面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023年）

1面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023年）中国移动通信集团有限公司编制单位：中移智库、中国移动通信研究院 中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）前言作为我国原生技术，智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface，RIS）是一种新型的人工电磁表面，通过结构设计和编码控制，可实现对空间电磁波的调控，改善电磁波传播环境，具有低成本、低功耗、低热噪声等特点，是未来6G技术构建智能无线传输环境的重要基础之一。本白皮书面向商用落地，重点关注智能超表面作为协作反射节点，即在未来复杂组网中由基站的统一协调进行协作反射，在应用场景、通信系统设计、信道建模、器件调控和性能验证等方面提出了相关倡议，提出综合考虑产业成熟度和理论研究水平来分阶段推进该技术的演进和发展。希望能够为产业在规划设计协作反射节点相关技术、产品和解决方案时提供参考和指引。本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 pWvYvYcU9YfW8ZqZ8V9PdNbRsQmMnPpMjMmNnNlOoPqO7NpOsMxNnQrNuOrRwO中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）1目录1.概述.............................................................................................................................................22.应用场景.....................................................................................................................................43.通信系统设计.............................................................................................................................63.1.与网络控制直放站的对比分析..............................................................................................63.2.基于波束的传输方案..............................................................................................................74.信道建模...................................................................................................................................135.器件调控...................................................................................................................................155.1.调控精度................................................................................................................................155.2.幅相调控................................................................................................................................155.3.双极化....................................................................................................................................165.4.功耗与成本............................................................................................................................166.性能验证...................................................................................................................................176.1.器件特性验证........................................................................................................................176.2.系统级仿真验证....................................................................................................................196.3.现网测试验证........................................................................................................................227.分阶段推进策略........................................................................................................................278.总结与展望...............................................................................................................................30缩略语列表.......................................................................................................................................31参考文献...........................................................................................................................................33 中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）21.概述新型关键技术带来的服务质量的提高已经成为了蜂窝移动通信系统代际更替的驱动力。第五代移动通信（the5thGenerationMobileCommunication，5G）采用了大规模多输入多输出（Multi-InputMulti-Output，MIMO）、毫米波通信（millimeterwave，mmWave）等关键技术，以支持增强型移动宽带通信、海量物联网、超高可靠性和超低延迟通信等多种应用场景，将网络容量提升千倍，为千亿台设备提供泛在连接[1]。然而，5G关键技术所带来的高复杂度、高成本、高能耗等问题尚未解决。例如，将大规模MIMO的应用从6GHz以下频段扩展到mmWave频段通常需要更复杂的信号处理以及更昂贵、更耗能的射频硬件。因此，未来第六代移动通信（the6thGenerationMobileCommunication，6G）需要探索高频谱效率、高能效和高成本效益的解决方案，以实现更大的容量、更低的延迟、更高可靠性、更高安全性和更全面覆盖的美好愿景。智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface，RIS）是一种通过可调电磁元件控制电磁波传播特性的新技术[2–4]。具体来说，RIS是由紧密排布的低成本无源电磁超材料构成，通过引入可调器件阵列和控制模块，使得每个元件的工作状态独立可调，引起入射信号的振幅和/或相位变化，从而实现细粒度的三维波束赋形。RIS可以作为中继节点赋能通信网络，即协作反射节点（CooperativeReflectingNode，CRN），如图1所示，其具有如下技术优势：重构传播环境：有望打破传统无线环境的随机性和不确定性为移动通信网络带来的不可控因素，重塑无线传播环境，提供了新的自由度，并为实现智能和可编程无线环境开辟了道路。低功耗：由于RIS除控制器如FPGA等小型有源器件外，无需功放、馈线等器件，因此有望实现低功耗，低频段样机的器件和控制功耗有望优化在5瓦以内。低成本：无需复杂的射频和基带处理电路，硬件成本可以更低。低热噪声：RIS通常不需要功率放大、下变频等对接收信号进行处理，而仅仅改变信号的方向，因此热噪声低。全双工高能效：RIS可以实现对信号的实时反射，而无需先接收后转发，可以节省传输时间实现全双工，有望提高能效。 中国移动面向网络协作的智能超表面技术白皮书（2023）3图1协作反射节点示意图基于上述技术优势，RIS可以进行低成本、低功耗的密集部署，且无源RIS之间无需进行复杂的干扰管理。此外，还可根据实际情况制造，以便安装在任意形状的表面上，从而满足不同应用场景的需要。在解决现有5G面临的问题的同时，也为6G网络带来了全新的范式。RIS作为一种新兴的跨学科技术，需要无线通信、射频工程、电磁学和超材料等学科的的协同配合，全球学术和产业界已开展了相关的研究和试验工作。学术界的研究内容涉及基本性能、信道估计、基站和RIS联合预编码、信道模型等[5,6]。RIS还与人工智能、机器学习、非正交多址接入、通信感知一体化、太赫兹波段通信等相结合[7]。学术界对RIS的热情迅速蔓延到了产业界[8]：2020年6月成立的IMT-2030（6G）RIS任务小组，2020年8月成立的关于RIS的IEEE新兴技术倡议（EmergingTechnologyInitiative，ETI），2021年1月成立的欧盟（EU）RISE-6G，2021年9月成立的RIS的欧洲电信标准协会（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，ETSI）行业规范小组（IndustrySpecificationGroup，ISG）以及2022年4月成立的RIS技术联盟（RISTECHAlliance，RISTA）。学术界和产业界通力合作，联合开展了数十个RIS原型系统项目和现场试验[9]。2019年，由东南大学团队首次提出并构建了基于RIS的信息调制超表面基站，实现了基于SISO和MIMOQAM调制的无线通信试验系统，率先实现了基于RIS的新型无线调制技术从无到有的突破。2022年9月，IMT-2030RIS任务组已完成了移动-东南联合团队、联通-清华联合团队、中兴、华为、大唐等共8家高校和企业的智能超表面原型样机性能验证。清华大学团队设计搭建了应用于2.3GHz和28.5GHz的波束调控超表面阵列，并对其可行性和有效性进行了验证。美国MIT和UCSD大学分别搭建了名为RFocus和