面向6G的可重構智能表面部署與應用思考

李南希，朱劍馳，郭婧，陳鵬

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

伴隨著通信系統的更替與發展，每一代通信系統都會孕育出具有時代特色的新型業務。十幾年前，當移動用戶歡喜于數兆比特每秒的上網速度時，可能難以想象現今遍地開花的戶外直播以及隨處可以享受到的高清觀影體驗。然而，回顧歷代通信系統的發展，似乎都以更高的用戶速率作為系統演進的主要驅動力，從3G時代的幾Mbit/s，到4G時代的1 Gbit/s，再到5G時代的20 Gbit/s，移動通信系統可提供的數據速率已經逐漸超前于業務需求。從目前來看，業界還沒有找到與5G大容量相匹配的殺手級應用，老生常談的8K高清視頻、增強現實/虛擬現實都難以給用戶耳目一新的觸動感。移動通信系統在邁向下一個臺階時，應該向何處邁步，成為了業界需要首先思考的重要問題。

在5G商用部署有序開展同時，全球各個國家相繼開展了6G的研究工作。2019年3月，在芬蘭舉辦的全球首屆6G峰會上，來自全球29個國家的通信專家共同討論并擬訂了6G白皮書《6G泛在無線智能的關鍵驅動因素與研究挑戰》[1]。緊隨其后，業界圍繞6G愿景、需求以及候選技術陸續發布6G相關白皮書，展開對6G時代的美好暢想[2-4]。雖然6G的雛形尚未形成，但從這些白皮書所描述的藍圖中，可以大致總結出業界對6G時代的愿景：構建全維度覆蓋的泛在智聯數字世界。根據這一愿景，首先要解決的是網絡全維度覆蓋問題。5G時代，解決大容量、廣覆蓋的代價是高額系統功耗帶來的龐大電費支出。據業界估計5G網絡的電費支出將為4G網絡的3～4倍左右，這將會為運營商的網絡運營帶來沉重的負擔。因此，在向6G網絡演進的過程中，如何解決低成本、低功耗的系統覆蓋及容量問題至關重要。

近年來，業界專家將目光聚焦在可重構智能表面（RIS, Reconfigurable Intelligent Surface）這一新興技術。一方面，RIS與傳統無線通信設備相比，具有低功耗、低成本、低實現復雜度等優勢，這恰好切合了6G網絡建設的痛點問題；另一方面，RIS為突破傳統無線信道的不確定性和不可控性提供了可能，同時也為無線信號的傳輸增加了全新的自由度[5-9]。

本文將以RIS的部署與應用為著眼點，結合RIS的潛在應用場景，具體分析RIS在部署與應用時所面臨的問題以及挑戰，揭示RIS技術在面向6G部署時需要著重關注的痛點問題。

1 RIS技術概述

RIS一般由大量的近無源電磁器件構成，每個電磁器件都可以對入射電磁波的相位進行控制。經由RIS反射或透射后，由于波的干涉作用，電磁波在不同的空間方向上的強弱疊加狀態會有所區別：在某些方向由于干涉相消，導致電磁信號能量的衰減；在某些方向由于干涉相長，導致電磁信號能量的增強。利用RIS的這種特性，可以根據電磁波的入射方向，有針對性地對電磁器件參數進行人為的調整，從而形成期望的電磁波圖樣，實現控制電磁波傳輸方向的目的。以RIS作為反射表面為例，其結構及反射波圖樣示意圖如圖1所示：

圖1 RIS及反射波圖樣示意圖

從技術原理上來看，RIS技術與波束賦型技術有很多相似的地方，它們都是利用波的干涉原理，通過對信號的相位（以及幅度）進行調整以形成期望的波束圖樣，從而提升無線信號傳輸的性能。RIS與波束賦形的不同在于：RIS只能在模擬域對無線信號進行調整，而波束賦形即包含了模擬域的處理，同時也包含了數字域的處理。雖然RIS不如波束賦形技術靈活，但它的成本和實現復雜度更低。

從部署的角度來看，RIS與中繼類似，它們都可以作為基站和用戶之間的中間節點。RIS與中繼的不同在于：RIS一般不包含射頻鏈路，也即RIS無法對信號進行解碼轉發或放大轉發。但也得益于此，RIS不會引入額外的熱噪聲。另外，由于RIS的輕量特性，使其可以很容易地被嵌入移動通信網絡中（比如外墻表面、路邊設施等），這使得RIS的部署更加靈活。

2 RIS潛在應用場景

目前，業界和學術界關于RIS的研究主要聚焦在兩個方面[5]，一是將RIS作為新型無線發射機，直接參與信號的調制和傳輸；二是將RIS作為無線傳輸的中繼節點，以反射面的形式改善無線信號的傳輸性能。

對于基于RIS的新型無線發射機，雖然學術界已有一些理論研究成果[10-11]，但其與現有發射機相比，在硬件器件和結構上都有較大差異。考慮到產品發展的延續性，這種新型無線發射機可能不會作為6G的主流產品出現。另外，現有的大規模MIMO系統的基站產品形態已相對穩定和成熟，產業化進程處于良性態勢，RIS很難打破現有產品的市場環境，異軍突起。從性能角度來看，由于RIS一般不包含射頻鏈路器件，系統的數據流數可能難以與現有MIMO系統匹敵，再加上基于RIS的高階信號調制方法也處于研究階段，所以RIS系統的容量可能很難在短期內達到現有MIMO系統的水平。結合上述分析來看，基于RIS的新型無線發射機可能不會成為6G時代RIS的主流應用方式，因此本節主要考慮將RIS作為無線傳輸中繼節點的應用方式，并分析其潛在的應用場景與部署方式。

2.1 室外場景

隨著低頻段頻譜資源的耗盡，6G系統需要向更高頻段開拓可用的頻譜資源。然而，高頻系統在無線信號覆蓋方面存在天然的短板，高頻信號的傳輸更容易受到物體遮擋而導致無線鏈路的中斷。如何解決無線網絡的覆蓋問題，一直是運營商所關注的重點。RIS憑借其輕量、靈活、低成本等天然優勢，很有可能會在6G網絡的室外覆蓋場景中發揮重要的作用。目前來看，RIS在室外場景的潛在應用包括：

（1）建立視距環境

行人、車輛的移動，甚至由于植被以及樹葉的生長，都有可能對高頻信號的傳輸產生遮擋，導致傳輸中斷。雖然3GPP NR標準中為高頻頻段專門制定了波束管理流程，其中就包含了針對路徑遮擋問題的波束恢復策略，但這無法從根本上解決遮擋問題。RIS技術的出現，為這一問題的有效解決帶來了轉機。通過在建筑外墻的合適位置部署RIS，可以人為地營造出基站到RIS、RIS到用戶的雙視距（LoS, Line of Sight）傳播環境，提升無線鏈路的魯棒性和可靠性，具體如圖2所示：

圖2 通過RIS建立視距環境

（2）弱覆蓋區域補盲

由于建筑、植被等環境因素的影響，移動通信網絡的覆蓋會呈現一定的不均勻性，可能會出現零星的弱覆蓋區域。這些弱覆蓋區域的面積可能很小，但是會導致部分用戶的通信業務無法正常進行，對用戶體驗造成不好的影響，比如共享單車停放區域的弱覆蓋、電子售貨機放置區域的弱覆蓋等。針對這些零星弱覆蓋區域，一方面，可能很難通過網絡優化或系統調參的方式解決；另一方面，通過增加布站的方式提升相應區域的覆蓋性能也不太現實。因此，需要尋找一種低成本、易實施的解決方案。而RIS正適合于解決該場景的覆蓋問題，通過RIS的部署，可以有針對性地將無線信號反射到相應弱覆蓋區域，提升其覆蓋性能。

（3）鄰區干擾抑制

通常來說，基站天面在部署時會進行一定的機械下傾，在保證本小區覆蓋的同時，對鄰區干擾進行一定的抑制。然而，小區邊緣用戶的覆蓋性能和鄰區干擾抑制始終存在一定的矛盾性。雖然NR系統引入了波束賦形技術，可以更好地平衡本小區信號和鄰區干擾的關系，但是邊緣用戶的性能仍然不是很理想，尚有很大的提升空間。通過RIS的部署，可以更好地解決邊緣用戶的鄰區干擾問題。舉例來說，可以在小區邊緣建筑表面部署RIS，通過信號反射取代信號直射，進一步抑制對鄰小區的干擾，如圖3所示：

圖3 通過RIS抑制鄰區干擾

2.2 室內場景

伴隨著新型應用的出現，各種類型的數據業務層出不窮，從最基本的語音、上網業務，到現在的視頻直播、AR/VR類業務，這些新型業務的出現不斷對移動通信網絡的性能提出更高要求。可以注意到，大部分的數據業務實際上都發生于室內，室內覆蓋已成為現在和未來的重要場景。

與室外通信場景相比，室內的通信環境更為簡單，通信距離更短，用戶移動性更低，但是無線傳輸面臨著更大的穿透損耗，以及更加嚴重的多徑問題。另外，由于建筑材料、家具表面的微小坑洼，室內反射主要以漫反射為主，信號能量散開在室內空間中，很難實現均勻的覆蓋。不同位置、不同房間的覆蓋性能可能存在較大差異，且難以控制。

從4G時代的無源室內分布式系統到5G時代的有源室內分布式系統，室分系統逐漸成為室內覆蓋的主流解決方案。然而，室分系統也存在一定的局限性：首先，室分系統的建設成本較高；其次，室分系統可能存在布線困難的問題，部分建筑不適合部署室分系統；最后，室分系統的建設可能涉及多個運營商，在運維、共建共享方面存在一定的困難。

RIS技術為室內覆蓋解決方案提供了一種新的思路。一方面，由于RIS本身由無源或近無源器件組成，且占用空間較小，可以打消人們對于電磁輻射的顧慮；另一方面，RIS易于部署在室內墻面上，不需要額外的布線，且可通過室內裝飾的方式呈現，不會有突兀的視覺觀感。通過在室內部署多個RIS，可以將室外基站信號反射到各個屋內，提升室內覆蓋性能。另外，RIS也可以很好地與其他室內覆蓋方案相結合，作為室內覆蓋增強方案的額外補充。

3 RIS部署與應用思考

得益于RIS的輕量化特點，其在部署上存在很大的靈活性，可以部署于建筑物的表面、路邊設施表面等。當RIS應用于移動通信網絡中時，需根據RIS對網絡側和終端側的透明程度來決定其具體的應用方式，具體可分為全透明RIS、半透明RIS和非透明RIS。

3.1 全透明RIS

全透明RIS指其對于網絡側和終端側都是透明的，即基站和終端都不需要感知RIS。此時，RIS的部署不會引入額外的控制信令開銷，不會影響基站和終端的特性，也不作為網絡的中間節點。在設計方面，全透明RIS不需要實時動態地調整其反射波束圖樣，可采用預配置的方式設定若干種波束圖樣，在部署時結合實際需求選擇某種預配置圖樣。在成本方面，全透明RIS不需要數字處理模塊，因此實現成本較低。在應用方面，全透明RIS適合于小區級的部署，可用于弱覆蓋區域補盲、特定區域的覆蓋提升等，此時RIS只需要將無線信號反射到指定的區域即可，不需要精細的反射波束控制。

全透明RIS與建筑物、植被等一樣，都是無線通信環境中的一部分，其差異在于，經由RIS反射的無線信號在一定程度上是可控的，可以具有一定的方向性。全透明RIS宜采用靜態的配置方式，配置好反射波束圖樣后一般不再調整。因此，全透明RIS對無線通信環境的干涉有限，只能粗粒度地調整無線信號的覆蓋，無法實現用戶級的信號增強。

3.2 半透明RIS

半透明RIS指其對于網絡側和終端側的某一側透明。考慮到終端的實現成本與復雜度，本節只考慮RIS在終端側透明，在網絡側不透明的情況。對于半透明RIS，基站可以通過特定的控制信號主動調整RIS的整體電磁單元響應，從而生成需要的反射波束圖樣。在RIS和用戶間的信道測量方面，由于用戶終端無法感知RIS，所以用戶只能對基站到RIS與RIS到用戶的級聯信道下的參考信號進行測量、反饋，至于基站如何對用戶反饋的信道信息進行處理與利用，則需要更進一步的研究。在設計方面，半透明RIS可以根據基站的控制，動態地對反射波束圖樣進行調整。考慮到布線的成本及施工難度，RIS和基站之間的信號傳輸更適宜于采用無線的方式。因此，基站很難實現對RIS上每個電磁單元單獨的進行控制，一種可行的方式是基站將期望的反射波束的角度信息傳輸給RIS，由RIS自行生成相應的波束圖樣；另一種方式是基站采用波束訓練的方式，將期望的波束索引號傳輸給RIS，再由RIS生成相應的波束圖樣，具體如圖4所示。在成本方面，半透明RIS可能需要數字處理模塊對基站發送的控制信號進行解調，同時可能需要增加供電模塊，因此其成本較全透明RIS可能會高出很多。在應用方面，半透明RIS同時適用于小區級部署以及用戶級的信號增強。

圖4 通過RIS輔助的波束訓練過程示意圖

半透明RIS可以更好地對無線信道環境進行調整，改善基站與用戶間的信道狀況。半透明RIS可采用動態配置的方式，結合基站的控制，動態生成期望的反射波束圖樣，實現更精細化的波束，提升無線信號的傳輸質量。半透明RIS對通信系統的影響主要體現在網絡側，不會影響終端的實現復雜度。

3.3 非透明RIS

非透明RIS指其對于網絡側和終端側都是不透明的，此時RIS作為移動通信網絡中的一個非透明的中間節點參與無線信號的傳輸過程，其與非透明中繼在網絡架構中的地位類似，區別在于：①RIS與解碼轉發中繼相比，它無需對用戶的數據信號進行解調，因此RIS不需要很強的數字處理能力；②RIS與放大轉發中繼相比，它在反射信號時不會引入額外的噪聲，并且可以將能量聚焦，提升傳輸性能。非透明RIS與半透明RIS也有一定的區別，具體在于：非透明RIS可能需要具備自主向用戶發送特定的參考信號的能力，以便于信道測量。雖然這里說是自主，但實際上相應的時頻資源等傳輸信息還是需要由基站配置，否則用戶無法知道應該如何對相應的參考信號進行測量。然而，在實際應用中是否允許RIS自主發送參考信號還有待研究與評估。

除此之外，從多用戶傳輸的角度考慮，RIS實際上是不知道各個用戶信號實際的物理資源位置的，除非RIS能夠知道基站的調度過程。因此，RIS無法自主地知道應該在何時將反射波束調整成何種圖樣，也即RIS對波束圖樣的調整，很大可能還是依賴于基站的控制，無法實現自主控制。

非透明RIS與非透明中繼不同，它的具體優勢與應用還有待更進一步的研究，目前很難給出定論。但可以預見的是，非透明RIS可以更好地掌握基站與RIS間以及RIS與用戶間的信道狀況，如果妥善地加以利用，可以更好地對級聯信道進行精細化調整，提升上、下行信號質量。另外，非透明RIS在設計上需要著重考慮其實現成本，如果成本過高，則將很難應用于未來的6G移動通信網絡。

3.4 RIS應用的其他思考

本節主要列出一些RIS在應用時可能面臨的具體問題，主要包括：RIS的方向性、RIS對不同運營商網絡的影響。

（1）RIS的方向性

RIS在面向6G的應用中，需要考慮傳輸的方向性，結合前文對RIS應用場景的分析，在上行和下行傳輸中可能都需要RIS的輔助。一方面，用戶終端的發射功率相比基站的發射功率要小很多，上行信道往往是覆蓋瓶頸，所以上行傳輸對于RIS的需求更高；另一方面，對于視距阻擋、弱覆蓋、鄰區干擾抑制等應用場景，下行傳輸也需要RIS的輔助。因此，在RIS的反射圖樣設計方面，需要同時考慮上、下行反射圖樣的需求。另外，還需要考慮上、下行反射圖樣的切換問題。如何保證RIS在上、下行兩個方向上都可以有效地工作，是未來的研究重點。

（2）RIS對不同運營商網絡的影響

不同運營商對RIS的部署需求可能存在不一致性，一個運營商部署RIS后也可能會對同區域內其他運營商的網絡性能帶來影響。對于全透明RIS，這種影響是靜態的；而對于半透明或非透明RIS，這種影響則是動態變化的，相當于引入了新的信道時變特性。當RIS在網絡中大規模部署時，如果不同運營商分別對各自的RIS進行調整，可能會產生一定的相互影響，使得傳輸性能無法達到預期。一種可能的解決方案是限制RIS電磁單元的工作頻段，使其只能實現特定頻帶內信號的相位調整，但是這個取決于器件材料特性，有待進一步研究。在RIS部署前，首先需要評估其對于不同運營商網絡的影響，如何避免這一影響，將成為RIS部署的一個痛點問題。

4 結束語

本文基于RIS的技術原理以及潛在應用場景，對其在6G網絡中的部署及應用進行了分析，著重探討了全透明RIS、半透明RIS和非透明RIS在設計、成本以及應用等各個方面的特性和可能面臨的問題。除此之外，本文對RIS傳輸的方向性以及其對不同運營商網絡的影響進行了分析，闡明了相關研究重點及需要關注的痛點問題。希望本文的分析可以起到拋磚引玉的作用，為RIS的研究與發展提供一些參考，協同促進相關產業的發展。