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2 RIS部署场景3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，低空航路覆盖广东移动测试场景：覆盖增强杭州亚运试点计划：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IMT-2030测试场景（2022）：覆盖增强室内覆盖室外覆盖室内L型走廊室内开放办公区室外覆盖室外多用户用户级波束赋型清华√联通+清华√√移动+东南√√√√中兴√√√√√ RIS信道测量和建模方法4测量频点•4GHz或6GHz•毫米波（TBD）建模方法方案优势劣势Option 1：RIS面板确定性建模，BS-RIS与RIS-UE两跳链路单独建模Option 1a: 两段信道基于38.901分别建模，按照一定准则删掉一些径参照38.901模型，两跳链路的小尺度信道公式容易表达•占用内存巨大，运行速度慢。•缺少理论或实测支撑，不确定该模型是否符合实际两种方案小尺度建模涉及代码架构的修改，如何与原有架构融合有待研究Option 1b:增加一个RIS径，对于其他径的影响（TBD），例如建模一个RIS径，其他22条按照随机模型建模Option 2：将RIS建模为一个散射体簇（cluster）加入原有BS-UE的建模基于现有平台，不会大幅增加运行内存和速度•如何表征RIS散射体？需明确RIS散射体簇与传统簇是否有区别？•当RIS-UE为NLOS，如何建模？将RIS建模为两跳簇？将RIS建模为一个网络节点散射体簇2散射体簇1散射体簇3散射体簇4散射体簇5将RIS建模为一个散射体簇散射体簇2散射体簇1？测量数据•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兼容和近场•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 RIS信道模型举例5RIS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的信道建模在远场条件下，以38.901模型为基础，引入BS-RIS和RIS-UE两段链路的大尺度信道建模，计算接收信号功率•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•考虑RIS面板不同反射单元引起的相位差RIS的入射波引起的相位差RIS的出射波引起的相位差 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6 RIS单元仿真与实测特性的差异*7电磁仿真结果* 与东南大学程强老师团队的联合研究实测器件特性幅值响应幅值响应相位响应相位响应实际RIS器件⚫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 器件调控功能的角度稳定性*88个相位状态，反射幅度均大约-2dBTM 0~60斜入射下，幅度相位基本稳定，但与理想情形仍存在明显偏差，对上下行波束方向互易性有影响* 与东南大学程强老师团队的联合研究 RIS单元间的互耦9无去耦措施，单元间较大的耦合使得有源S参数恶化严重 双极化单元器件不足10东南大学单极化/1bit/2.6GHz/列控单极化/2bit /26GHz/列控北邮（购买行晟）单极化/1bit /26GHz/点控华为（购买南京大学）单极化/2bit /2.6GHz/点控/带宽200M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）行晟科技（清华）双极化（棋盘分布）/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大唐（购买北大）双极化（两块单极化板）/1bit /26GHz/点控 阵列相位码字的优化*11⚫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）远场单波束近场单波束远场双波束* 与东南大学金石老师团队的联合研究 RIS硬件调控12Multi-port serial interfaceExternal memoryNetwork controllerInternal memoryArray driverSync. clock011000...1110101110101...0110011001110...0110101...RIS ControllerFPGARIS panel (element array)⚫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13基站. . . 终端. . . M天线K反射单元N天线RISH1H2F퐲=퐇ퟐ횽퐇ퟏ퐕퐬+퐧max퐅,횽log2푑푒푡퐈푁+퐇퐕퐕퐻퐇퐻where퐇=퐇ퟐ횽퐇ퟏsubject to푡푟퐕퐕퐻≤푃푡휙푘=1,∀푘∈풦and迭代加权MMSE 算法RIS输出相移匹配RIS-UE信道发端特性RIS输入相移匹配BS-RIS信道收端特性퐲eq=퐔ퟐH퐲∝퐕2H횽퐔ퟏ퐬=퐕2H횽ퟐ횽ퟏ퐔ퟏ퐬信道秩(Rank)=1，退化成RIS波束对准问题复杂理论*简化求解复杂RIS理论求解需要在实际系统中简化→工程可实现的方案Q. Gu, D. Wu, X. Su, et. al, “Performance comparisons between reconfigurable intelligent surface and full/half-duplex relays,” IEEE VTC Fall 2021. 空口控制的基本模式14静态/半静态动态、信道透明动态、信道不透明RIS 中继基站终端固定波束连接建立和反馈RIS 单元相位配置, 波束方向调整波束的多次调整波束反馈选择后波束RIS 单元相位配置相位多次调整及信道测量CSI 反馈基于CSI的RIS单元相位控制NCR中的终端功能NCR中的转发模块控制链路回传链路接入链路网络控制的直放站(NCR)基站终端带内: 共享射频控制模块反射单元阵列下行反射上行反射共享射频基站终端控制链路RIS 中继网络控制的直放站与RIS中继的空口控制有一定的异同 信道估计15⚫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单元相位的时空编码 RIS基站馈电方式16⚫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透射式反射式 与毫米波数模混合天线的比较17✓采用专用移相器件进行调相✓每个数字通道对应器件多✓数模混合波束赋形，精度高✓支持双极化. . .PADigital MIMO configDACDAC. . .. . .Up-converterAntennas and lining plateAnalog beamforming. . .PADigital MIMO configDACDACUp-convertorAntennas and lining plateMetamaterial-based beamforming毫米波数模混合天线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EIRP计算传统基站RIS基站天线阵子数256625数字通道数44PA出口功率(dBm)1032天线增益(dB)3026MIMO增益(dB)246Tx EIRP (dBm)6464256 PAs vs. 4 PAs⚫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18MainfeatureSub-featureKeyareasCharacteristicsLTErelayType1relayR-PDCCHdesignInterleavedR-PDCCHNon-interleavedR-PDCCHRelaytimingandbackhaulsubframestructureCellsize<6km6km<Cellsize<15kmCellsize>15kmBackhaulsubframeconfigurationandHARQtimingFDD:255config.,6HARQprocessesTDDConfig#1,#2,#3,#4,#6Type2relayCooperativemodeResourcereusemode-FD-MIMOChannelmodelGeometrybasedstatisticalmodel(GBSM)based3Dbasedcoordinates3DrelatedparametersEnhancedMIMOforverticalbeamsMappingfordigitalantennaportstoantennaelements-CodebookdesignKroneckerproductofPMIofhorizontalantennasandPMIofverticalantennasDownlinkcontrolDCIformatenhancementCSIfeedbackPMI/RI/CQIenhancements⚫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19RIS信道测量与建模网络控制直放站:控制信令2022.32023.92025.32026.9Rel-18Rel-19Rel-206G空口的RIS技术研究中等大小RIS 面板，FPGA控制大尺寸RIS面板，ASIC控制⚫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20低成本、低功耗，智能反射面无需功放，无自干扰的全双工，无噪声放大系统参数，RIS振元数量远大于NCR，因此RIS波束更窄控制链路简化，NCR的控制链路和回传链路共享射频模块；RIS有被动特性，