智能超表面（RIS）实用化的一些考虑

袁弋非2023-8-30 目录 部署场景和信道模型 技术分析 •超材料器件的调控•空口控制信令•基于RIS的基站•标准化策略 部分进展 •超材料器件•系统仿真•现网测试 RIS部署场景 解决问题扩大网络覆盖、提升小区容量、抑制用户干扰、部署灵活低碳应用场景小区边缘覆盖提升，小区容量增强，上行增强，室内覆盖增强，高精度定位，低空航路覆盖 杭州亚运试点计划：潮汐效应区域，忙时扩充容量，闲时保证基本覆盖 3场馆11扇区，无比赛时网络流量低，直接关断基站影响基础运行，考虑用RIS反射信号保证覆盖 RIS信道测量和建模方法 •4GHz或6GHz•毫米波（TBD） 测量数据 测量频点 •路径损耗：直连和级联两条信道路损的关系•时延、角度、功率的分布•其他方法：基于raytracing，替代或者补充实测数据 建模方法 •确保在3GPP框架下，尽可能复用建模方法和模块，降低讨论和建模的开销•近场特性可以单独的考虑 兼容和近场 RIS天线模型的建模 RIS作为反射器件，理想建模情形下，其反射方向图应符合镜面反射特性，即在给定某入射角度θ的情况下，反射方向图应在对称角度-θ时有最大增益 RIS的信道建模 •接收信号功率与BS-RIS、RIS-UE两段链路的路损、阴影衰落和天线增益相关 目录 部署场景和信道模型 技术分析 •超材料器件的调控•空口控制信令•基于RIS的基站•标准化策略 部分进展 •超材料器件•系统仿真•现网测试 RIS单元仿真与实测特性的差异* 实测器件特性 ⚫可调器件电磁建模的准确度、超表面材料的加工质量等因素会使得RIS器件的实测性能与仿真有较大差异 *与东南大学程强老师团队的联合研究 器件调控功能的角度稳定性* 8个相位状态，反射幅度均大约-2dB *与东南大学程强老师团队的联合研究 RIS单元间的互耦 双极化单元器件不足 东南大学 华为（购买南京大学） 目前业界用于测试多为单极化RIS，测试时需保证入射极化方向与RIS单一极化方式对准 行晟科技（清华） 北邮（购买行晟） 目前业界双极化样机： •双极化（棋盘拼凑）•双极化（双板拼接）•双极化（单元双极化，主要在静态RIS上实现） 双极化（棋盘分布）/1bit /26GHz/点控 单极化/1bit /26GHz/点控 •目前用于测试的双极化样机均为拼凑（棋盘或者双板），较易实现，能够满足双流性，但是对于每种极化方式的面板利用率为1/2，依然无法解决反射产生镜像极化分量干扰的问题 ⚫RIS受限于实际硬件的约束，多数为离散相位调控，基于连续相位假设优化得到的单元相位经过量化，会有一定的性能损失，多波束时更为明显⚫码字设计通常遵循适用于远场范围的DFT码本，但RIS有可能在近场条件下工作⚫可以以闭式解为初始值，采用非线性启发性优化算法（如遗传算法，人工蜂群算法等） ⚫RIS控制器中的网络控制单元具有一定的通信功能，最好通过无线方式，以提高部署灵活性→与空口标准化的衔接？ ⚫码字刷新/调整/存储等可以在控制器内存和外存中完成，需充分考虑RIS单元的非理想特性 ⚫RIS驱动器根据网络控制单元的指令，在内存/外存中得到相应的码字，然后结合同步时钟，转化成比特流，串行或者并行驱动均可 空口控制的可实现性 空口控制的基本模式 信道估计 ⚫RIS作为一种无源器件，其每个天线单元的孔径较小，增益十分有限⚫考虑BS-RIS路损与RIS-UE路损的乘性关系，每个天线单元的级联信道路损严重，信号过弱，难以保证准确的信道测量与估计⚫在通常测试中，RIS板是当作一个整体，从测得的总的天线方向图反推每个单元的天线方向图 初期RIS部署的信道估计以波束赋形为基本假设 RIS基站馈电方式 ⚫透射式的插损较高，多层结构复杂 ⚫反射式的波束扫描范围大，损耗相对较低，比较成熟，较易实现，馈源可以是喇叭天线或者波导天线 与毫米波数模混合天线的比较 RIS基站天线 ✓主要控制超表面单元相位电磁特性 ✓结构简单，每个数字通道对应器件少 ✓量化比特导致波束赋形精度不很高 ✓双极化和联合幅度/相位调控有待突破 ✓无源增益较低，需功放补偿或增大口径 ⚫宏站场景，RIS基站整体性能有差距，当前较难取代传统天线⚫小微站场景：RIS基站有望以低成本和低功耗实现波束赋形 LTE-A中继和MIMO的经验教训 ⚫部署场景需要具有普遍性，例如宏网的容量增强、覆盖延伸等 ⚫技术方案要能最有效的解决问题，不能堆砌必要性不强的专利技术 ⚫空口技术发展要紧密结合相关实现类技术的发展和突破 标准推进策略 ⚫循序渐进，以Rel-18的网络控制直放站（NCR）作为序曲，研究相关的控制信令，RIS研究可以借鉴 ⚫Rel-19的RIS信道测量与建模为RIS研究打下坚实基础 ⚫伴随着RIS器件设计与生产的不断进步，RIS面板的需求量不断提高，批量效应明显，硬件控制逐渐由昂贵高能耗的FPGA向低成本低功耗的ASIC迈进，促进6G RIS空口技术的研究和标准化 与网络控制直放站（NCR）的区别 ⚫FPGA成本占比较大→逐渐由ASIC代替 ⚫二极管的总成本较大→为超表面器件定制，放松对RIS不重要的一些指标参数，降低单价 可否摆脱电源线 可考虑采用太阳能+蓄电池结合的方案，可延长蓄电池更换时间 RIS器件的功耗 ⚫PIN管RIS动态功耗：与PIN管是否导通有关，导通时会产生一定功耗⚫变容管RIS动态功耗：动态功耗几乎为零，因为当其工作时，单元的变容管中的电流可以忽略不计 目录 部署场景和信道模型 技术分析 •超材料器件的调控•空口控制信令•基于RIS的基站•标准化策略 部分进展 •超材料器件•系统仿真•现网测试 RIS器件单元建模 搭建电磁仿真平台，提出利用简易结构的、单元面积等效RIS单元相位的等效建模仿真方法，显著降低建模和仿真的复杂度，两种仿真结果体现了高度一致性 RIS上下行波束互易性的仿真验证 对于列控RIS，当水平角±60°范围内斜入射时，上下行波束的最大增益方向及功率满足互易性；当水平入射角过大，实际波束方向与目标波束方向发生偏差，此时互易性变差，误差范围尚可接受对于点控RIS，互易性还需进一步验证，相位码字误差可能导致X、Y方向波束方向均有偏差，同时互易性变差 双极化RIS必要性的仿真验证 单极化RIS仅能对一种极化波（其电场平行于表面电流）调相及波束赋形，45°极化波经单极化RIS反射会出现两个主瓣方向不同的极化波束→双极化RIS的研究十分必要 低功耗相位保持方案 提出一种利用忆阻材料实现RIS相位调节的RIS硬件结构，实现断电状态下的RIS相位保持功能，从而降低RIS能耗，实现节能和无源部署 RIS调相需要FPGA/单片机结合可调器件共同实现，其中FPGA能耗占比高，而PIN管、变容管等现有器件无法脱离FPGA保持状态 设计方案：结合忆阻器原理，利用二元或多元氧化物材料的忆阻效应，结合绝缘透波材料及高电导材料，设计可替代PIN管或变容二极管实现RIS相位调节多层RIS结构 系统仿真中RIS的部署及干扰建模 扫描波束和赋形波束 仿真假设对性能的影响 •协议中TBsize的确定是基于以下公式，表征了如果RIS可以带来的容量提升效果，需从两方面的着手：SINR和层数 16×16 40×40 南京5G现网RIS测试*—概况 覆盖：部署RIS后，RSRP有一定提高，边缘用户平均提高4.03 dB，用户平均RSRP覆盖提高3.8 dB;吞吐量：部署RIS后，用户平均吞吐量抬升约17.5 Mbps，提升约19%;SINR：部署RIS前后，SINR无明显差异，或是RIS在反射时同步放大邻区干扰信号所致。 室外覆盖室内场景 四层超市 对大楼内共十个定点进行了稳定传输测试，该测试版本的RIS室外覆盖室内穿透能力较弱，测试场景反射信号仅能穿透一堵玻璃幕墙（损耗约6~7 dB），无法再穿透室内环境的一堵内墙； 部署RIS后，大部分定点的性能均有提升，平均各点RSRP提高10 dB、速率提升78.19 Mbps； 37各定点提升差异较大，或受信号波动及RIS覆盖范围有限所致。 38部署RIS对边缘用户影响明显，边缘用户RSRP提升约3.3 dB，边缘用户SINR提升1.45 dB，边缘吞吐量提升约79Mbps；部署RIS后，覆盖距离延伸约60米。 深圳5G现网RIS测试系统和盲波束算法* 室外覆盖地下停车场场景 ⚫上下行RSRP &上下行速率增益中，30度增益最大；⚫上下行增益相当，反射面介入后TDD网络依然保留上下行互易性； RIS单元数的影响 室外多干扰场景 在干扰场景下，基于SINR寻优相位的MAC层速率增益大于基于RSRP寻优相位 43RIS部署场景应以宏网的覆盖增强和容量提升、以及室内覆盖增强为主，中低频段为重点RIS信道的测量与建模建议在3GPP Rel-19开展，以TR 38.901为基础超材料器件自身存在多种非理想特性，在不断提高硬件性能同时，需要在控制部分进行一定补偿RIS空口设计需要考虑工程实际，尤其在信道估计和反馈方面，应以波束赋形/扫描为主RIS有望在毫米波小基站上得到部分应用RIS标准化应循序渐进，多步骤开展，以Rel-18网络控制直放站（NCR）为前奏，以Rel-19的RIS信道建模为基础，为Rel-20的6G RIS空口技术研究做准备，并结合RIS硬件及控制器的发展RIS器件研究取得初步成果，例如单元等效建模、波束上下行互易性、低功耗忆阻材料RIS、双极化RIS器件的必要性等RIS的大尺度系统仿真验证了RIS对小区平均吞吐和边缘吞吐的提升在南京和深圳的5G现网R测试验证了RIS对上行和下行信号功率、信干噪比、吞吐量的提升