面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書 2023

中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）11.概述 22.應用場景 43.通信系統(tǒng)設計 63.1.與網(wǎng)絡控制直放站的對比分析 63.2.基于波束的傳輸方案 74.信道建模 135.器件調控 155.1.調控精度 155.2.幅相調控 155.3.雙極化 165.4.功耗與成本 166.性能驗證 176.1.器件特性驗證 176.2.系統(tǒng)級仿真驗證 196.3.現(xiàn)網(wǎng)測試驗證 227.分階段推進策略 278.總結與展望 30縮略語列表 31參考文獻 33中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）2新型關鍵技術帶來的服務質量的提高已經(jīng)成為了蜂窩移動通信系統(tǒng)代際更采用了大規(guī)模多輸入多輸出（Multi-InputMulti-Output，MIMO）、毫米波通信（millimeterwave，mmWave）等關鍵技術，以支持增強型移千億臺設備提供泛在連接[1]。然而，5G關鍵技術所帶來的高復雜度、高成本、獨立可調，引起入射信號的振幅和/或相位變化，從而實現(xiàn)細粒度的三維波束賦中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）3圖1協(xié)作反射節(jié)點示意圖基于上述技術優(yōu)勢，RIS可以進行低成本、低功耗的密集部署，且無源RISRIS作為一種新興的跨學科技術，需要無線通信、射頻2021年9月成立的RIS的歐洲電信標準協(xié)會（EuropeanTelecommunications企業(yè)的智能超表面原型樣機性能驗證。清華大學團隊設計搭建了應用于2.3GHz和28.5GHz的波束調控超表面陣列，并對其可行性和有效性進行了驗證。美國中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）4協(xié)作反射節(jié)點可以應用于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡，提升網(wǎng)絡的關鍵性能指標（Key圖2協(xié)作反射節(jié)點應用場景中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）5IMT-2030測試測試重點是毫米波頻段的室內和室外覆蓋場景，如表格1所示。室內L型走廊室內開放辦公區(qū)室外覆蓋室外多用戶用戶級波束賦型圖3中國移動廣東公司外場測試場景道條件（如匯聚能量、增加散射徑等實現(xiàn)對網(wǎng)絡中信道條件較好的用戶進行中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）6圖4杭州亞運會試點場景業(yè)和信息化部率先在全球將6425-7125MHz全部或部分頻段劃分用于IMT（含3.1.與網(wǎng)絡控制直放站的對比分析其次，現(xiàn)階段NCR的控制鏈路和回程鏈路是帶內鏈路，共用射頻模塊；由中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）7NCR是一種面向需求而生的技術，主要解決高性，如改變信道環(huán)境，提升容量。隨著產業(yè)的發(fā)展，RIS將可以用于探索更多的3.2.基于波束的傳輸方案用戶數(shù)較少，建站成本和阻力較大等。靜態(tài)/半靜態(tài)RIS的設計目標主要是低成中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）8并反饋的方案更具有可行性，即對RIS面板圖7是一個固定波束工作模式的示意圖，比較適合中低頻段部署。這里的基站采用覆蓋整個小區(qū)的寬波束。根據(jù)基站到RIS面板的方向角度，RIS采用合9從圖7還可以看出，由于基站采用小區(qū)寬波束，在本小區(qū)的終端存在兩種徑，級聯(lián)鏈路可以增加終端的接收信號功率；②當以上幾條鏈路存在明顯3，還是加上小區(qū)寬波束的。如圖9“基于固定波束4來轉發(fā)數(shù)據(jù)，從而繞過阻擋，解決毫米波部署的覆蓋/補盲問題。如中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）圖8基站固定波束&RIS固定波束工作模式的示意圖（毫米波）圖9UE-specific波束工作模式的示意圖（Sub-6GHz）中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）目前RIS輔助系統(tǒng)的信道估計和反饋方案都集中于理信道，其信道特性和結構與一般的發(fā)射節(jié)點-接收節(jié)點信道有較大的不同，因此中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）第七步，基站傳輸業(yè)務，RIS根據(jù)配置，在相應的傳輸資源上使用配置的相圖10信道估計和反饋流程（反射板即RIS）中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）表格2應用場景與關鍵技術總結信道建模工作也需要分階段進行。當前階段，基于波束的CRN考慮到重點中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）方案優(yōu)勢劣勢Option1：將RIS視為一個網(wǎng)絡節(jié)點，BS-RIS與RIS-UE兩跳鏈路單獨進行小尺度建模Option1a:兩端信道基于38.901分別建模，按照一定準則砍掉一些徑參照38901模型，兩跳鏈路的小尺度信道公式容易表達占用內存巨大，運行速度慢缺少理論或實測支撐，不確定該模型是否符合實際兩種方案小尺度建模涉及代碼架構的修如何與原有架構融合有待研究Option1b:增加一個RIS徑，對于其他徑的影響，例如建模一按照隨機模型建模Option2：將RIS建模為一個散射體簇（cluster）加入原有BS-UE的建?；诂F(xiàn)有平臺，不會大幅增加運行內存和速度尚待研究：-如何表征RIS散射體-RIS的散射體簇與傳統(tǒng)簇的區(qū)別建模為兩跳簇中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）這將引入新的問題。例如，在設計合理的情況下，如圖12硬件仿真結果所示，反射主瓣方向的正弦值（表示為sinθt）和入射角的正弦值（表示為sRIS硬件設計的首要任務當是確保角度關系在較大入射角范圍內的一致性；當調圖12RIS入射角，反射角和單元相位之間的關系和變容二極管；RIS面板的制造也將由更專業(yè)的供應商來完成，例如敷銅板制造根據(jù)入射角/反射角計算元素相位需要消耗一定的功遠來看，隨著RIS元素數(shù)量的增加，和/或如果需要更復雜的軟校正來減輕元表面硬件的非理想特性或補償近場效應，計算會非常密集，使用定制化的ASIC芯中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）圖14傳統(tǒng)電磁仿真方法與面積等效相位建模方法圖15±60°入射角范圍內互易性成立，角度大于±60°范圍互易性變差再次，單極化RIS僅能對一種極化波（其電場平行于表面電流）調中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）圖16單極化RIS對45°入射極化波僅對一個極化方向有賦形效果測試RIS器件/原型樣機的反射特性，可以考慮緊縮場、平面近場、弓形測參考信號接收強度（ReferenceSignalReceivedPower，RSRP）的累積概率函數(shù)中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）圖17用戶和智能超表面位置分布圖18不同位置、調控精度和陣子規(guī)模下的CDF曲線表格4系統(tǒng)仿真參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值參數(shù)值頻點2.6GHz陣子數(shù)16*16,40*40陣子間隔0.8λ*0.5λRIS個數(shù)/扇區(qū)基站高度25m用戶高度RIS高度RIS極化單極化場景7小區(qū)21扇區(qū)中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）動態(tài)工作模式；如果信道信息是完整的信道狀態(tài)信息，包含不限于幅度和相位，描間隔與波束寬度相當時，波束掃描與針對中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）現(xiàn)網(wǎng)測試最直接地可以給出在一定場景下，RIS樣機可以帶來的性能影響。本小節(jié)給出兩個現(xiàn)網(wǎng)測試實例，測試方法和測6.3.1.深圳現(xiàn)網(wǎng)智能超表面測試系統(tǒng)表格5系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)值陣子數(shù)頻點2.6GHz帶寬200MHz在該場景下，測試驗證了RIS的最佳入射角度（測試環(huán)境如圖21所示）和中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）圖21室外補盲室內場景：最佳入射角度驗證圖22室外補盲室內場景：最佳RIS尺寸驗證對于最優(yōu)入射角度驗證，測試結果如圖23所示，對中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）對于RIS面積驗證，得到RIS大小對覆蓋范圍的影響，如表格4所示，RIS表格6RIS面積對覆蓋范圍的影響中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）圖24室內覆蓋延伸測試場景圖25室內覆蓋延伸測試結果中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）圖26室外多干擾場景圖27室外多干擾場景測試結果6.3.2.杭州亞運會智能超表面應用試點2023年8月中國移動研究院、中國移動浙江公司攜手中興通訊，聯(lián)合在杭州亞運會場館完成了智能超表面的應用驗證，為杭州亞運會提供了通信網(wǎng)絡保障，滿足了賽事高清直播等業(yè)務對場館內高質量網(wǎng)絡覆蓋的需求，同時也降低了建網(wǎng)難度和投資成本。中國移動面向網(wǎng)絡協(xié)作的智能超表面技術白皮書（2023）掃描和用戶跟蹤，顯著提升了信號覆蓋質量和用戶速率。測試結果如圖29和圖29部署RIS前的場館用戶速率與信號覆蓋質量圖30部署RIS后的場館用戶速率與信號覆蓋質量中國移動