面向6G的可重构智能表面部署与应用思考

摘 要

【关键词】 6G；可重构智能表面；部署及应用

0 引言

随着通信技术的进步转型以及社会需求的变化发展，在新的历史阶段下都会有新的产物出现。过去十几年间，在移动用户享受高速网络带来的便利时（那时的速度），人们可能难以预想如今户外直播的普及以及高清观影体验的无处不在。然而回顾通信技术的发展历程发现，在每一代通信系统中都存在推动其演进的主要驱动力——更高的用户速率需求似乎始终占据主导地位：从3G时代的几Mbit/s到4G时代的1 Gbit/s再到5G时代的20 Gbit/s数据传输速率不断攀升与业务需求之间的差距也在不断扩大（而目前还没有找到能够匹配5G大容量传输的 killer app 产品）：8K超高清视频增强现实/虚拟现实等应用虽然仍需进一步完善以提供更具冲击力的应用体验）。展望未来如何提升移动通信系统的性能并将其优势转化为实际应用效益成为行业界亟需深入思考的问题

随着5G商用部署稳步推进的同时

近年来, 界内专家将研究焦点转向了可重构智能表面（RIS, Reconfigurable Intelligent Surface）这一前沿技术. 在性能方面相对于传统无线通信设备而言, RIS展示了低功耗、低成本以及较低的实现复杂度等明显优势. 这正好契合了当前6G网络建设所面临的主要挑战问题. 另一方面, 在克服传统无线信道的不确定性与不可控性方面上来说,RIS提供了一个全新的解决方案, 同时也使无线信号传输拥有了更大的自由度[5-9].

本文将围绕RIS的部署与应用展开深入探讨，并结合其潜在的应用场景进行深入分析。详细探讨了在部署和应用过程中遇到的问题及挑战，并重点阐述了面向6G部署过程中需要重点关注的关键问题。

1 RIS技术概述

RIS通常由大量近无源电磁元件构成，在每个电磁元件都能独立调控入射电磁波相位特性的情况下，在经过RIS反射或透射之后由于波长干涉的作用在不同空间方向上的强弱叠加状态会产生显著差异：在某些方向上由于干涉相消导致电磁信号能量衰减而在另一些方向上由于干涉相长则能有效增强电磁信号能量。基于这一特性可以通过调节电磁波入射方向从而人为地微调各电磁元件参数以形成预期的特定空间分布模式从而实现对电磁波传播方向的有效控制以RIS作为反射面为例其结构及其对应的反射模式如图1所示

从技术原理的角度分析可知，在理论上RIS技术和波束赋型技术存在诸多相似之处。它们均基于波的干涉原理，并通过调节信号相位（幅度）以生成预期的波形图案以提高无线信号传输质量。然而两者的主要区别在于RIS仅在模拟域完成无线信号处理而传统波束赋型则既包含模拟域处理也涉及数字域处理这一特点使得后者在灵活性上更具优势但同时也带来了更高的实现成本

从部署的角度来看，在基站与用户之间进行信息传递时,RIS与中继具有相似的功能,均可作为重要的信息传递节点.然而,在功能上二者的主要区别在于,RIS一般不包含射频链路,也就是说,RIS不具备解码转发或放大转发的能力.然而,这也正是其优势所在,即不会引入额外的热噪声.同时,由于其轻量特性,使其得以轻松地嵌入移动通信网络之中（例如外墙表面、路边设施等位置）,因此实现灵活多样的布置方案.

2 RIS潜在应用场景

当前研究领域和学术领域关于RIS（智能反射面）的研究主要集中在两个方向[5]：其一是将其用作新型无线发射装置，并直接完成信号的调制与传输过程；其二是将其配置为无线通信中的中继节点，并通过反射面技术提升 wireless signal transmission performance.

基于RIS的新一代无线传输设备虽然在学术界已取得一定理论研究支撑[10-11] ，但在硬件器件和结构上仍与现有传输设备存在明显不同 。从产品演进角度来看 ，这种新型无线传输设备不太可能成为6G时代的主要应用方案 。现有的大规模MIMO系统在基站产品形态上呈现良好的推广前景 ，并展现出良好的产业化前景 ，而基于RIS的技术则难以适应现有技术生态的发展趋势 。就性能特性而言 ，因为RIS系统通常不具备射频链路组件 ，其数据流承载能力相较于传统MIMO系统存在一定差距 ；此外，在信号调制技术方面仍处于探索阶段 。综合以上分析可知 ，基于RIS的新一代无线传输设备不太可能成为未来6G时代主要采用的技术方案 ；因此本节重点考虑将RIS定位为无线中继节点的应用场景 ；并对其潜在应用场景及部署方案进行深入探讨

2.1 室外场景

随着对低频段频谱资源的需求日益增长, 6G系统正在探索更高频段以获取更多可用频率资源。然而, 高频系统在无线信号覆盖方面的不足较为明显, 因为高频信号更容易受到障碍物阻挡而造成通信中断。改善无线网络的空间连续性问题, 一直是通信领域的重要课题。作为一种兼具轻质性、适应性和经济性的创新技术, 可能性的RIS（智能反射面）有望在未来成为 outdoor coverage的关键技术支持。目前来看, 在室外场景中, RIS可能的应用领域包括：

（1）建立视距环境

行人、车辆的移动，甚至由于植被以及树叶的生长，都有可能对高频信号的传输产生遮挡，导致传输中断。虽然3GPP NR标准中为高频频段专门制定了波束管理流程，其中就包含了针对路径遮挡问题的波束恢复策略，但这无法从根本上解决遮挡问题。RIS技术的出现，为这一问题的有效解决带来了转机。通过在建筑外墙的合适位置部署RIS，可以人为地营造出基站到RIS、RIS到用户的双视距（LoS, Line of Sight）传播环境，提升无线链路的鲁棒性和可靠性，具体如图2所示 ：

（2）弱覆盖区域补盲

受建筑环境及植被分布等自然要素的影响，移动通信网络的空间分布往往呈现明显的不均衡特征，在某些特定区域内可能出现信号衰减严重的现象。这些微弱覆盖区虽然面积较小但可能对通信服务造成不利影响如共享单车停放区及电子售货机周边等位置常出现无线信号盲区等问题。针对这些问题现有技术手段难以通过网络优化或系统参数微调来彻底改善这些问题主要面临两种解决方案：一是通过增加基站密度来提升相关区域性能但这在实际操作中往往受到技术限制；二是寻求一种高效的补充性增益方案为此我们提出了基于反射面阵列技术（RIS）的新方案该方案能够有效增强目标弱覆盖区的信号传输效率从而实现资源的最佳利用

（3）邻区干扰抑制

通常情况下，在布置基站天面时会适度地进行机械倾斜，在确保本小区信号覆盖的同时尽量减少对邻区的干扰。

2.2 室内场景

伴随着新型应用的出现

相比室外通信场景而言，在室内环境下通信路径更加简单明了。尽管如此，在室内环境中无线信号传播的距离仍然较短，并且设备之间的移动性较低。然而，在这种环境下无线信号面临更为显著的穿透损耗问题以及更为明显的多径效应。此外，在室内的复杂表面结构（如建筑材料及家具表面存在的微小凹凸不平）下，信号传播主要采用漫反射方式进行传播分布于室内空间中，并因此难以实现均匀覆盖的效果。值得注意的是，在不同位置及不同房间的组合下（即不同位置及不同房间），其信号覆盖性能可能存在较大的差异，并且也难以实现精准控制的效果

随着4G时代向5G时代的过渡期间, 一种主要解决方案逐渐占据主导地位, 那即作为一种主要解决方案, 室分系统作为室内覆盖的主要方案而被广泛采用

RIS技术开创了创新的技术路径用于解决室内的信号覆盖问题。同时由于RIS主要由无源或接近无源组件构成并且体积小巧使得用户无需担心电磁辐射的问题得以安心使用。此外RIS安装在房间内墙面极为便捷无需额外布线同时也能够通过装饰性材料呈现而不产生突兀的设计效果。通过在房间内布置多个RIS系统可将外部基站发送的信号反射至每个房间从而显著提升了房间内的信号覆盖能力。同时这些系统还可以灵活地与其他室内的信号增强设备协同工作进一步提升了整体通信质量并可作为辅助性的增强配置供不同场景需求选择使用。

3 RIS部署与应用思考

基于RIS的轻量化特性，在实际部署时展现出极高的灵活性。这种技术可广泛应用于建筑外墙、路沿设施表面等多种场景。在移动通信网络环境中，RIS的应用需依据其对网络层与终端设备透明度的不同等级来确定具体应用场景：全透明型适用于信号传输无阻碍的理想环境；半透明型则适合部分遮挡下仍能保证良好通信的情形；而非透明型则主要应用于遮挡严重的复杂场景中。

3.1 全透明RIS

全透明型RIS在面向网络侧与终端侧时均为透明状态，在不引入额外控制信令负担的同时也不会对其特性产生影响，并不作为网络中间节点角色存在。从设计角度来看，在实现动态波束调节方面对实时响应能力要求不高，在具体方案中可采用预配置方式预先设置多种波束模式，并根据实际需求选择合适的配置方案以提升系统效率。从成本角度考虑，则无需配备数字处理模块即可完成基本功能实现，在预算有限的情况下具有较高的性价比优势。这种技术方案特别适用于小区级场景下的部署方案，在弱覆盖区域补盲以及特定区域覆盖能力提升等场景中展现出显著优势

作为构成无线通信环境的重要组成部分之一, 全透明射频干涉装置（RIS）与其他结构物及植被具有显著区别: 可以通过调节反射波束的方向来实现一定程度上的控制. 建议采用静态配置策略, 即先完成好反射波束分布图, 之后不再进行任何改动. 这种设计使得全透明RIS对无线通信环境的影响较为有限, 仅能进行粗粒度优化, 而无法实现用户的信道增强需求.

3.2 半透明RIS

半透明型射频干涉系统（RIS）是指其仅向终端侧实现透明性。鉴于终端设备的实现成本较高且技术复杂度较大，在本研究中主要关注于RIS仅在终端侧实现透明的情况。通过特定控制信号的作用机制，基站可通过主动调节其电磁单元响应来生成所需反射波束图案。在信道测量方面，在这种配置下用户端设备仅能对基站至射频干涉体（RIS）以及射频干涉体至用户的级联信道下的参考信号进行测量和反馈；而针对基站在接收端如何利用这些反馈信息以优化通信性能的具体问题，则需要进一步深入研究。从布线成本及施工难度的角度来看，在现有技术条件下很难做到对射频干涉体上的每个电磁单元单独施控；因此一种可行的方式是通过发送期望角度信息至射频干涉体；另一种方案则是将期望波束索引号发送给射频干涉体并由后者生成相应波束图案的具体实施流程如图4所示

半透明RIS能够更好地适应无线信道环境的变化特点，在优化基站与用户间的信道连接方面展现出更强的能力。
通过动态配置技术与基站控制系统的协同运作，在网络层面实时生成预期反射波形，
从而实现更精细化的波束优化效果，
显著提升了无线信号的整体传输质量。
这种技术手段主要作用于网络层面上，
并不会增加终端设备的实际部署复杂度。

3.3 非透明RIS

在移动通信网络中（...），非透明型智能反射面（...）以其开放且不可阻挡的方式连接至网络端和终端设备（...）。此时，在移动通信系统中（...），...扮演了一个关键角色，在其架构中扮演了一个类似于传统中继的作用（...）。不过需要注意的是：尽管这里采用了“自主”这一表述（...），但相应的时频资源等传输信息仍然需要由基站进行配置（... ），否则将导致用户无法准确获取必要的信息来进行相关操作（如参考信号测量）。然而，在实际应用中是否允许此类自主功能尚需进一步研究和验证。

除此之外，在多用户传输视角下,RIS实际上并不清楚各个用户的信号对应的实际物理资源位置,除非它能够获取到基站在调度过程中所掌握的相关信息.因此,RIS无法自主决定何时调整反射波束使其呈现特定形状,换句话说, RIS对波束形状进行调整的能力仍然主要依赖于基站在调度过程中的指挥作用,从而难以实现真正意义上的自主控制.

非透明RIS与其相比非透明中继在性能优势及应用场景方面仍有待深入探讨。目前尚无法对此作出明确结论。然而可以看出的是非透明RIS能够更加准确地掌握基站与RIS之间的信道状态以及RIS与用户之间的信道状况若能合理利用其优势则可更精确地对级联信道进行精细优化从而有效提升上行链路和下行链路的质量此外在设计过程中需要特别注意其实现成本若成本过高则可能使其难以在未来部署的6G移动通信网络中发挥应用价值

3.4 RIS应用的其他思考

本节将概述RIS在实际应用中可能遇到的具体问题及其影响。具体而言,这些问题主要集中在以下两个方面:第一方面的特点是方向性问题;第二方面则涉及不同运营商网络所受的影响。

（1）RIS的方向性

在6G应用场景中, RIS需关注信号传输的方向特性, 基于前文对于RIS应用场景的分析, 上行传输可能需要借助RIS辅助完成任务；下行传输同样依赖于RIS来增强性能。其中, 用户设备的发射功率通常远低于基站设备, 因此在优化上行链路时需要特别关注RIS的支持。此外, 这些特殊场景下下行链路同样需要借助RIS技术来改善性能。研究重点则在于确保该技术方案能够在不同方向之间实现良好的协同运作

（2）RIS对不同运营商网络的影响

不同运营商对RIS（射频基础设施）的 deployment需求可能存在差异性。
该运营商在 deployment RIS后可能会影响到区域内其他运营商的 network performance。
全透明 RIS 的这种影响呈现静态特征；而半透明或非透明 RIS 的这种影响则是动态变化的。
当大规模部署时，在各自进行调整的情况下可能会产生相互影响的结果。
一种可能的方法是在工作频段上进行限制。
如何避免这种影响将成为 RIS 部署过程中的关键挑战问题。

4 结束语

本文立足于RIS的技术原理及其潜在应用场景展开研究，在6G网络环境下对其部署与应用展开了深入探讨。文章着重探讨了全透明、半透明与非透明三种类型在设计方面特点的同时还关注了成本及应用等问题。此外文章深入分析了不同类型的RIS传输方向及其对各类运营商网络的影响并明确了当前研究的重点与需要解决的关键问题。通过本文的研究成果旨在为后续研究提供一定的思路参考协同推动相关产业的发展