中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）目前RIS輔助系統(tǒng)的信道估計(jì)和反饋方案都集中于理信道，其信道特性和結(jié)構(gòu)與一般的發(fā)射節(jié)點(diǎn)-接收節(jié)點(diǎn)信道有較大的不同，因此中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）第七步，基站傳輸業(yè)務(wù)，RIS根據(jù)配置，在相應(yīng)的傳輸資源上使用配置的相圖10信道估計(jì)和反饋流程（反射板即RIS）中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）表格2應(yīng)用場(chǎng)景與關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)信道建模工作也需要分階段進(jìn)行。當(dāng)前階段，基于波束的CRN考慮到重點(diǎn)中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）方案優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)Option1：將RIS視為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，BS-RIS與RIS-UE兩跳鏈路單獨(dú)進(jìn)行小尺度建模Option1a:兩端信道基于38.901分別建模，按照一定準(zhǔn)則砍掉一些徑參照38901模型，兩跳鏈路的小尺度信道公式容易表達(dá)占用內(nèi)存巨大，運(yùn)行速度慢缺少理論或?qū)崪y(cè)支撐，不確定該模型是否符合實(shí)際兩種方案小尺度建模涉及代碼架構(gòu)的修如何與原有架構(gòu)融合有待研究Option1b:增加一個(gè)RIS徑，對(duì)于其他徑的影響，例如建模一按照隨機(jī)模型建模Option2：將RIS建模為一個(gè)散射體簇（cluster）加入原有BS-UE的建?；诂F(xiàn)有平臺(tái)，不會(huì)大幅增加運(yùn)行內(nèi)存和速度尚待研究：-如何表征RIS散射體-RIS的散射體簇與傳統(tǒng)簇的區(qū)別建模為兩跳簇中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）這將引入新的問(wèn)題。例如，在設(shè)計(jì)合理的情況下，如圖12硬件仿真結(jié)果所示，反射主瓣方向的正弦值（表示為sinθt）和入射角的正弦值（表示為sRIS硬件設(shè)計(jì)的首要任務(wù)當(dāng)是確保角度關(guān)系在較大入射角范圍內(nèi)的一致性；當(dāng)調(diào)圖12RIS入射角，反射角和單元相位之間的關(guān)系和變?nèi)荻O管；RIS面板的制造也將由更專(zhuān)業(yè)的供應(yīng)商來(lái)完成，例如敷銅板制造根據(jù)入射角/反射角計(jì)算元素相位需要消耗一定的功遠(yuǎn)來(lái)看，隨著RIS元素?cái)?shù)量的增加，和/或如果需要更復(fù)雜的軟校正來(lái)減輕元表面硬件的非理想特性或補(bǔ)償近場(chǎng)效應(yīng)，計(jì)算會(huì)非常密集，使用定制化的ASIC芯中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）圖14傳統(tǒng)電磁仿真方法與面積等效相位建模方法圖15±60°入射角范圍內(nèi)互易性成立，角度大于±60°范圍互易性變差再次，單極化RIS僅能對(duì)一種極化波（其電場(chǎng)平行于表面電流）調(diào)中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）圖16單極化RIS對(duì)45°入射極化波僅對(duì)一個(gè)極化方向有賦形效果測(cè)試RIS器件/原型樣機(jī)的反射特性，可以考慮緊縮場(chǎng)、平面近場(chǎng)、弓形測(cè)參考信號(hào)接收強(qiáng)度（ReferenceSignalReceivedPower，RSRP）的累積概率函數(shù)中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）圖17用戶(hù)和智能超表面位置分布圖18不同位置、調(diào)控精度和陣子規(guī)模下的CDF曲線(xiàn)表格4系統(tǒng)仿真參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值參數(shù)值頻點(diǎn)2.6GHz陣子數(shù)16*16,40*40陣子間隔0.8λ*0.5λRIS個(gè)數(shù)/扇區(qū)基站高度25m用戶(hù)高度RIS高度RIS極化單極化場(chǎng)景7小區(qū)21扇區(qū)中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）動(dòng)態(tài)工作模式；如果信道信息是完整的信道狀態(tài)信息，包含不限于幅度和相位，描間隔與波束寬度相當(dāng)時(shí)，波束掃描與針對(duì)中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試最直接地可以給出在一定場(chǎng)景下，RIS樣機(jī)可以帶來(lái)的性能影響。本小節(jié)給出兩個(gè)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試實(shí)例，測(cè)試方法和測(cè)6.3.1.深圳現(xiàn)網(wǎng)智能超表面測(cè)試系統(tǒng)表格5系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)值陣子數(shù)頻點(diǎn)2.6GHz帶寬200MHz在該場(chǎng)景下，測(cè)試驗(yàn)證了RIS的最佳入射角度（測(cè)試環(huán)境如圖21所示）和中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）圖21室外補(bǔ)盲室內(nèi)場(chǎng)景：最佳入射角度驗(yàn)證圖22室外補(bǔ)盲室內(nèi)場(chǎng)景：最佳RIS尺寸驗(yàn)證對(duì)于最優(yōu)入射角度驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如圖23所示，對(duì)中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）對(duì)于RIS面積驗(yàn)證，得到RIS大小對(duì)覆蓋范圍的影響，如表格4所示，RIS表格6RIS面積對(duì)覆蓋范圍的影響中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）圖24室內(nèi)覆蓋延伸測(cè)試場(chǎng)景圖25室內(nèi)覆蓋延伸測(cè)試結(jié)果中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）圖26室外多干擾場(chǎng)景圖27室外多干擾場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果6.3.2.杭州亞運(yùn)會(huì)智能超表面應(yīng)用試點(diǎn)2023年8月中國(guó)移動(dòng)研究院、中國(guó)移動(dòng)浙江公司攜手中興通訊，聯(lián)合在杭州亞運(yùn)會(huì)場(chǎng)館完成了智能超表面的應(yīng)用驗(yàn)證，為杭州亞運(yùn)會(huì)提供了通信網(wǎng)絡(luò)保障，滿(mǎn)足了賽事高清直播等業(yè)務(wù)對(duì)場(chǎng)館內(nèi)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)覆蓋的需求，同時(shí)也降低了建網(wǎng)難度和投資成本。中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）掃描和用戶(hù)跟蹤，顯著提升了信號(hào)覆蓋質(zhì)量和用戶(hù)速率。測(cè)試結(jié)果如圖29和圖29部署RIS前的場(chǎng)館用戶(hù)速率與信號(hào)覆蓋質(zhì)量圖30部署RIS后的場(chǎng)館用戶(hù)速率與信號(hào)覆蓋質(zhì)量中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）還需要更加深入的研究，提出切實(shí)可行的解決方案[17]。件調(diào)控、信道模型、空口控制等方面的分析，接收基站發(fā)送給NCR的控制信令，和執(zhí)行上行發(fā)送功能。控制鏈路和回程鏈路中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）圖32上圖：Rel-18NCR控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊；下圖：RIS可能的控制和數(shù)據(jù)反射模塊束進(jìn)行長(zhǎng)期信道測(cè)量。后期，RIS將更加動(dòng)態(tài)，需要更為完善的信道信息（包括對(duì)于目前尺寸的RIS設(shè)備和現(xiàn)有的信道模型，RIS最顯著的優(yōu)勢(shì)來(lái)自波束賦RIS也可以在規(guī)范中對(duì)移動(dòng)終端可見(jiàn)，這樣每道，從而更有效地控制RIS輔助傳輸。RIS還可能具有一定的感知能力，可以估器件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，RIS面板的需求量不斷提高，規(guī)模效應(yīng)凸顯，硬件中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）分階段地逐步推進(jìn)協(xié)作反射節(jié)點(diǎn)，與理論研究和產(chǎn)業(yè)成熟度相匹配。以性部署靜態(tài)、半靜態(tài)和動(dòng)態(tài)RIS。對(duì)于覆蓋增強(qiáng)場(chǎng)景，關(guān)鍵技術(shù)主要中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）縮略語(yǔ)列表縮略語(yǔ)英文全名中文解釋threedimensions三維3GPPthe3rdGenerationPartnershipProject第三代合作伙伴計(jì)劃4Gthefourthgenerationmobilecommunication第四代移動(dòng)通信the5thGenerationMobileCommunication第五代移動(dòng)通信6Gthe6thGenerationMobileCommunication第六代移動(dòng)通信ASICApplicationSpecificIntegratedCircuit專(zhuān)用集成電路CCSAChinaCommunicationsStandardsAssociation中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)CDFcumulativeprobabilityfunction累積概率函數(shù)CRNCooperativeReflectiveNode協(xié)作反射節(jié)點(diǎn)CQIChannelQualityIndicator信道質(zhì)量指示CSIChannelStateInformation信道狀態(tài)信息DLDownlink下行ETIEmergingTechnologyInitiative新興技術(shù)倡議ETSIEuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)研究所FDFull-Dimension全維度FDDFrequencyDomainDuplex頻分雙工FPGAFieldProgrammableGateArray現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列GBSMGeometrybasedstatisticalmodel基于幾何的統(tǒng)計(jì)模型IndustrySpecificationGroup行業(yè)規(guī)范小組KPIKeyPerformanceIndicator關(guān)鍵性能指標(biāo)LOSLightofSight視距LTELongTermEvolution長(zhǎng)期演進(jìn)MIMOMIMO多輸入多輸出mmWavemillimeterwave毫米波MTMobileTerminal移動(dòng)終端NCRNetworkControlledRepeater網(wǎng)絡(luò)控制直放站OFDMOrthogonalFrequencyDivisionModulation正交頻分多路復(fù)用PDCCHPhysicalDownlinkControlChannel物理下行控制信道PMIPrecodingMatrixIndicator預(yù)編碼矩陣指示RelRelease版本RIRankIndicator秩指示RISReconfigurableIntelligentSurface智能超表面RISTARISTECHAllianceRIS技術(shù)聯(lián)盟R-PDCCHRelayPDCCH中繼物理下行控制信道RRURemoteRadioUnit遠(yuǎn)端射頻單元RSRPReferenceSignalReceivedPower參考信號(hào)接收強(qiáng)度SINRSignaltoNoiseandInterferenceRatio信干噪比TDDTimeDomainDuplex時(shí)分雙工UDNUltra-DenseNetwork超密集網(wǎng)絡(luò)UEUserEquipment用戶(hù)設(shè)備ULUplink上行中國(guó)移動(dòng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)（2023）參考文獻(xiàn)[1]BOCCARDIF,HEATHRW,LOZANOA,etal.Fivedisruptivetechnologydirectionsfor5G[J/OL].IEEECommunicationsMagazine,2014,52(2):74-80.DOI:10.1109/MCOM.2014.6736746.[2]WUQ,ZHANGR.IntelligentReflectingSurfaceEnhancedWirelessNetwork:JointActiveandPassiveBeamformingDesign[C/OL]//2018IEEEGlobalCommunicationsConference(GLOBECOM).AbuDhabi,UnitedArabEmirates:IEEE,2018:1-6[2023-09-06]./document/8647620/.DOI:10.1109/GLOCOM.2018.8647620.[3]WUQ,ZHANGR.TowardsSmartandReconfigurableEnvironment:IntelligentReflectingSurfaceAidedWirelessNetwork[J/OL].IEEECommunicationsMagazine,2020,58(1):106-112.DOI:10.1109/MCOM.001.1900107.[4]HUS,RUSEKF,EDFORSO.BeyondMassiveMIMO:ThePotentialofPositioningWithLargeIntelligentSurfaces[J/OL].IEEETransactionsonSignalProcessing,2018,66(7):1761-1774.DOI:10.1109/TSP.2018.2795547.[5]RENZOMD,DEBBAHM,PHAN-HUYDT,etal.SmartradioenvironmentsempoweredbyreconfigurableAImeta-surfaces:anideawhosetimehascome[J/OL].EURASIPJournalonWirelessCommunicationsandNetworking,2019,2019(1):129.DOI:10.1186/s13638-019-1438-9.[6]YIFEIY,QIG,ANNAW,etal.RecentProgressinResearchandDevelopmentofReconfigurableIntelligentSurface[J].2022,20(1).[7]ZHANGZ,DAIL.ReconfigurableIntelligentSurfacesfor6G:NineFundamentalIssuesandOneCriticalProblem[J/OL].TsinghuaScienceandTechnology,2023,28(5):929-939.DOI:10.26599/TST.2023.9010001.[8]LIUR,WUQ,DIRENZOM,etal.APathtoSmartRadioEnvironments:AnIndustrialViewpointonReconfigurableIntelligentSurfaces[J/OL].IEEEWirelessCommunications,2022,29(1):202-208.DOI:10.1109/MWC.111.2100258.[9]H.ZHANG,B.DI.IntelligentOmni-Surfaces:SimultaneousRefractionandReflectionforFull-DimensionalWirelessCommunications[J/OL].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,2022,24(4):1997-2028.DOI:10.1109/COMST.2022.3202813.[10]JIANGH,HER,RUANC,etal.Three-DimensionalGeometry-BasedStochasticChannelModelingforIntelligentReflectingSurface-AssistedUAVMIMOCommunications[J/OL].IEEEWirelessCommunicationsLetters,2021,10(12):2727-2731.DOI:10.1109/LWC.2021.3113669.[11]RENS,SHENK,ZHANGY,etal.ConfiguringIntelligentReflectingSurfacewithPerformanceGuarantees:BlindBeamforming[J/OL].arXiv:2112.02285[cs,math],2021[2022-04-27]./abs/2112.02285.[12]ZHANGY,LIY,YUANY,etal.AnalysisofFar-fieldCharacteristicsofRISBasedonanEquivalentModelingandSimulationMethod[C/OL]//2022IEEEGlobecomWorkshops(GCWkshps).2022:1525-1530.DOI:10.1109/GCWkshps56602.2022.10008475.[13]GUQ,WUD,SUX,etal.System-levelSimulationofRISassisted