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【訊】(記者 黨博文)隨著5G系統(tǒng)的大規(guī)模商用，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界紛紛啟動(dòng)了6G技術(shù)的研究工作，新一輪科技競(jìng)賽已經(jīng)啟動(dòng)。

日前，中信科移動(dòng)成功實(shí)現(xiàn)了智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)替代傳統(tǒng)的相控陣天線、實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。

【資料圖】

那么，究竟什么是智能超表面技術(shù)?這一技術(shù)的成功落地又影響什么?

“減負(fù)”無線網(wǎng)絡(luò)部署難題

無線網(wǎng)絡(luò)容量需求的持續(xù)快速增長(zhǎng)，讓無處不在的無線連接已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)容量需求的不斷提升，高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成為未來無線網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵問題。

長(zhǎng)期以來，受限于材料相對(duì)固定的電磁參數(shù)，人們對(duì)電磁波的控制力僅局限于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，然而，智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)技術(shù)是一種具有可編程電磁特性的人工電磁表面結(jié)構(gòu)，它包含大量獨(dú)立的低成本無源亞波長(zhǎng)諧振單元。每個(gè)RIS單元具備獨(dú)立的電磁波調(diào)控能力，可以通過改變RIS單元的參數(shù)、空間分布等來控制每個(gè)單元對(duì)無線信號(hào)的響應(yīng)，例如相位、幅度、極化等。通過大量RIS單元的無線響應(yīng)信號(hào)的互相疊加，在宏觀上形成特定的波束傳播特征，從而形成靈活可控的賦形波束。

簡(jiǎn)單理解來看，智能超表面能夠靈活操控信道環(huán)境中的電磁特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以可編程的方式對(duì)空間電磁波進(jìn)行主動(dòng)的智能調(diào)控，同時(shí)，作為超材料的二維實(shí)現(xiàn)，RIS天然具有低成本、低能耗和易部署的特性，可用于解決未來無線網(wǎng)絡(luò)面臨的諸多問題。

作為多天線技術(shù)的一種擴(kuò)展，智能超表面技術(shù)近年來受到了業(yè)界越來越高的關(guān)注，并引發(fā)了針對(duì)相關(guān)技術(shù)理論及應(yīng)用方案的深入研究與廣泛探索。

據(jù)悉，從2020年開始，中國(guó)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合，開展了一系列RIS產(chǎn)業(yè)推進(jìn)活動(dòng)，極大地促進(jìn)了RIS的技術(shù)研究與工程化進(jìn)程。其中，2020年6月，IMT-2030(6G)推進(jìn)組無線技術(shù)組成立了“RIS任務(wù)組”。同年9月，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)TC5 WG6成立“RIS研究項(xiàng)目”。2021年9月17日，IMT-2030 (6G)推進(jìn)組在6G研討會(huì)RIS分論壇上正式發(fā)布業(yè)界首個(gè)《智能超表面技術(shù)研究報(bào)告》。2022年4月7日，智能超表面技術(shù)聯(lián)盟(RISTA)暨第一屆會(huì)員大會(huì)在北京召開，這標(biāo)志著智能超表面技術(shù)聯(lián)盟正式成立。在這之中，作為設(shè)備商的代表，中信科移動(dòng)較早啟動(dòng)了RIS技術(shù)的研究工作，參與了ITU、CCSA、IMT-2030(6G)推進(jìn)組等研究和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的相關(guān)推進(jìn)工作，2022年還參與了IMT-2030(6G)推進(jìn)組智能超表面技術(shù)測(cè)試工作，積極推動(dòng)相關(guān)技術(shù)走深向?qū)崱?/p>

本次成功實(shí)現(xiàn)的智能超表面替代傳統(tǒng)的相控陣天線、實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，通過毫米波基站，基于智能超表面的大規(guī)模天線陣列構(gòu)建靈活多流波束賦形發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)多流波束賦形高效傳輸，在業(yè)界首次實(shí)現(xiàn)了RIS作為基站發(fā)射機(jī)天線陣列場(chǎng)景，毫米波手持終端接入的技術(shù)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)地測(cè)試，這一系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)多流數(shù)據(jù)傳輸，手持終端單用戶下行數(shù)據(jù)速率可達(dá)5Gbps以上，頻譜效率達(dá)到8.4bps/Hz，體現(xiàn)了良好的性能。

而這一驗(yàn)證結(jié)果也初步展現(xiàn)了未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中智能超表面技術(shù)在支持多天線維度擴(kuò)展及傳輸能力提升方面的巨大潛能，為大規(guī)模天線系統(tǒng)的低成本、低功耗與輕量化發(fā)展指引了新的方向，為天線規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大、性能的進(jìn)一步增強(qiáng)以及向著更多應(yīng)用領(lǐng)域的拓展奠定了基礎(chǔ)。

“破局”應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)壁壘

無疑，5G作為新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展方向，承載著數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵支撐，當(dāng)前，我國(guó)正積極開展5G融合應(yīng)用探索，而應(yīng)用的背后，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求持續(xù)凸顯。

當(dāng)前，大規(guī)模天線技術(shù)作為提升頻譜效率的重要手段，已經(jīng)在5G網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，然而，隨著天線數(shù)目的不斷增大，單基站成本、功耗、體積重量等約束條件對(duì)于超大規(guī)模天線應(yīng)用帶來明顯制約，使得更大規(guī)模天線應(yīng)用受到很多的限制。

記者了解到，相比于傳統(tǒng)的有源天線陣列，RIS具備低成本、低能耗，并且可編程、易部署、以更大天線規(guī)模取得高賦形增益等特點(diǎn)，可以被用來增強(qiáng)覆蓋、提高吞吐量、提升能效等，同時(shí)，將RIS用在發(fā)射機(jī)，可以更低的成本與能耗實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模天線陣列，可實(shí)現(xiàn)更靈活波束賦形，更大的波束掃描角度，簡(jiǎn)化發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，特別適宜用在中繼補(bǔ)盲，拓展覆蓋范圍。

具體來看，在車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，依托RIS輕量級(jí)、小型化、低成本、高效能的特性，可以解決車與車之間或車與基站之間的信號(hào)阻塞問題，保障車輛間的動(dòng)態(tài)通信，提升車輛的覆蓋范圍，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了新的解決思路與可行方法，也極大促進(jìn)了RIS在無人機(jī)、通信中的應(yīng)用與發(fā)展;無人機(jī)、衛(wèi)星場(chǎng)景，RIS可以極大減輕的天線陣列自重，減小陣列體積，更易于拓展陣列規(guī)模以獲得更高的陣列增益，也可以實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制;綠色節(jié)能上，將RIS用于能量收集與傳輸，一方面可以解決RIS自身的能量供給問題，另一方面可以通過RIS反射射頻能量來為目標(biāo)用戶提供能量供給，這為綠色通信提供了新的解決思路與可行方法。

目前，業(yè)界大部分的研究主要集中在中繼型智能超表面技術(shù)的探索和應(yīng)用研究，大部分場(chǎng)景主要應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)的中繼補(bǔ)盲，實(shí)現(xiàn)覆蓋的擴(kuò)展，包括非視距場(chǎng)景增強(qiáng)、解決局部空洞、支持邊緣用戶等，還有部分在研究基于RIS的高精度定位與感知。

但是，中繼型智能超表面技術(shù)仍然存在級(jí)聯(lián)信道信息獲取困難，需要大面積的RIS陣列來保證接收信號(hào)能量、無源RIS無法實(shí)現(xiàn)高效波束跟蹤、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的互干擾等技術(shù)亟待突破。

值得一提的是，目前中國(guó)在RIS的材料工藝、理論研究、實(shí)現(xiàn)算法及工程試驗(yàn)等方面做出了重大貢獻(xiàn)，而作為未來通信關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)極具潛力的方向，RIS有機(jī)會(huì)在5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)中提前落地，并可能在未來6G網(wǎng)絡(luò)中使能智能無線環(huán)境，進(jìn)而帶來全新的網(wǎng)絡(luò)范式。

劍指全新網(wǎng)絡(luò)范式

當(dāng)前，6G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究及技術(shù)驗(yàn)證吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。事實(shí)上，當(dāng)我們?cè)谟懻?G技術(shù)和6G技術(shù)時(shí)，如何界定6G技術(shù)和5G技術(shù)的范疇是一個(gè)很重要的問題。

記者了解到，高頻毫米波是5G-Advanced和6G潛在工作頻段。高頻信號(hào)存在路徑損耗較大，小區(qū)半徑較小，受障礙物遮擋、雨雪天氣、環(huán)境吸收影響大等缺點(diǎn)，使得應(yīng)用場(chǎng)景上存在較大的限制。通過智能超表面技術(shù)，可以使得毫米波應(yīng)用場(chǎng)景取得較大的改善。

一方面可在基站和終端用戶之間部署智能超表面設(shè)備，通過中繼型智能超表面能夠在視距通信不可達(dá)或信號(hào)質(zhì)量較差的盲區(qū)或小區(qū)邊緣，按需動(dòng)態(tài)建立非視距鏈路，從而提升網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋質(zhì)量，減少覆蓋盲區(qū);但是，中繼型智能超表面技術(shù)仍然存在級(jí)聯(lián)信道信息獲取困難，需要大面積的RIS陣列來保證接收信號(hào)能量、無源RIS無法實(shí)現(xiàn)高效波束跟蹤等技術(shù)亟待突破。

另一方面，將RIS作為發(fā)射機(jī)，和傳統(tǒng)天線陣列相比，利用RIS構(gòu)建了規(guī)模更大的天線陣列形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)毫米波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更大覆蓋和更高容量。在索士強(qiáng)看來，隨著智能超表面技術(shù)的新型天線陣列技術(shù)成熟，也可能用于5G-Advanced系統(tǒng)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)6G技術(shù)的5G化應(yīng)用。

目前，除了基于智能超表面的大規(guī)模天線多流傳輸發(fā)射機(jī)方案測(cè)試驗(yàn)證之外，為了配合IMT-2030(6G)推進(jìn)組智能超表面技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證工作，中信科移動(dòng)還開展了針對(duì)智能超表面輻射特性與非視距(NLOS)場(chǎng)景及補(bǔ)盲方案等項(xiàng)目的測(cè)試，檢驗(yàn)了智能超表面的關(guān)鍵性能指標(biāo)，并驗(yàn)證了智能超表面作為中繼的覆蓋補(bǔ)充效果。

需要指出的是，在RIS推進(jìn)中，仍存在涉及理論模型、應(yīng)用技術(shù)、工程化研究等方面挑戰(zhàn)。首先，理論模型的刻畫上，雖業(yè)界已有一些積累，但后續(xù)還需在電磁調(diào)控物理機(jī)理、電磁信息學(xué)、信道模型等方面進(jìn)一步深入探索，以盡快構(gòu)建完善的理論體系，同時(shí)，RIS是材料科學(xué)、電磁學(xué)、信息與電子學(xué)、通信工程等多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，需要多學(xué)科協(xié)同推進(jìn)。

無疑，本次智能超表面技術(shù)的推進(jìn)，驗(yàn)證了智能超表面陣列作為基站發(fā)射機(jī)天線陣列構(gòu)建靈活多流波束賦形的技術(shù)可行性，拓寬了智能超表面的應(yīng)用場(chǎng)景，有助于加快智能超表面技術(shù)的落地和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，未來，隨著超材料天線的應(yīng)用推廣，智能超表面設(shè)備形態(tài)將更加豐富多樣，而低成本、低功耗、易部署的智能超表面設(shè)備將成為基站提供有效的補(bǔ)充和延伸。