智能超表面性能仿真與測試

顧 琪，蘇 鑫，吳 丹，王菡凝，崔景源，李 亞，袁弋非，王啟星

(1.中國移動通信有限公司研究院，北京100053;2.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京100876)

0 引言

超材料是一類具有人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的材料。早期三維結(jié)構(gòu)的超材料存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高介質(zhì)損耗、制備困難等問題，故一種超薄的二維形式的超材料應(yīng)運而生——超表面。超表面是一種人造的反射表面，由單元在平面上緊密排布而成，通過改變電磁結(jié)構(gòu)或單元排布方式來調(diào)控電磁波。在超表面結(jié)構(gòu)中引入可調(diào)元器件即構(gòu)成智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)。RIS設(shè)備由大規(guī)模器件陣列和陣列控制模塊構(gòu)成[1]。大規(guī)模器件陣列的各個器件單元的無線響應(yīng)信號相互疊加，在宏觀尺度上形成特定的波束傳播特性?？刂颇K是RIS設(shè)備的“大腦”，根據(jù)通信系統(tǒng)的需要改變超表面的電磁特性，調(diào)控反射電磁波的電磁參數(shù)，例如相位、頻率、振幅等[2]。

在傳統(tǒng)的無線通信環(huán)境中，無線信號在傳輸過程中會遇到障礙，經(jīng)過反射、折射和透射等，會出現(xiàn)原始無線信號的多徑分量，以不同的幅度、相位及延遲到達接收端。由于這些多徑分量與原始無線信號在接收端正向疊加或反向抵消，使得接收信號產(chǎn)生多徑衰落，嚴重損害無線通信系統(tǒng)的性能。而RIS作為中繼，利用大規(guī)模低成本、低功耗的電磁單元，智能控制無線信號的反射特性，將不可控的傳播環(huán)境變成智能可重構(gòu)空間，對信息傳輸和處理起到了積極的作用，引發(fā)了業(yè)界對智能超表面中繼的研究熱潮。文獻[3]全面對比了RIS與傳統(tǒng)的全雙工、半雙工中繼技術(shù)，證明RIS具有低功耗、高能效、易部署、低成本、低熱噪聲等優(yōu)勢。文獻[4]詳細調(diào)研了RIS中繼技術(shù)，并給出了目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究重點，例如信道建模、信道估計、聯(lián)合波束賦形設(shè)計、多用戶傳輸、多小區(qū)干擾管理等。然而，目前大部分研究都從理論上論證了RIS技術(shù)優(yōu)勢，缺乏在RIS帶來的新型網(wǎng)絡(luò)拓撲下，對網(wǎng)絡(luò)性能的系統(tǒng)級仿真和外場測試的研究。本文從RIS引入的新型信道模型的數(shù)值仿真驗證出發(fā)，對不同場景和參數(shù)配置下的網(wǎng)絡(luò)性能進行了系統(tǒng)級仿真和外場測試，并給出了RIS部署相關(guān)的結(jié)論和策略。

1 數(shù)值仿真

本文數(shù)值仿真信道建模采用了文獻[5]提出的RIS中繼系統(tǒng)接收功率基本通用模型，接收端的接收功率可以表示為：

(1)

(2)

(3)

該反射相位可由式(1)得到。

1.1 RIS的部署位置對用戶性能的影響

本節(jié)將研究單用戶性能仿真。給定基站和用戶位置，移動RIS面板位置，如圖1所示。參數(shù)設(shè)置如下：載頻fc=3 GHz，帶寬100 MHz,天線增益Gt=2 dB、Gr=2 dB，RIS的單元數(shù)為400，RIS距離基站與用戶連線的距離為Z。

圖1 單用戶系統(tǒng)模型示意圖Fig.1 Illustration of the single-user system model

1.1.1 單用戶場景

圖2給出了反射板位置與性能增益之間的關(guān)系。

(a) RIS物理角度固定

(b) RIS最優(yōu)物理角度

(c) 無源反射板

圖2(a)為RIS板平行于基站與用戶連線時的性能增益，在靠近基站的位置(-150 m)或者用戶的位置(150 m)部署RIS，能夠獲得最大增益為80%；圖2(b)中可以看到調(diào)整RIS的物理角度，能夠大幅提高用戶速率，最大增益可以達到400%，最優(yōu)的物理角度取值是使得入射角與反射角相等。圖2(c)表明無源反射板在基站和用戶附近最大有150%的性能增益。由上述仿真結(jié)果可知，RIS部署在用戶或基站附近，能獲得更高的增益。

1.1.2 RIS對不同覆蓋情況用戶的性能影響

本仿真中用不同的信噪比(SNR)來表征用戶所處位置的覆蓋情況，即SNR越小，對用戶的覆蓋越弱。如圖3所示。

(c) SNR=0 dB

對信號較好的用戶(SNR=10 dB)，RIS可以提供最大2.5倍的速率增益，是無源反射板的2.5倍；對信號一般的用戶(SNR=6 dB)，RIS可以提供最大4倍的速率增益，是無源反射板的2.6倍；對信號不好的用戶(SNR=0 dB)，RIS可以提供最大10倍的速率增益，是無源反射板的2.7倍。由上述仿真結(jié)果可見，RIS對于覆蓋不佳用戶的性能提升更為顯著。

1.2 RIS對不同位置上的用戶性能的影響

本節(jié)將研究不同位置上用戶性能，如圖4所示。

圖4 不同位置用戶系統(tǒng)模型示意圖Fig.4 Illustration of system model for users in different locations

給定基站和RIS的位置分別為(-150,0,0)和(0,0,0)，觀察小區(qū)不同位置上用戶的性能增益。參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)射功率Pt=43 dBm， RIS板平行于基站與用戶連線，RIS距離基站與用戶連線的距離為Z=-300 m，RIS單元數(shù)500，載頻fc=3 GHz，帶寬1 MHz，陣子寬度dx=λ/2，dy=λ/2，噪聲方差 -114 dB，天線增益Gt=2 dB、Gr=2 dB。

1.2.1 不同相位設(shè)置

RIS針對每個位置的用戶使用最優(yōu)相位，所獲得的性能增益如圖5(a)所示，圖5(b)顯示固定相位的無源反射板的性能增益?？梢钥闯鰺o源反射板對小范圍內(nèi)的用戶提升性能，而RIS可以為更大范圍的用戶提供性能增益。

當RIS可以針對不同位置的用戶進行定向波束賦型，性能增益如圖6所示?？梢钥闯?，對同一方向上的用戶都有增益，而對該方向周圍用戶干擾控制在較低的水平。因此可以得出結(jié)論：RIS可以提升信號強度但不造成額外干擾，可用于邊緣用戶的速率提升。

此外，圖7給出了RIS為兩種隨機相位時的性能，即不同位置用戶使用同一個隨機相位和不同隨機相位?？梢缘贸鼋Y(jié)論：當RIS的相位為隨機相位時，性能增益不大。

(b) 無源反射板

(a) RIS對坐標為(150,0,0)的UE進行定向波束賦形的性能增益

(b) RIS對坐標為(150,0,-150)的UE進行定向波束賦形的性能增益

(a) 同一隨機相位

(b) 不同隨機相位

1.2.2 量化相位比特數(shù)

在理論分析中，主要考慮RIS反射單元的相位連續(xù)調(diào)節(jié)。但是由于硬件限制，連續(xù)相位難以實現(xiàn)。通過離散相位可以大大簡化RIS的硬件和控制模塊的設(shè)計。文獻[7]表明1 bit、2 bit和3 bit離散相位與連續(xù)相位相比分別有3.9 dB、0.9 dB、0.2 dB的功率損耗。文獻[8]中表明，與最優(yōu)相位相比，采用2 bit量化相位的遍歷頻譜效率下降低于1 bit/s/Hz；采用3 bit量化相位的遍歷頻譜效率接近于最優(yōu)相位的性能。圖8分別為1 bit、2 bit、3 bit、4 bit時，各位置上用戶的性能增益，可以看出，3 bit時所獲性能增益已趨近于圖5(a)所示的最優(yōu)相位的性能增益。因此，在RIS的實際應(yīng)用中，使用2 bit和3 bit的量化相位可以滿足基本需求。

(a) 1 bit

(b) 2 bit

(c) 3 bit

(d) 4 bit

2 系統(tǒng)級仿真

通過上文的數(shù)值仿真，初步驗證了RIS的覆蓋增強能力。為了檢驗RIS大規(guī)模部署的效果，有必要進一步探討RIS的部署策略，如在蜂窩系統(tǒng)中部署RIS的數(shù)量、位置、規(guī)模和功能，以便滿足真實場景的性能要求。因此，本節(jié)進行了初步的系統(tǒng)級仿真。

系統(tǒng)級仿真場景示意如圖9所示，由7小區(qū)21扇區(qū)組成，基站(BS)間距為500 m，RIS的天線模型參考3GPP TR 38.901[6]。信道模型為38.901 Uma信道模型，為簡單起見，只考慮大尺度的模型。用戶(UE)撒點在小區(qū)邊緣，BS-RIS鏈路和RIS-UE鏈路都是LOS徑。在2.6 GHz的頻率下，基站、用戶和RIS的高度分別為25 m、1.5 m和20 m?？紤]了兩種RIS單元數(shù)，即288與512，假設(shè)RIS單元水平間距為半波長，垂直間距為0.8倍波長。一個扇區(qū)有4個RIS或8個RIS，并分別考慮了RIS部署在小區(qū)中間和小區(qū)邊緣兩種部署方式。

圖10給出了將RIS部署在小區(qū)中間的性能。圖10(a)為接收信號功率Pt的累積分布函數(shù)(CDF)。與沒有RIS的情況相比，4個288陣子的RIS、8個288陣子的RIS和8個512陣子RIS的接收信號功率增益分別約為1.5 dB、3 dB和6 dB。圖10(b)顯示了信號干擾噪聲比(SINR)的CDF，與沒有RIS的情況相比，4個288陣子的RIS、8個288陣子的RIS和8個512陣子RIS的SINR增益分別約為0.7 dB、1.5 dB和3 dB。仿真結(jié)果表明了在小區(qū)中部署RIS帶來的性能增益。隨著RIS的天線規(guī)模和RIS板數(shù)目的增加，系統(tǒng)性能也隨之提高。

圖11給出了RIS部署在小區(qū)中間和小區(qū)邊緣兩種部署方式的性能。仿真結(jié)果表明，將RIS部署在小區(qū)邊緣，即靠近邊緣用戶時，能提高系統(tǒng)性能。該結(jié)果與1.2.1小節(jié)中的圖6可以相互印證，RIS對反射波束的匯聚作用，可以有效增強信號和抑制干擾，提升小區(qū)邊緣用戶性能。

(a) RIS部署小區(qū)中間

(b) RIS部署在小區(qū)邊緣

(a) 接收信號功率CDF

(b) SINR CDF

3 外場實地測試

2021年6月中國移動聯(lián)合東南大學崔鐵軍院士團隊、杭州錢塘信息有限公司，率先在中國移動南京現(xiàn)網(wǎng)完成電磁單元器件可調(diào)、波束方向可靈活控制的智能超表面技術(shù)驗證[9]。南京現(xiàn)網(wǎng)的測試環(huán)境工作頻段為2.6 GHz，代表了一個密集的城市環(huán)境，包括室外和室內(nèi)。

RIS面板的尺寸為160 cm× 80 cm，包含32×16=512個陣子。RIS波束的方位角和垂直方向都可以調(diào)整，相位分辨率為1 bit。RIS的波束是根據(jù)基站波束和目標用戶的地理位置以及傳播環(huán)境手動調(diào)整。圖12分別顯示了沒有RIS和部署RIS后測量的參考信號接收功率(RSRP)、SINR和下行鏈路(Throughput DL)吞吐量。RSRP、SINR和DL吞吐量的CDF曲線也在有無RIS之間進行了比較。從測試可以看出，對于覆蓋良好的用戶，部署RIS并未帶來較為顯著的增益。而對于覆蓋不佳的用戶，RIS可以帶來顯著的增益。這也驗證了1.1小節(jié)數(shù)值仿真中的結(jié)論：RIS對于覆蓋不佳的用戶，可以更好地提升其性能增益。

(a) 有無RIS情況下的性能比較

(b) 有無RIS情況下的CDF曲線比較

4 結(jié)束語

RIS作為6G的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，將不可控的傳播環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€智能可重構(gòu)空間，具有高集成度、低成本和低功耗的優(yōu)勢。本文從新型信道模型的數(shù)值仿真驗證出發(fā)，對不同場景和參數(shù)配置下網(wǎng)絡(luò)性能進行了系統(tǒng)級仿真和外場測試，結(jié)果表明：

① RIS部署在用戶或基站附近，性能增益更高；② RIS進行波束賦型提升信號強度并抑制干擾，可以提升小區(qū)邊緣用戶的性能；③ RIS對于覆蓋不佳的用戶，可以獲得更顯著的性能增益?；谘芯拷Y(jié)果，在未來的實際部署中可以選擇靠近小區(qū)邊緣用戶側(cè)；反射相位可以采用較少的比特數(shù)進行量化，從而獲得性能和開銷的良好折中。