楊坤　姜大潔　秦飛

【摘? 要】智能表面技術(shù)是6G潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，可以明顯提升通信系統(tǒng)的覆蓋效果。本文基于智能表面的工作特點(diǎn)和在6G系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景，分析了智能表面的控制理論。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，智能表面技術(shù)可以在降低部署成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)、波束賦形等多種功能。

【關(guān)鍵詞】6G;智能表面;MIMO;覆蓋增強(qiáng);超表面

0? ?引言

智能表面是一個(gè)跨學(xué)科新興技術(shù)，在學(xué)術(shù)界也被稱為大型智能表面（Large Intelligent Surface），可重配智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface），金屬超表面（Metasurface），軟件定義超表面（Software Defined Surface/Metasurface）等。智能表面技術(shù)最早由電磁學(xué)、材料學(xué)的科學(xué)家進(jìn)行研究，之后被引入實(shí)際應(yīng)用中，例如電磁隱身材料、全息成像、雷達(dá)波束掃描等。智能表面在20世紀(jì)就已經(jīng)被提出，其技術(shù)前身是軍用雷達(dá)和反雷達(dá)設(shè)備，主要應(yīng)用于毫米波、太赫茲等高頻波段，因此在早期并沒有引起移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)注。2017年，Nature Communication雜志上發(fā)表了一篇智能表面相關(guān)論文[1]，論文中介紹了工作于7.8 GHz頻段的反射型智能表面，通過1 bit相位控制實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)全息成像。智能表面技術(shù)再次受到業(yè)界廣泛關(guān)注，尤其是通信界的關(guān)注，被認(rèn)為是6G系統(tǒng)的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一。

在5G和6G階段，為支持更高的數(shù)據(jù)通信速率，毫米波和太赫茲的頻段被逐漸開放出來用于無線通信。2019年世界無線電通信大會(huì)WRC19對(duì)毫米波做了進(jìn)一步修訂，將26 GHz、40 GHz、66 GHz頻段劃分為5G及國際移動(dòng)通信系統(tǒng)未來發(fā)展的頻段。2019年4月，Oulu大學(xué)舉辦的第一屆6G無線峰會(huì)發(fā)布了第一版6G白皮書，太赫茲通信被納入6G通信的潛在關(guān)鍵技術(shù)[2]。智能表面技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于雷達(dá)技術(shù)中的無源陣列天線并獲得了顯著的天線增益。智能表面技術(shù)可以引入到6G通信系統(tǒng)中提升高頻段通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

本文將對(duì)智能表面技術(shù)進(jìn)行全面的總結(jié)，分別介紹智能表面的硬件特點(diǎn)、6G中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景、國內(nèi)外研究進(jìn)展和未來的技術(shù)研究方向。

1? ? 智能表面技術(shù)概述

1.1? 技術(shù)概述

智能表面設(shè)備由大規(guī)模器件陣列和陣列控制模塊構(gòu)成，如圖1所示。大規(guī)模器件陣列是在平面底板上規(guī)則的重復(fù)排列的大量器件單元。為達(dá)到可觀的信號(hào)操控效果，通常需要幾百或者幾千個(gè)器件單元組成器件陣列。每個(gè)器件單元都具有可變的器件結(jié)構(gòu)，例如，器件單元中包含一個(gè)PIN二極管，PIN二極管的開關(guān)狀態(tài)決定了器件單元對(duì)外界無線信號(hào)的響應(yīng)模式。智能表面的陣列控制模塊可以控制每個(gè)器件單元的工作狀態(tài)，從而動(dòng)態(tài)或半靜態(tài)地控制每個(gè)器件單元對(duì)無線信號(hào)的響應(yīng)模式。大規(guī)模器件陣列的每個(gè)器件單元的無線響應(yīng)信號(hào)互相疊加，在宏觀上形成特定的波束傳播特征。控制模塊是智能表面設(shè)備的“大腦”，根據(jù)通信系統(tǒng)的需求確定智能表面的無線信號(hào)響應(yīng)波束，使得原來靜態(tài)的通信環(huán)境變得“智能”、“可控”。

智能表面技術(shù)在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域有所應(yīng)用，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同有很多種不同的設(shè)計(jì)方案。按照器件單元的物理原理[3]分類包含Tunable Resonator可變電容型、Guided Wave波導(dǎo)型、Element Rotation極化型等;按照無線信號(hào)輸出形式，分為反射型智能表面和透射型智能表面;按照無線信號(hào)響應(yīng)參數(shù)[4]分類包括相位控制型智能表面，幅度控制型智能表面和幅度相位聯(lián)合控制型智能表面;按照響應(yīng)參數(shù)控制分類分為連續(xù)控制型和離散控制型;按照控制智能表面幅度和相位的頻次或快慢分為靜態(tài)，半靜態(tài)/動(dòng)態(tài)控制的智能表面，其中靜態(tài)的智能表面目前就可以應(yīng)用到已有系統(tǒng)中，例如4G/5G系統(tǒng)?？紤]器件設(shè)計(jì)和制作的復(fù)雜度，學(xué)術(shù)界普遍選擇使用單一無線信號(hào)響應(yīng)參數(shù)的離散控制型器件單元進(jìn)行研究。目前，學(xué)術(shù)界廣泛討論的智能反射表面IRS（Intelligent Reflecting Surface）就是一種基于信號(hào)反射的相位控制智能表面，通過1 bit的指示信息控制器件單元的反射信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)0或π的相位翻轉(zhuǎn)。

得益于不需要射頻和基帶處理電路，智能表面設(shè)備與傳統(tǒng)無線通信收發(fā)設(shè)備相比有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）智能表面設(shè)備有更低的成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度;

（2）智能表面設(shè)備具有更低的功耗;

（3）智能表面不會(huì)引入額外的接收端熱噪聲;

（4）智能表面設(shè)備厚度薄、重量小，可以實(shí)現(xiàn)靈活的部署。

但是智能表面無法對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，只能實(shí)現(xiàn)模擬的信號(hào)波束。

1.2? 智能表面技術(shù)在6G系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景

未來的6G通信業(yè)務(wù)要求更高的通信速率和更多的連接密度[2]，需要開發(fā)更多的頻譜資源和達(dá)到更高的頻譜利用率。很多新興技術(shù)被認(rèn)為是6G通信系統(tǒng)的潛在技術(shù)方向，例如太赫茲通信，超大規(guī)模的MIMO技術(shù)等。智能表面技術(shù)與上述技術(shù)方向結(jié)合，可以在多個(gè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中提升通信系統(tǒng)的性能。

無線通信環(huán)境中的遮擋物會(huì)造成陰影衰落，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)通過控制發(fā)射設(shè)備的發(fā)射信號(hào)波束和接收設(shè)備的接收信號(hào)波束提升接收信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量。對(duì)于毫米波和太赫茲頻段，高頻信號(hào)的透射和繞射能力更差，通信質(zhì)量受到物體遮擋的影響更明顯。在實(shí)際部署中，智能表面可以為物體遮擋區(qū)域的終端提供轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)波束，擴(kuò)展小區(qū)的覆蓋范圍，如圖2（a）所示。對(duì)于超高流量的熱點(diǎn)業(yè)務(wù)，例如VR業(yè)務(wù)，基站與終端的直通鏈路可能無法提供足夠的吞吐量。智能表面可以為熱點(diǎn)用戶提供額外的信號(hào)傳播路徑，提升熱點(diǎn)用戶的吞吐量，如圖2（b）所示。

智能表面技術(shù)可以與大規(guī)模MIMO技術(shù)結(jié)合，克服收發(fā)天線數(shù)量增加帶來成本和功耗增大的問題，在降低設(shè)備成本的同時(shí)提升MIMO的空間分集增益，如圖2（c）所示。4G時(shí)代引入了Massive MIMO的概念，并獲得明顯的性能增益，但是隨著天線數(shù)量增多，基站需要更多的射頻鏈路，導(dǎo)致更高的功耗和復(fù)雜度，使得基站的成本大大增加，限制了Massive MIMO天線規(guī)模的進(jìn)一步升級(jí)。智能表面是Massive MIMO的一個(gè)演進(jìn)方向。由于智能表面只反射或折射入射信號(hào)，不需要具備射頻鏈路，避免了硬件復(fù)雜度和功耗的問題，可以進(jìn)一步提升多天線規(guī)模，獲得更高的波束賦形增益。

2? ? 智能表面技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1? 理論研究進(jìn)展

在理論分析中，惠更斯-菲涅爾衍射準(zhǔn)則被用于對(duì)智能表面器件單元的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行建模。在器件單元設(shè)計(jì)時(shí)，器件單元的尺寸與無線系統(tǒng)的工作頻段的波長相對(duì)應(yīng)。例如，文獻(xiàn)[1]中介紹了對(duì)應(yīng)7.8 GHz頻段的信號(hào)，器件單元的尺寸為6 mm×6 mm×2 mm，相當(dāng)于0.156×0.156×0.05λ3。每個(gè)智能表面器件單元被建模等效成獨(dú)立的信號(hào)節(jié)點(diǎn)，智能表面設(shè)備調(diào)整每個(gè)器件單元的工作狀態(tài)，使所有器件單元的響應(yīng)信號(hào)在終端節(jié)點(diǎn)正向疊加。

以相位控制型智能表面為例，器件單元（m， n）的理想補(bǔ)償相位為：

其中，d→BS，d→UE， d→mn分別為基站，終端，器件單元（m， n）的坐標(biāo)向量。如果終端與智能表面的相對(duì)位置滿足遠(yuǎn)場(chǎng)輻射條件，智能表面到終端的信號(hào)近似為平行信號(hào)， |d→UE- d→mn |≈d→UE? d→mn。在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)輻射條件時(shí)，基站與智能表面之間也可以進(jìn)行相應(yīng)近似操作。

對(duì)于1 bit離散相位控制型智能表面，通過離散化處理將理想補(bǔ)償相位映射離散相位上，例如：

離散化控制方案相比于連續(xù)控制方案有一定性能損失，性能損失由參數(shù)量化階數(shù)決定[5]。根據(jù)理論分析，1 bit離散相位控制方案的信號(hào)質(zhì)量與理想情況的差距大約為-3.9 dB，2 bit離散相位控制方案的信號(hào)質(zhì)量與理想情況的差距小于-1 dB。智能表面的信號(hào)正向疊加方案可以獲得很高的分集增益，該分集增益正比于器件單元數(shù)量的平方[6]。

智能表面設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的高效轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)智能表面的器件數(shù)量足夠多時(shí)，終端接收信號(hào)質(zhì)量和總功耗要優(yōu)于傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼[6]和解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼[7]。圖3為基于智能表面的波束賦形原理示意圖。

2.2? 樣機(jī)和測(cè)試結(jié)果

基于智能表面設(shè)備的通信系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。

國外方面，日本DOCOMO公司于2019年首次在外場(chǎng)測(cè)試了基于靜態(tài)的智能反射表面設(shè)備的28 GHz毫米波通信[8]，其通信速率達(dá)到560 Mb/s。在相同環(huán)境中，不依靠智能反射表面設(shè)備的端到端的通信速率僅為60 Mb/s。美國麻省理工學(xué)院搭建了工作于2.4 GHz非授權(quán)頻段的測(cè)試平臺(tái)RFocus[9]，驗(yàn)證了室內(nèi)商場(chǎng)場(chǎng)景中部署智能表面的可行性，部署智能表面后的室內(nèi)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度平均提升約2倍。

國內(nèi)高校也實(shí)現(xiàn)了基于智能表面設(shè)備的通信系統(tǒng)，并且在智能表面設(shè)備器件單元的構(gòu)造設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上有獨(dú)到的見解。清華大學(xué)[10]設(shè)計(jì)了2 bit離散相位控制器件，該器件包含兩個(gè)PIN二極管作為2 bit控制模塊。清華大學(xué)制作了256個(gè)器件單元的智能反射表面設(shè)備，該設(shè)備在28.5 GHz頻段的波束賦形增益可達(dá)19.1 dB。東南大學(xué)[11]設(shè)計(jì)了電壓控制的智能反射器件，該器件具有良好的電壓-反射相位的線性關(guān)系?；谶@個(gè)新型器件單元，東南大學(xué)實(shí)現(xiàn)了基于智能反射表面的8PSK信號(hào)調(diào)整，通信速率達(dá)到6.144 Mb/s。值得注意的是，與傳統(tǒng)的被動(dòng)反射或折射第三方信號(hào)的智能表面不同，東南大學(xué)設(shè)計(jì)的這個(gè)智能表面還可以利用第三方信號(hào)，即通過改變第三方信號(hào)的相位，來傳輸智能表面本身的信號(hào)。從本質(zhì)上可以看做是一種backscatter技術(shù)。

2.3? 未來的研究方向

基于智能表面技術(shù)的通信系統(tǒng)驗(yàn)證了這項(xiàng)新技術(shù)的可行性，并且提供了可觀的系統(tǒng)性能增益。在產(chǎn)業(yè)化之前，智能表面技術(shù)還有很多開放性問題需要研究，我們列出目前學(xué)術(shù)界討論最多的三個(gè)問題：

（1）器件單元的設(shè)計(jì)和建模理論。用于通信的智能表面器件單元需要支持雙極化的入射信號(hào)，并且對(duì)于雙極化入射信號(hào)具有相近幅度和相位響應(yīng)特性。智能表面器件單元的設(shè)計(jì)需要從器件材料選取和器件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向設(shè)計(jì)符合通信系統(tǒng)需求的智能硬件。在理論分析中，智能表面器件單元被建模成理想的反射單元，然而實(shí)際的器件單元的響應(yīng)信號(hào)的參數(shù)受到多個(gè)因素影響，例如入射信號(hào)角度，出射信號(hào)角度，入射信號(hào)極化方向等。準(zhǔn)確高效的器件單元的信號(hào)響應(yīng)模型是智能表面設(shè)備性能評(píng)估的基礎(chǔ)。

（2）智能表面的信道建模。未來的通信環(huán)境中可能會(huì)大量部署智能表面設(shè)備。智能表面設(shè)備不能抽象為一個(gè)簡單的通信節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)有的無線通信信道模型不適用于智能表面的信道建模。學(xué)術(shù)界需要對(duì)智能表面設(shè)備與基站或終端節(jié)點(diǎn)之間的信道特征進(jìn)行分析和建模并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。特別地，智能表面的信道特征受基站、終端和智能表面部署位置的影響，系統(tǒng)仿真需要對(duì)智能表面進(jìn)行空間建模來準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)性能。

（3）信道測(cè)量和反饋機(jī)制。由于智能表面由大量的器件單元構(gòu)成并且沒有射頻和基帶處理能力，所以基站無法分別獲得基站到智能表面以及智能表面到終端的信道信息。基站或終端的接收信號(hào)由大量的智能表面器件單元的響應(yīng)信號(hào)疊加形成，改變一個(gè)或者少量的器件單元的工作狀態(tài)并不能使接收信號(hào)產(chǎn)生明顯的變化。一種可能的測(cè)量方案[12]是在智能表面中安裝少量有源器件單元，使得智能表面能夠進(jìn)行信道測(cè)量和反饋;基站使用壓縮感知或者深度學(xué)習(xí)算法從有限的信道信息中推算出合理的智能表面配置參數(shù)?；谥悄鼙砻娴耐ㄐ畔到y(tǒng)需要一個(gè)高效的信道測(cè)量機(jī)制，在保證智能表面低復(fù)雜度的前提下，盡量提升端到端的信號(hào)質(zhì)量。

此外，基于智能表面的通信系統(tǒng)的理論性能分析，多用戶MIMO性能分析，智能表面應(yīng)用部署場(chǎng)景的探索等也是后續(xù)研究的重要方向。

3? ?結(jié)束語

作為6G潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，智能表面技術(shù)通過控制每個(gè)器件單元對(duì)入射到智能表面的無線信號(hào)的響應(yīng)模式，來實(shí)現(xiàn)覆蓋延伸、熱點(diǎn)增強(qiáng)和MIMO空間分集增強(qiáng)等目的。智能表面技術(shù)相當(dāng)于重構(gòu)或者增強(qiáng)了信道傳播環(huán)境。本文介紹了智能表面的工作特點(diǎn)，歸納了智能表面技術(shù)在6G系統(tǒng)中多種應(yīng)用場(chǎng)景。更進(jìn)一步，文章總結(jié)了學(xué)術(shù)界對(duì)智能表面的理論分析、國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的樣機(jī)開發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果。最后，文章給出了智能表面的未來研究方向，包括器件單元的設(shè)計(jì)和建模理論，信道建模，信道測(cè)量和反饋機(jī)制等。

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作者簡介

楊坤（orcid.org/0000-0002-8987-2985）：

博士畢業(yè)于北京大學(xué)，現(xiàn)任職于vivo通信研究院，通信標(biāo)準(zhǔn)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄鼙砻妫欣^網(wǎng)絡(luò)等B5G和6G物理層通信技術(shù)。

姜大潔：碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于vivo通信研究院，主要研究方向?yàn)锽5G和6G移動(dòng)通信技術(shù)。

秦飛：碩士畢業(yè)于電信科學(xué)技術(shù)研究院，自2001年開始從事3G、4G、5G系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，現(xiàn)任vivo通信研究院院長，主要研究方向?yàn)锽5G和6G移動(dòng)通信技術(shù)。