基于智能超表面的毫米波覆蓋增強技術研究

劉秋妍 呂 軒 李佳俊 張忠皓

1 中國聯通研究院 北京 100048

2 中國聯合網絡通信有限公司北京分公司 北京 100031

3 中國聯通華盛通信有限公司 北京 100031

引言

隨著以“5+A B C D E”(第五代移動通信5thGeneration、人工智能Artificial Intelligence、區塊鏈Blockchain、云計算Cloud Computing、數據挖掘Data Mining、邊緣計算Edge Computing)為代表的信息技術飛速發展，各行各業在從勞動密集型向技術密集型和資本密集型轉變的過程中，逐漸跨越通過自動化設備替代手動操作的階段后，對以技術變革推動社會經濟轉型的需求愈發強烈，期望以全網統一管控協同調度替代單點工作，以資源池化共享顛覆孤島資源，以核心能力邊緣下沉彌補遠端能力與邊緣業務需求之間的鴻溝，以數據分析將現實世界刻畫到虛擬世界，以人工智能提升輔助增強決策分析的智能化水平，以分布式存儲共識提供基于網絡的信任互聯。數據、信息、網絡、平臺能力已經成為新時期企業的核心競爭力，以信息網絡建設、信息技術應用、信息產品與服務、信息化人力資源和信息化發展水平等方面測算出來的國家信息化水平已經成為信息時代的“國家智商”。以5G為代表的信息技術將全面滲透到各行各業，移動新業務對通信帶寬和通信速率的需求也急速提升，充足的頻帶資源是保障更高速率的必要條件。然而目前6GHz以下的頻譜資源已經分配殆盡，很難再找到連續的大帶寬頻譜來支撐移動通信的超高數據傳輸速率，而毫米波頻段有豐富的帶寬資源，可以極大地提高通信速率，向毫米波頻段演進已經成為后5G(Beyond 5G，B5G)和未來6G移動通信網絡演進的必然趨勢[1-3]。

1 毫米波頻段特性與覆蓋困境

毫米波(30GHz～300GHz)為代表的高頻通信是未來移動通信網絡發展的重要趨勢。但是，高頻信號最明顯的特征就是路徑損耗較大、小區半徑較小，并且受障礙物遮擋、雨雪天氣、環境吸收等的影響非常大[4-6]。依據3GPP38.901無線信道損耗模型，同等條件下28GHz毫米波信號的路徑傳輸損耗比3.5GHz信號的路徑損耗增大約18dB，在穿透損耗方面，毫米波穿透損耗3GPP理論值及測試值如表1所示。

對比表1可見，對于低頻毫米波信號而言，混凝土和紅外反射玻璃材質的障礙物幾乎無法穿透，樹葉、人體、車體等障礙物對低頻毫米波信號的穿透損耗均在10dB以上，導致覆蓋范圍內的大部分區域通信質量從良好變得非常差，只有在普通玻璃和木門等少數材質障礙物條件下，低頻毫米波信號的穿透損耗可能會大于5dB小于10dB，仍然會導致覆蓋范圍內的大部分區域通信質量嚴重下降。而對于高頻毫米波和太赫茲頻段，所有的障礙物都會對無線信號造成至少幾十dB的傳播損耗，幾乎所有的通信都無法保障。在實際的無線通信環境中，人體、墻體等障礙物遮擋是無法避免的，因此，如何克服障礙物遮擋是高頻通信亟待解決的關鍵問題。

表1 高頻信號穿透損耗3GPP理論值及中國聯通實測值

2 智能超表面技術原理

智能超表面技術是一種基于超材料發展起來的新技術，也可以看作是超材料在移動通信領域的跨學科應用。智能超表面在超材料的基礎上增加控制電路，如圖1所示，一個智能超表面材料由大量智能超表面單元組成，智能超表面單元的幾何結構、尺寸大小和排列方式決定了的基礎電磁特性，通過基于FPGA可編程邏輯門等可編程控制電路影響超材料的電磁特性，例如施加在變容二極管上的電壓或施加在光敏元件上的光強，可以動態地控制這些智能超材料單元的電磁性質，比如單元的反射系數和透射系數，進而改變反射信號或透射信號的幅度、相位、頻率甚至極化特性[7-10]。

圖1 智能超表面單元結構示意圖

3 基于智能超表面的毫米波覆蓋增強解決方案

3.1 基于RIS的毫米波室外覆蓋增強解決方案

1)盲區增強覆蓋方案

在毫米波非視距傳輸場景，由于無線信道受障礙物遮擋等原因，造成毫米波小區出現覆蓋盲區，位于覆蓋盲區的移動終端無法正常通信。基于RIS的毫米波覆蓋增強方案，如圖2所示，在毫米波傳播空間內部署智能超反射表面及控制單元，按需動態構造非視距反射路徑，并以視距反射信道替代非視距直射信道，調整毫米波波束方向，實現毫米波通信虛擬視距傳輸，有效解決毫米波通信非視距傳輸損耗較大的問題。

圖2 基于RIS的毫米波盲區覆蓋增強方案

2)小區覆蓋半徑增強方案

由于同等條件下毫米波信號的路徑傳輸損耗比3.5GHz信號的路徑損耗大很多，因此，毫米波小區覆蓋半徑比3.5G小區覆蓋半徑要小很多。為了擴展毫米波小區覆蓋半徑，在毫米波傳播空間內部署智能超反射表面及控制單元，調整毫米波波束方向，實現基于RIS的中繼傳輸模式，提升毫米波小區覆蓋范圍，如圖3所示。相比于部署中繼基站的小區半徑增強方案，基于RIS的中繼傳輸方案網絡建設成本更低，能量消耗更小，網絡運營成本更低。

圖3 基于RIS的毫米波小區覆蓋半徑增強方案

3)吞吐量增強方案

除了覆蓋增強和補盲兩種毫米波增強方案之外，智能超表面還可以用于吞吐量增強的場景，如圖4所示。通過在毫米波傳播空間內部署智能超反射表面及控制單元，按需改變智能超反射表面的反射特性，控制高頻信號經過智能超反射表面后的幅度、相位、頻率甚至極化特性，在毫米波傳播空間按需動態構造反射路徑，構造信道相關性較低且有效徑更多的無線傳播環境，有利于毫米波終端應用多天線技術獲得更高的性能增益。

圖4 基于RIS的吞吐量增強方案

4)邊緣用戶干擾協調增強方案

為了改善小區邊緣用戶性能，基于RIS的邊緣用戶增強方案通過在相鄰小區覆蓋邊緣部署智能超反射表面及控制單元，按需改變智能超反射表面的反射特性，控制高頻信號經過智能超反射表面后的幅度、相位、頻率甚至極化特性，為小區邊緣用戶構造來自兩個相鄰基站的發射路徑，結合多小區干擾協調等技術，改善邊緣用戶網絡質量，如圖5所示。

圖5 基于RIS的邊緣用戶干擾協調增強方案

3.2 基于RIS的毫米波室外覆蓋增強解決方案

1)基于光電轉換的毫米波室內覆蓋方案

基于光電轉換的毫米波室內覆蓋方案的目標是針對室外毫米波信號如何轉換成室分信號這一問題而設計的。如圖6所示，該方案通過在建筑物樓頂部署毫米波接收機和毫米波電光轉換模塊，將接收到的來自室外基站的毫米波信號轉換為光信號，并通過光纖入戶方案，通過室內部署光電轉換模塊，將光信號解調為毫米波信號，實現室內覆蓋。該覆蓋方案具有傳輸帶寬大、信道質量穩定等優點，但是需要針對毫米波頻段開發光電/電光轉換模塊。

圖6 基于光電轉換的毫米波室內覆蓋方案

2)基于RIS透射增強的毫米波室內覆蓋方案

基于RIS透射增強的毫米波室內覆蓋方案將具有透射增強能力的毫米波智能超反射表面部署在門窗玻璃上，替代傳統的門窗玻璃，如圖7所示。通過控制單元按需改變智能超表面的毫米波透射特性，控制毫米波信號經過智能超表面后的幅度、相位、頻率甚至極化特性，降低室外毫米波信號覆蓋室內場景引入的穿透損耗。

圖7 基于RIS透射增強的毫米波室內覆蓋方案

3)基于RIS的毫米波室內盲區覆蓋增強方案

與毫米波室外覆蓋相似，毫米波室內覆蓋同樣面臨障礙物遮擋損耗嚴重的問題，基于RIS的毫米波室內覆蓋增強方案，如圖8所示，在室內環境中部署智能超反射表面及控制單元，按需動態構造非視距反射路徑，并以視距反射信道替代非視距直射信道，調整毫米波波束方向，實現毫米波通信虛擬視距傳輸，有效解決毫米波通信非視距傳輸損耗較大的問題。

圖8 基于RIS的毫米波室內盲區覆蓋增強方案

4 結論

針對毫米波路徑損耗較大、受障礙物遮擋影響明顯等問題，本文面向毫米波室外盲區覆蓋增強、小區半徑增強、吞吐增強、干擾協調等場景需求及毫米波室內覆蓋盲區和多層覆蓋等場景，提出不同典型場景下基于智能超表面的毫米波覆蓋增強方案，通過在毫米波信號傳播空間部署智能超反射/透射表面及控制單元，按需動態構造視距反射路徑，以非視距反射信道替代受障礙物遮擋的視距信道，有效提升毫米波信號覆蓋質量。