智能反射表面與無線中繼應用探討

［董明洋 李鵬翔］

1 引言

隨著移動通信對傳輸速率、網絡容量等指標的需求越來越高，傳統6 GHz 以下的頻段資源已難以滿足需求，人們自然而然的將目光投向更高頻率的毫米波頻段。毫米波及更高頻段擁有大量頻譜資源，可以大幅提高用戶吞吐量和系統容量。但是由于頻率太高，相比傳統中低頻段在應用中有諸多不足之處。其中最主要的缺陷之一就是高頻段傳播損耗大、穿透損耗高、繞射能力弱，導致容易產生盲區、覆蓋受限。為了解決高頻無線通信這一固有缺陷，智能反射表面作為一種低成本、低功耗、易部署的新技術，能夠主動改善無線信道環境，開始引起業界的重視[1][2]。

2 智能反射表面簡述

智能反射表面屬于可重構智能表面的一支，主要應用于電磁波反射方面，強調對饋入電磁波的反射調節能力[3]。它通常通過調控入射電磁波束的幅度、相位、極化等電磁特性來獲得在一定程度上定制化的反射波束。經過調控的反射波束方向將可以在一定范圍內調節，甚至入射波束、法線、反射波束可以不在同一平面上，由此使得智能反射表面能夠實現類似無線中繼的能力。

智能反射表面通常由反射超表面和控制器組成。反射超表面通常可分為三層結構，分別是陣列單元層、反射背板層、控制電路層[4]。陣列單元層作為超表面的核心部分，其中的陣列單元由超材料和可調元件集成，通常尺度遠小于工作波長，并按一定規律在超表面上密集排布，能對電磁波的電磁特性進行調控，由可調元件部分的狀態來決定陣列單元的響應特性；反射背板層通常是一層金屬或介質板，保證電磁波在反射過程中盡可能地減少能量損耗；控制電路層與可調元件形成電路連接，在控制器的指令下，負責改變可調元件部分的狀態。除了這些基本構成之外，智能反射表面出于一些額外的功能需要，如與基站進行通信、向用戶發送參考信號等，可能會附加相應的工作模塊。

3 智能反射表面的優勢與挑戰

將智能反射表面應用于高頻無線中繼，能夠有效改善高頻無線通信覆蓋受限的缺陷。與傳統無線中繼方式相比，智能反射表面有一些明顯優勢[1][2][3]：

（1）成本較低。傳統無線中繼設備需要接收與發射能力，相比之下智能反射表面設備無射頻、處理等部分，實現復雜度較低，成本更低。

（2）功耗低。智能反射表面無功率放大能力，通常僅需要維持控制電路和表面上反射單元激活態，功耗相比傳統無線中繼要低很多。在高頻無線通信中，中繼節點仍需要高功耗的有源大規模天線陣列，而準無源的智能反射面在功耗方面有很大的優勢。

（3）部署靈活。智能反射表面除了其本身面板外，幾乎不需其他額外設備輔助（如處理單元、散熱設備等等），可掛載于樓宇等建筑物表面。與可能需要機房的傳統無線中繼相比，尋址和部署難度大大降低。另外，智能反射表面設備可以以小型面板為基本單元進行組合，具有易擴展性，能夠根據實際部署條件和需求，靈活選擇部署規模。

（4）幾乎不會引入額外時延和熱噪聲。傳統無線中繼會增加一次接收、處理和重新發送的流程，在這個過程中產生的處理時延、熱噪聲難以避免。對于智能反射表面而言，只是直接將電磁波進行反射，幾乎不增加任何時延，也不會引入熱噪聲。

智能反射表面提供了一種解決高頻通信覆蓋受限問題的新范式，然而其在高頻無線通信中的應用也面臨著不少問題和挑戰[2]：

（1）高頻智能反射表面還不夠成熟、帶寬受限。超材料和可調元件實際上對不同頻率的電磁波形成的響應有一定程度的差別，為了獲得對目標工作頻段更好的頻響特性，通常會以此來定制智能反射表面。目前高頻（毫米波高頻段）智能反射表面受限于工藝、材料等因素，成本、功耗還不夠理想。同時，在高頻段較大帶寬的情況下，智能反射表面的頻響特性難以在整個工作帶寬上保持完全一致，使得其有效工作帶寬受到限制。

（2）多頻段混合組網下對鄰近頻段會產生一定的影響。雖然智能反射表面有效工作頻段受限，但是其并非是一個嚴格的帶通濾波器，對相鄰較近的頻段仍然會進行響應，產生反射效應，由此對鄰近頻段的無線傳播環境也會產生影響。在實際部署應用中，需要重新評估這一不利因素，以盡量降低其不利影響。

（3）信道估計方法需要更新[1][3][5]。對于存在智能反射表面反射環節的傳播路徑而言，除了可能存在的直射徑信道，非直射徑信道由基站-智能反射表面、智能反射表面-終端兩部分級聯而成。其中基站-智能反射表面段信道相對穩定，而智能反射表面-終端段信道相對動態。按照傳統的信道估計和反饋上報方法，基站只能得到一個端到端信道的總體情況，不利于快速調節智能反射面來改善非直射徑信道狀況。

（4）接口協議尚未確定。目前智能反射表面還仍處于研究階段，相關標準、協議還未制定。在確定統一的接口協議之前，智能反射表面應用只能對基站側、用戶側雙向都“透明”，即二者對環境中的智能反射表面均無感知。這使得智能反射表面的應用受到很大限制，僅僅作為對無線環境的改善應用。

（5）動態調控能力尚且不足。雖然稱為“智能”，但是目前受限于陣列單元層的重配置計算所需時間、控制信息接收處理時間、可調元件部分的狀態遷移時間等，到實現真正意義上的實時動態調控還有一定距離。目前的智能反射表面還比較依賴預配置的優化來達到更好的性能表現，缺乏動態調控能力。

（6）能力與功耗、部署條件之間的矛盾。對于無附加工作模塊的智能反射表面而言，其功耗最低、最易部署，同時能力也最受限。例如，若沒有與基站之間聯系的通信模塊，則智能反射表面將僅保持靜態部署。但是額外的工作模塊會增加功耗，增大部署難度。同時，更大規模的智能反射表面也會顯著增加部署難度，需要考慮更多工程上的因素，如結構強度、供電等。

4 應用建議

盡管智能反射表面作為一項新技術仍然還有許多需要完善和進一步研究之處，但是其目前展現出的優勢與特點已經具有較高的應用價值。本章將主要從覆蓋補充和多鏈路增強兩個方向來探討智能反射表面在未來高頻無線通信中的應用場景[6]。

4.1 覆蓋補充

對于毫米波及更高頻段，其透射能力弱、易受遮擋的特性使得其在真實環境中容易產生覆蓋盲區，對于和低頻共址部署的情況尤甚。在合適的位置部署智能反射表面，為原本的覆蓋盲區創造一條無遮擋的非直射徑，將顯著提高盲區的接收信號強度[7]。

（1）城區室外熱點區域補盲。在室外建筑密集區域，多形成街區峽谷模型形態，如圖1 所示，不利于毫米波覆蓋。智能反射表面可以在街角或路口的建筑物上外掛，也可以與路燈、站牌等進行整合，保證基站和智能反射表面、智能反射表面和目標區域用戶之間盡量沒有遮擋。通過智能反射表面的覆蓋補充，能夠以較低成本有效增強毫米波的室外覆蓋能力。

圖1 城區室外熱點區域補盲示例

（2）室外到室內增強。對于一些較易穿透的室內場景，如半開放大廳、廊道等，可以于室外較近處或室內較強信號接收點設置智能反射表面，對信號進行一次重定向，使得室外不太容易射入室內的信號能夠對室內進行覆蓋。這種場景下的覆蓋，也有透射型智能表面、室分系統等其他可能更好的解決方案，應根據實際情況具體分析。

4.2 多鏈路增強

對于存在直射徑的情況，也可以通過部署智能反射表面，增加新的鏈路，將終端的多個天線面板利用起來[8]，提升通信的容量或可靠性。

（1）室內熱點區域增強。對于室內場景，終端位置、方向與人體遮擋都會在一定程度上影響信號強度。通過在室內墻壁上部署智能反射表面，對終端形成兩個甚至多個方向的波束，如圖2 所示，使得終端總能夠選取信號最強的一個波束或合并接收，也可以通過多鏈路進行多流傳輸，從而提高單個室內節點的容量和覆蓋性能。

圖2 室內熱點區域增強示例

（2）道路車聯網場景。當車輛通過高頻電磁波進行通信和感知交互時，非鄰接車輛間的通信容易受阻，直射徑不穩定存在。通過在道路兩側的建筑物、路燈、指示牌等位置部署智能反射表面，增加一條無遮擋的非直射徑，可以保障目標車輛和附近車輛間通信的可靠性，同時也可增強其與更遠處車輛的通信能力。另外，增加的非直射徑還能夠增強車輛的感知定位能力。

5 結語

智能反射表面以其低成本、低功耗、部署靈活和幾乎不引入額外時延和熱噪聲的優點，以及其改善高頻無線通信環境的能力，備受業界所期待。無線中繼作為一個較為明確的智能反射表面應用方向之一，仍然還有不少難題和挑戰有待攻克。本文指出了一些目前限制智能反射表面應用的具體問題，并探討了未來的應用場景。隨著研究的進一步深入，相信這些問題將有望得到妥善解決，未來智能反射表面應用將更加廣泛。