面向6G的智能表面技術綜述

楊坤　姜大潔　秦飛

【摘? 要】智能表面技術是6G潛在關鍵技術之一，可以明顯提升通信系統的覆蓋效果。本文基于智能表面的工作特點和在6G系統中的應用場景，分析了智能表面的控制理論。理論和實驗研究表明，智能表面技術可以在降低部署成本的同時實現覆蓋增強、波束賦形等多種功能。

【關鍵詞】6G;智能表面;MIMO;覆蓋增強;超表面

0? ?引言

智能表面是一個跨學科新興技術，在學術界也被稱為大型智能表面（Large Intelligent Surface），可重配智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface），金屬超表面（Metasurface），軟件定義超表面（Software Defined Surface/Metasurface）等。智能表面技術最早由電磁學、材料學的科學家進行研究，之后被引入實際應用中，例如電磁隱身材料、全息成像、雷達波束掃描等。智能表面在20世紀就已經被提出，其技術前身是軍用雷達和反雷達設備，主要應用于毫米波、太赫茲等高頻波段，因此在早期并沒有引起移動通信系統的關注。2017年，Nature Communication雜志上發表了一篇智能表面相關論文[1]，論文中介紹了工作于7.8 GHz頻段的反射型智能表面，通過1 bit相位控制實現了動態全息成像。智能表面技術再次受到業界廣泛關注，尤其是通信界的關注，被認為是6G系統的潛在關鍵技術之一。

在5G和6G階段，為支持更高的數據通信速率，毫米波和太赫茲的頻段被逐漸開放出來用于無線通信。2019年世界無線電通信大會WRC19對毫米波做了進一步修訂，將26 GHz、40 GHz、66 GHz頻段劃分為5G及國際移動通信系統未來發展的頻段。2019年4月，Oulu大學舉辦的第一屆6G無線峰會發布了第一版6G白皮書，太赫茲通信被納入6G通信的潛在關鍵技術[2]。智能表面技術已經應用于雷達技術中的無源陣列天線并獲得了顯著的天線增益。智能表面技術可以引入到6G通信系統中提升高頻段通信系統的通信質量。

本文將對智能表面技術進行全面的總結，分別介紹智能表面的硬件特點、6G中的潛在應用場景、國內外研究進展和未來的技術研究方向。

1? ? 智能表面技術概述

1.1? 技術概述

智能表面設備由大規模器件陣列和陣列控制模塊構成，如圖1所示。大規模器件陣列是在平面底板上規則的重復排列的大量器件單元。為達到可觀的信號操控效果，通常需要幾百或者幾千個器件單元組成器件陣列。每個器件單元都具有可變的器件結構，例如，器件單元中包含一個PIN二極管，PIN二極管的開關狀態決定了器件單元對外界無線信號的響應模式。智能表面的陣列控制模塊可以控制每個器件單元的工作狀態，從而動態或半靜態地控制每個器件單元對無線信號的響應模式。大規模器件陣列的每個器件單元的無線響應信號互相疊加，在宏觀上形成特定的波束傳播特征。控制模塊是智能表面設備的“大腦”，根據通信系統的需求確定智能表面的無線信號響應波束，使得原來靜態的通信環境變得“智能”、“可控”。

智能表面技術在多個技術領域有所應用，根據應用場景不同有很多種不同的設計方案。按照器件單元的物理原理[3]分類包含Tunable Resonator可變電容型、Guided Wave波導型、Element Rotation極化型等;按照無線信號輸出形式，分為反射型智能表面和透射型智能表面;按照無線信號響應參數[4]分類包括相位控制型智能表面，幅度控制型智能表面和幅度相位聯合控制型智能表面;按照響應參數控制分類分為連續控制型和離散控制型;按照控制智能表面幅度和相位的頻次或快慢分為靜態，半靜態/動態控制的智能表面，其中靜態的智能表面目前就可以應用到已有系統中，例如4G/5G系統。考慮器件設計和制作的復雜度，學術界普遍選擇使用單一無線信號響應參數的離散控制型器件單元進行研究。目前，學術界廣泛討論的智能反射表面IRS（Intelligent Reflecting Surface）就是一種基于信號反射的相位控制智能表面，通過1 bit的指示信息控制器件單元的反射信號的相位，實現0或π的相位翻轉。

得益于不需要射頻和基帶處理電路，智能表面設備與傳統無線通信收發設備相比有幾點優勢：

（1）智能表面設備有更低的成本和實現復雜度;

（2）智能表面設備具有更低的功耗;

（3）智能表面不會引入額外的接收端熱噪聲;

（4）智能表面設備厚度薄、重量小，可以實現靈活的部署。

但是智能表面無法對無線信號進行數字處理，只能實現模擬的信號波束。

1.2? 智能表面技術在6G系統中的應用場景

未來的6G通信業務要求更高的通信速率和更多的連接密度[2]，需要開發更多的頻譜資源和達到更高的頻譜利用率。很多新興技術被認為是6G通信系統的潛在技術方向，例如太赫茲通信，超大規模的MIMO技術等。智能表面技術與上述技術方向結合，可以在多個實際應用場景中提升通信系統的性能。

無線通信環境中的遮擋物會造成陰影衰落，導致信號質量下降。傳統的無線通信系統通過控制發射設備的發射信號波束和接收設備的接收信號波束提升接收信號的信號質量。對于毫米波和太赫茲頻段，高頻信號的透射和繞射能力更差，通信質量受到物體遮擋的影響更明顯。在實際部署中，智能表面可以為物體遮擋區域的終端提供轉發的信號波束，擴展小區的覆蓋范圍，如圖2（a）所示。對于超高流量的熱點業務，例如VR業務，基站與終端的直通鏈路可能無法提供足夠的吞吐量。智能表面可以為熱點用戶提供額外的信號傳播路徑，提升熱點用戶的吞吐量，如圖2（b）所示。

智能表面技術可以與大規模MIMO技術結合，克服收發天線數量增加帶來成本和功耗增大的問題，在降低設備成本的同時提升MIMO的空間分集增益，如圖2（c）所示。4G時代引入了Massive MIMO的概念，并獲得明顯的性能增益，但是隨著天線數量增多，基站需要更多的射頻鏈路，導致更高的功耗和復雜度，使得基站的成本大大增加，限制了Massive MIMO天線規模的進一步升級。智能表面是Massive MIMO的一個演進方向。由于智能表面只反射或折射入射信號，不需要具備射頻鏈路，避免了硬件復雜度和功耗的問題，可以進一步提升多天線規模，獲得更高的波束賦形增益。

2? ? 智能表面技術研究現狀

2.1? 理論研究進展

在理論分析中，惠更斯-菲涅爾衍射準則被用于對智能表面器件單元的響應信號進行建模。在器件單元設計時，器件單元的尺寸與無線系統的工作頻段的波長相對應。例如，文獻[1]中介紹了對應7.8 GHz頻段的信號，器件單元的尺寸為6 mm×6 mm×2 mm，相當于0.156×0.156×0.05λ3。每個智能表面器件單元被建模等效成獨立的信號節點，智能表面設備調整每個器件單元的工作狀態，使所有器件單元的響應信號在終端節點正向疊加。

以相位控制型智能表面為例，器件單元（m， n）的理想補償相位為：

其中，d→BS，d→UE， d→mn分別為基站，終端，器件單元（m， n）的坐標向量。如果終端與智能表面的相對位置滿足遠場輻射條件，智能表面到終端的信號近似為平行信號， |d→UE- d→mn |≈d→UE? d→mn。在滿足遠場輻射條件時，基站與智能表面之間也可以進行相應近似操作。

對于1 bit離散相位控制型智能表面，通過離散化處理將理想補償相位映射離散相位上，例如：

離散化控制方案相比于連續控制方案有一定性能損失，性能損失由參數量化階數決定[5]。根據理論分析，1 bit離散相位控制方案的信號質量與理想情況的差距大約為-3.9 dB，2 bit離散相位控制方案的信號質量與理想情況的差距小于-1 dB。智能表面的信號正向疊加方案可以獲得很高的分集增益，該分集增益正比于器件單元數量的平方[6]。

智能表面設備可以實現無線信號的高效轉發。當智能表面的器件數量足夠多時，終端接收信號質量和總功耗要優于傳統的放大轉發中繼[6]和解碼轉發中繼[7]。圖3為基于智能表面的波束賦形原理示意圖。

2.2? 樣機和測試結果

基于智能表面設備的通信系統已經在國內外高校和研究機構進行測試，如圖4所示。

國外方面，日本DOCOMO公司于2019年首次在外場測試了基于靜態的智能反射表面設備的28 GHz毫米波通信[8]，其通信速率達到560 Mb/s。在相同環境中，不依靠智能反射表面設備的端到端的通信速率僅為60 Mb/s。美國麻省理工學院搭建了工作于2.4 GHz非授權頻段的測試平臺RFocus[9]，驗證了室內商場場景中部署智能表面的可行性，部署智能表面后的室內信號覆蓋強度平均提升約2倍。

國內高校也實現了基于智能表面設備的通信系統，并且在智能表面設備器件單元的構造設計和系統架構設計上有獨到的見解。清華大學[10]設計了2 bit離散相位控制器件，該器件包含兩個PIN二極管作為2 bit控制模塊。清華大學制作了256個器件單元的智能反射表面設備，該設備在28.5 GHz頻段的波束賦形增益可達19.1 dB。東南大學[11]設計了電壓控制的智能反射器件，該器件具有良好的電壓-反射相位的線性關系。基于這個新型器件單元，東南大學實現了基于智能反射表面的8PSK信號調整，通信速率達到6.144 Mb/s。值得注意的是，與傳統的被動反射或折射第三方信號的智能表面不同，東南大學設計的這個智能表面還可以利用第三方信號，即通過改變第三方信號的相位，來傳輸智能表面本身的信號。從本質上可以看做是一種backscatter技術。

2.3? 未來的研究方向

基于智能表面技術的通信系統驗證了這項新技術的可行性，并且提供了可觀的系統性能增益。在產業化之前，智能表面技術還有很多開放性問題需要研究，我們列出目前學術界討論最多的三個問題：

（1）器件單元的設計和建模理論。用于通信的智能表面器件單元需要支持雙極化的入射信號，并且對于雙極化入射信號具有相近幅度和相位響應特性。智能表面器件單元的設計需要從器件材料選取和器件結構兩個方向設計符合通信系統需求的智能硬件。在理論分析中，智能表面器件單元被建模成理想的反射單元，然而實際的器件單元的響應信號的參數受到多個因素影響，例如入射信號角度，出射信號角度，入射信號極化方向等。準確高效的器件單元的信號響應模型是智能表面設備性能評估的基礎。

（2）智能表面的信道建模。未來的通信環境中可能會大量部署智能表面設備。智能表面設備不能抽象為一個簡單的通信節點，現有的無線通信信道模型不適用于智能表面的信道建模。學術界需要對智能表面設備與基站或終端節點之間的信道特征進行分析和建模并進行測試驗證。特別地，智能表面的信道特征受基站、終端和智能表面部署位置的影響，系統仿真需要對智能表面進行空間建模來準確地評估系統性能。

（3）信道測量和反饋機制。由于智能表面由大量的器件單元構成并且沒有射頻和基帶處理能力，所以基站無法分別獲得基站到智能表面以及智能表面到終端的信道信息。基站或終端的接收信號由大量的智能表面器件單元的響應信號疊加形成，改變一個或者少量的器件單元的工作狀態并不能使接收信號產生明顯的變化。一種可能的測量方案[12]是在智能表面中安裝少量有源器件單元，使得智能表面能夠進行信道測量和反饋;基站使用壓縮感知或者深度學習算法從有限的信道信息中推算出合理的智能表面配置參數。基于智能表面的通信系統需要一個高效的信道測量機制，在保證智能表面低復雜度的前提下，盡量提升端到端的信號質量。

此外，基于智能表面的通信系統的理論性能分析，多用戶MIMO性能分析，智能表面應用部署場景的探索等也是后續研究的重要方向。

3? ?結束語

作為6G潛在關鍵技術之一，智能表面技術通過控制每個器件單元對入射到智能表面的無線信號的響應模式，來實現覆蓋延伸、熱點增強和MIMO空間分集增強等目的。智能表面技術相當于重構或者增強了信道傳播環境。本文介紹了智能表面的工作特點，歸納了智能表面技術在6G系統中多種應用場景。更進一步，文章總結了學術界對智能表面的理論分析、國內外研究機構的樣機開發和測試驗證結果。最后，文章給出了智能表面的未來研究方向，包括器件單元的設計和建模理論，信道建模，信道測量和反饋機制等。

參考文獻：

[1]? ? ?LI L， CUI T J， JI W， et al. Electromagnetic reprogramma-ble coding metasurface holograms[J]. Nature Communications， 2017（8）： 1-7.

[2]? ? University of Oulu. Key drivers and research challenges for 6G ubiquitous wireless intelligence[EB/OL].? （2019-09-01）[2020-04-25]. http：//jultika.oulu.fi/files/isbn9789526223544.pdf.

[3]? ? ?HUM S V， PERRUISSEAU-CARRIER J. Reconfigurable reflectarrays and array lenses for dynamic antenna beam control： a review[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2014，62（1）： 183-189.

[4]? ? ? HUANG C， HU S， ALEXANDR OPOULOS G C， et al. Hologra-phic MIMO surfaces for 6G wireless networks： opportunities， challenges， and trends[EB/OL]. （2020-04-19）[2020-04-25]. https：//arxiv.org/abs/1911.12296.

[5]? ? WU Q， ZHANG R. Beamforming optimization for wireless network aided by intelligent reflecting surface With discrete phase shifts[J]. IEEE Transactions on Communications， 2020，68（3）： 1838-1851.

[6]? ? BASAR E， RENZO M D， ROSNY J D， et al. Wireless communications through reconfigurable intelligent surfaces[J]. IEEE Access， 2019（7）： 116753-116773.

[7]? ? ?BJORNSON E， OZDOGAN O， LARSSON E. Intelligent reflecting surface versus decode-and-forward： how large surfaces are needed to beat relaying？[J]. IEEE Wireless Communications Letters， 2020，9（2）： 244-248.

[8]? ? ?Tomas J P. NTT DoCoMo， Metawave test 5G mobile?system in Tokyo[EB/OL]. （2018-12-06）[2020-04-25].http：//www.srrc.org.cn/en/news4504.aspx.

[9]? ? ?ARUN V， BALAKRISHNAN H. RFocus： practical beamforming for small devices[EB/OL]. （2019-05-13）[2020-04-25].? https：//arxiv.org/abs/1905.05130.

[10]? ?DAI L， WANG B， WANG M， et al. Reconfigurable intelligent surface-based wireless communications： antenna design， prototyping， and experimental results[J]. IEEE Access， 2020（8）： 45913-45923.

[11]? TANG W， DAI J Y， CHEN M， et al. Programmable metasurface-based RF chain-free 8PSK wireless transmitter[J]. Electronics Letters， 2019，55（7）： 417-420.

[12]? TAHA A， ALRABEIAH M， ALKHATEEB A. Enabling large intelligent surfaces with compressive sensing and deep learning[EB/OL].? （2019-04-23）[2020-04-25].? https：//arxiv.org/abs/1904.10136.

作者簡介

楊坤（orcid.org/0000-0002-8987-2985）：

博士畢業于北京大學，現任職于vivo通信研究院，通信標準工程師，主要研究方向為智能表面，中繼網絡等B5G和6G物理層通信技術。

姜大潔：碩士畢業于北京郵電大學，現任職于vivo通信研究院，主要研究方向為B5G和6G移動通信技術。

秦飛：碩士畢業于電信科學技術研究院，自2001年開始從事3G、4G、5G系統關鍵技術研究和標準化工作，現任vivo通信研究院院長，主要研究方向為B5G和6G移動通信技術。