趙亞軍，菅夢楠

(1.中興通訊股份有限公司，北京 100192；.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055)

0 引言

隨著5G商用網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，5G用戶數(shù)量及移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求快速增長。2021年4月27―28日召開的3GPP PCG#46會(huì)議上正式通過把“5G-Advanced”用于標(biāo)識(shí)5G Rel-18之后的標(biāo)準(zhǔn)版本，并于6月27日—7月2日舉行Rel-18 workshop，討論5G Rel-18及后續(xù)版本的需求及候選技術(shù)特性，標(biāo)志著5G標(biāo)準(zhǔn)化即將進(jìn)入第二階段[1]。相對5G第一階段，5G標(biāo)準(zhǔn)的第二階段5G-Advanced(5G-Adv)提出了更高的需求[2]。與此同時(shí)，6G需求探索及潛在關(guān)鍵研究工作也在如火如荼地開展，提出了全新的業(yè)務(wù)及場景需求，對技術(shù)有了更高的要求[3]。

一直以來，隨心所欲地調(diào)控電磁波是人們不斷追尋的夢想，麥克斯韋方程組的出現(xiàn)使得人類對電磁波的掌控能力得到飛速的增長。但受限于天然材料相對固定的電磁參數(shù)，人們對電磁波的控制力僅局限在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上。近年來，智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)因?yàn)槠淠軌蜢`活操控信道環(huán)境中的電磁特性，一經(jīng)出現(xiàn)就吸引了學(xué)界和業(yè)界廣泛的關(guān)注。尤其近一兩年，RIS在學(xué)術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)推進(jìn)上更是發(fā)展迅速，被認(rèn)為是5G-Adv[4-7]和6G網(wǎng)絡(luò)[8-9]的關(guān)鍵候選技術(shù)之一。RIS通常由大量精心設(shè)計(jì)的電磁單元排列組成，通過給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號(hào)，可以動(dòng)態(tài)地控制這些電磁單元的電磁性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以可編程的方式對空間電磁波進(jìn)行主動(dòng)的智能調(diào)控，形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場。作為超材料的二維實(shí)現(xiàn)，RIS天然具有低成本、低復(fù)雜度和易部署的特性，有機(jī)會(huì)用以解決未來無線網(wǎng)絡(luò)面臨全新需求與挑戰(zhàn)。RIS引入無線通信網(wǎng)絡(luò)，使得無線傳播環(huán)境從被動(dòng)適應(yīng)變?yōu)橹鲃?dòng)可控，從而構(gòu)建了智能無線環(huán)境(Smart Radio Environments，SRE)。SRE的概念為無線通信系統(tǒng)引入了一種新的通信理論觀點(diǎn)，并為優(yōu)化提供了新的機(jī)會(huì)[10]。

已有的RIS研究主要針對經(jīng)典通信問題在RIS引入后面臨的新挑戰(zhàn)進(jìn)行研究探討，例如信道估計(jì)、波束賦形等，并且側(cè)重于單用戶或簡單多用戶場景。相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)對上述問題進(jìn)行了深入的理論分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。不過，RIS的引入可能構(gòu)建全新的網(wǎng)絡(luò)范式，在給未來網(wǎng)絡(luò)帶來全新可能的同時(shí)，也導(dǎo)致了諸多全新的技術(shù)及工程應(yīng)用挑戰(zhàn)。本文將重點(diǎn)嘗試對這些全新挑戰(zhàn)進(jìn)行深入分析探討，并提出可能的解決方案或研究思路。

本文首先介紹了RIS使能未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要方面，包括重構(gòu)無線信道增強(qiáng)通信能力，使能無線網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)更多可能和實(shí)現(xiàn)端到端全鏈路智能化；然后簡單匯總RIS網(wǎng)絡(luò)面臨的主要工程化應(yīng)用技術(shù)挑戰(zhàn)，對其中的信道降秩、網(wǎng)絡(luò)間共存、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共存、網(wǎng)絡(luò)部署等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行深入分析和探討，并提出可能的解決方案或研究思路；最后，文章給出了總結(jié)與展望。

1 RIS使能未來無線通信網(wǎng)絡(luò)

RIS作為一種亞波長二維表面的人工材料，相對傳統(tǒng)通信技術(shù)表現(xiàn)出很多優(yōu)良的技術(shù)特性，這些技術(shù)特性可以很好地使能未來無線網(wǎng)絡(luò)。其典型技術(shù)特性主要包括四方面：① 無源，不會(huì)引入熱噪聲，功耗低，滿足綠色通信的要求；② 低成本，不需要混頻器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器、功率放大器等高成本器件；③ 易部署，可擴(kuò)展和輕量化的設(shè)計(jì)使其具有安裝、拆卸容易的特點(diǎn)；④ 連續(xù)表面任意點(diǎn)均可重構(gòu)電磁波，可構(gòu)成任意形狀表面以適應(yīng)不同應(yīng)用場景，支持更高的空間分辨率。此外，智能超表面具有全頻段響應(yīng)特性，可支持全雙工傳輸，且一般面積大，接收能量高，并方便密集部署，具有工程實(shí)踐的天然優(yōu)勢?；赗IS上述優(yōu)良的技術(shù)特性，其在解決非視距傳輸問題、擴(kuò)展覆蓋范圍、減小電磁污染、環(huán)境感知與定位、實(shí)現(xiàn)綠色通信等方面具有積極意義，并可以作為未來通信感知一體化的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

1.1 重構(gòu)無線信道，增強(qiáng)通信能力

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的無線信道存在兩方面的問題：其一，信道容量受限于自然傳播信道特性，只能通過優(yōu)化收發(fā)機(jī)算法無限逼近自然傳播信道約束下的信道容量上限；其二，傳輸信道的大尺度與小尺度信道參數(shù)隨機(jī)時(shí)變，難以避免信道估計(jì)偏差，導(dǎo)致無論鏈路自適應(yīng)還是波束賦形均會(huì)存在信道匹配偏差，實(shí)際可達(dá)容量與理想信道容量有差距。

RIS的引入將帶來信道特性的全新變化，有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)無線信道的重構(gòu)，突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自然無線傳播信道的限制。其對信道特性的改變主要可以體現(xiàn)為如下三方面：

① 恰當(dāng)部署足夠數(shù)量的RIS并利用其異常調(diào)控能力，控制電磁波的主要傳播路徑，大幅度改變電磁波的強(qiáng)度分布特性，實(shí)現(xiàn)對信道大尺度參數(shù)的控制。例如，毫米波波束易阻擋，可以恰當(dāng)部署RIS進(jìn)行散射調(diào)控，對信號(hào)傳播路徑進(jìn)行大相位調(diào)整，實(shí)現(xiàn)覆蓋重構(gòu)。合理部署和調(diào)控RIS，可以嚴(yán)格約束覆蓋區(qū)域，從而降低小區(qū)間干擾耦合關(guān)系。

② 泛在部署的RIS進(jìn)行自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的主要散射體/多徑的時(shí)延、幅度、相位以及極化方式等的動(dòng)態(tài)按需調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對信道小尺度參數(shù)的控制，達(dá)到抑制多徑效應(yīng)并改變MIMO信道空間特性的目的。例如，RIS可以通過調(diào)控反射信號(hào)的調(diào)控，跟蹤UE的移動(dòng)，盡可能降低信道深度衰落的概率，包括多徑引起的小尺度深度衰落和陰影等引起的大尺度深度衰落。

③ 動(dòng)態(tài)調(diào)控多徑信道參數(shù)，信道的小尺度參數(shù)從隨機(jī)動(dòng)態(tài)時(shí)變成為一定程度地確定可控，從而使得信道參數(shù)可以被更為準(zhǔn)確地估計(jì)預(yù)測。

由上可知，由于RIS低成本、低功耗、簡單易部署的特點(diǎn)，有機(jī)會(huì)泛在部署。而泛在部署的RIS有機(jī)會(huì)改變自然傳播信道，并通過改變信道打破自然傳播信道固有的容量限制，從而提升信道容量。其核心能力來自于對自然無線信道的智能控制和改變，通過對反射相位、幅度、極化方式等的調(diào)控，把無線信道從一個(gè)高度隨機(jī)時(shí)變的自然信道改變?yōu)橐粋€(gè)一定程度確定可控的人為信道。

1.2 使能無線網(wǎng)絡(luò)，提供網(wǎng)絡(luò)更多可能

RIS引入無線網(wǎng)絡(luò)，因其全新的技術(shù)特征，在增強(qiáng)傳統(tǒng)通信能力的基礎(chǔ)上，也為未來無線網(wǎng)絡(luò)提供了更多可能。諸多文獻(xiàn)對RIS可能的應(yīng)用進(jìn)行了探討，其中比較典型的應(yīng)用包括高精度感知定位、數(shù)能同傳、背向散射、安全通信、減少電磁污染等方面。

不失一般性，以RIS支持感知定位應(yīng)用為例。傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供了無線定位功能，它的定位精度受到基站部署位置、基站數(shù)量、天線陣子規(guī)模等的限制，其空間與角度辨識(shí)能力有限。相較于傳統(tǒng)收發(fā)機(jī)，使用RIS進(jìn)行電磁感知的優(yōu)點(diǎn)包括：① RIS易于大規(guī)模部署，可以實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)的感知和通信；② 組成RIS的大量單元可以在信道感測期間收集豐富的信息，從而獲得高精度、細(xì)粒度的環(huán)境感知結(jié)果；③ 所獲得的大量數(shù)據(jù)信息可應(yīng)用于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能技術(shù)，進(jìn)而挖掘更全面、更準(zhǔn)確的環(huán)境信息。因此，RIS有機(jī)會(huì)成為支持未來通信感知一體化的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。

1.3 實(shí)現(xiàn)端到端全鏈路智能化

近些年，AI用于增強(qiáng)傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的研究空前火熱。不過，已有研究主要探討發(fā)射端與接收端的智能化，無線信道依然需要被動(dòng)適應(yīng)自然傳播環(huán)境。RIS通過其人為靈活異常調(diào)控?zé)o線電波傳輸?shù)哪芰?，有機(jī)會(huì)構(gòu)建一個(gè)智能的無線電磁環(huán)境。即RIS的引入，使得無線網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)收、發(fā)端智能化基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無線信道的智能可控，從而有機(jī)會(huì)構(gòu)建涵蓋發(fā)射端、無線信道和接收端徹底的端到端智能無線系統(tǒng)，支撐實(shí)現(xiàn)真正的“智能泛在”與“智慧內(nèi)生”的未來6G網(wǎng)絡(luò)[11]。

綜上，RIS可以構(gòu)建智能可控?zé)o線傳播環(huán)境，突破傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的限制，并在增強(qiáng)傳統(tǒng)通信能力的基礎(chǔ)上，為未來無線網(wǎng)絡(luò)提供了更多可能。

2 面臨的技術(shù)及工程應(yīng)用挑戰(zhàn)

RIS的引入可能構(gòu)建全新的網(wǎng)絡(luò)范式，在給未來網(wǎng)絡(luò)帶來全新可能的同時(shí)，也導(dǎo)致了諸多全新的技術(shù)及工程應(yīng)用挑戰(zhàn)，表1總結(jié)匯總了RIS網(wǎng)絡(luò)面臨的主要工程化應(yīng)用技術(shù)挑戰(zhàn)。目前RIS工程應(yīng)用技術(shù)研究尚處于初期，涉及的技術(shù)問題較多，限于篇幅，本文將僅對其中信道降秩、網(wǎng)絡(luò)間共存、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共存、網(wǎng)絡(luò)部署等幾方面的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行深入分析和探討，并提出可能的解決方案或研究思路。其他未在本文展開的技術(shù)挑戰(zhàn)，將在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)一步深入分析和探討，這里先簡單羅列以供各位研究人員參考。

表1 RIS網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)及工程應(yīng)用挑戰(zhàn)

3 無線信道特性影響——信道降秩

相對于傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)，RIS的引入將對無線信道特性產(chǎn)生重大影響。例如，超大規(guī)模陣子/超大天線孔徑，使得信道的近場特性顯著；超密集陣子(<0.5λ)帶來互耦問題；對電磁波傳播可能的非線性影響以及廣泛部署對無線傳播環(huán)境可能帶來的全新模式的變化等。另外，RIS引入使得原有自然不可控電磁傳播環(huán)境變?yōu)槿藶榭煽氐碾姶艂鞑キh(huán)境，對電磁傳播環(huán)境的主動(dòng)調(diào)控可能會(huì)帶來全新的信道刻畫范式?；谖覀兊挠邢拚J(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)已有研究主要集中在RIS的大尺度特性[12]、信道估計(jì)[13]、波束賦形增益[14]等方面展開，尚未發(fā)現(xiàn)有文獻(xiàn)就引入RIS后對于MIMO空間復(fù)用性能的影響進(jìn)行深入分析和研究。

RIS使能的信道包括NB-RIS和RIS-UE兩個(gè)分段子信道。典型情況是NB-RIS之間的信道為LOS信道或NLOS低秩信道，則即使RIS-UE之間為富散射的高秩信道，NB-RIS-UE級(jí)聯(lián)信道的秩依然受限于NB-RIS之間的信道。本節(jié)將對引入RIS后帶來無線信道空間自由度下降進(jìn)而導(dǎo)致信道降秩問題進(jìn)行深入討論。

3.1 系統(tǒng)模型

對于一個(gè)RIS輔助的無線通信系統(tǒng)，考慮一個(gè)具有M個(gè)天線的NB、一個(gè)具有N個(gè)天線單元RIS和一個(gè)具有U個(gè)天線的UE。令Hnb-ue∈CU×M表示NB與UE之間的直達(dá)信道,Gnb-ris∈CN×M表示NB與RIS之間的信道，Hris-ue∈CU×N表示UE與RIS之間的信道。

NB和UE之間的整體傳播信道有兩種場景，可以分別表示為如下：

場景1：同時(shí)包括直達(dá)信道和經(jīng)過RIS的信道

HT=Hris-ueβΘrisGnb-ris+Hnb-ue，

(1)

場景2：只有通過RIS的信道，直達(dá)信道被阻塞

(2)

相應(yīng)地，UE處的接收信號(hào)Y可以表示為如下：

場景1：同時(shí)包括直達(dá)信道和經(jīng)過RIS的信道

Y=(Hris-ueΘrisGnb-ris+Hnb-ue)FX+W，

(3)

場景2：只有通過RIS的信道，直達(dá)信道被阻塞

Y′=(Hris-ueΘrisGnb-ris)FX+W，

(4)

其中,Θris=diag(θ1,θ1,…,θN)是RIS處的反射向量，θn表示第n個(gè)RIS元素的反射系數(shù)，β為RIS的增益,F為NB處的預(yù)編碼向量，W∈CU×1為UE處的接收噪聲。注意，θn可以進(jìn)一步表示為θn=βnejφn,βn∈[0，1]和φn∈[0,2π] 并分別表示第n個(gè)RIS元素的振幅和相位。

3.2 問題分析

場景1：同時(shí)包括直達(dá)信道和通過RIS散射信道

由上可知，通過RIS的信道包括了NB-RIS和RIS-UE兩個(gè)分段子信道。典型情況下，RIS面板一般布置在相對較高的位置，典型情況是NB與RIS之間散射體較少，NB-RIS之間的信道大多為純LoS信道或者萊斯因子較高的萊斯信道，信道矩陣處于低秩狀態(tài)。由兩個(gè)矩陣乘積的秩滿足不等式r(AB)≤min(r(A),r(B))可知，即使RIS-UE之間的信道為富散射的高秩信道，NB-RIS-UE總信道的秩依然受限于NB-RIS之間的信道。RIS信道特性類似多天線中繼(Relay)信道，文獻(xiàn)[15]對多天線中繼信道的低秩問題進(jìn)行了深入的分析。另外，也可以從MIMO信道的鎖孔效應(yīng)(Keyhole Effect)角度分析。引入RIS后，RIS信道可能會(huì)產(chǎn)生鎖孔效應(yīng)，尤其是NB-UE直達(dá)信道被阻擋而僅有通過RIS反射信道的場景[16]。

場景2：只有通過RIS散射信道，直達(dá)信道被阻塞

由式(1)，經(jīng)過RIS的信道分量，包含了RIS提供的波束賦形增益β。典型情況，RIS一般具有超大規(guī)模天線陣子，也即波束賦形增益較高(β>>1)，因而通過RIS的信道分量Hris-ueβΘrisGnb-ris貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于基站直達(dá)UE的信道分量Hnb-ue。在此典型情況下，場景1退化為場景2，信道條件數(shù)也主要受限于NB-RIS之間的信道。當(dāng)然，若‖Hnb-ue‖>>‖Hris-ueΘrisGnb-ris‖，使得β‖Hris-ueΘrisGnb-ris‖與‖Hnb-ue‖數(shù)量級(jí)相當(dāng)，也即經(jīng)過RIS的信道分量貢獻(xiàn)與基站直達(dá)UE信道分量相當(dāng)，此時(shí)，信道條件數(shù)與無RIS的傳統(tǒng)MIMO信道情況類似。

3.3 潛在解決方案

基于上述問題分析可知，RIS引入后對信道條件數(shù)的制約主要來自于NB-RIS之間的信道Gnb-ris，需要從RIS分段信道中的Gnb-ris成分入手探索解決手段。

小區(qū)邊緣UE為功率受限，引入RIS的主要目的是為了獲得陣列增益，而不是空間復(fù)用增益，RIS導(dǎo)致的信道秩下降對其性能影響不大。而且RIS的引入還獲得波束賦形增益，增強(qiáng)了信號(hào)，因此邊緣UE受益于RIS。但對于非小區(qū)邊緣的UE，一般無RIS輔助時(shí)信號(hào)強(qiáng)度已較高，且多大典型的自然傳播信道滿足富散射條件，為高秩信道，可以獲得較高M(jìn)IMO復(fù)用增益。但若引入RIS，也即引入NB-RIS信道，則可能使得信道的秩急劇降低，從而導(dǎo)致該UE的MIMO復(fù)用增益大大下降?；诖硕ㄐ苑治隹芍?，RIS的引入對小區(qū)中心那些高SINR的UE性能影響較大，對分布在其他位置的UE性能影響相對較小。因此，本文主要針對SINR較高的UE，并進(jìn)一步分為近場情況和遠(yuǎn)場情況探討相應(yīng)的解決方案。

若基站與RIS之間的信道條件滿足近場假設(shè)，此時(shí)可以采用LoS MIMO技術(shù)思想進(jìn)行分析。例如，可以采用縮短基站與RIS之間的距離、擴(kuò)大RIS天線孔徑面積等方式來加大入射信號(hào)在RIS表面不同天線陣元上的相位差，從而提升信道條件數(shù)。進(jìn)一步地，若滿足軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)信道條件(即近場且準(zhǔn)共軸)，可以考慮采用渦旋角動(dòng)量來提升空間復(fù)用增益。不過若采用OAM機(jī)制，基站和UE的天線形態(tài)需要滿足OAM需求，且收發(fā)機(jī)也需要相應(yīng)優(yōu)化。

若基站與RIS之間的信道條件滿足遠(yuǎn)場假設(shè)，且僅有通過RIS反射的信道時(shí)，顯然依賴單個(gè)RIS面板難以改善信道條件數(shù)。若條件允許，可以部署多個(gè)RIS面板以提供多個(gè)獨(dú)立的散射表面，從而改善信道條件數(shù)。RIS的低成本、低功耗和簡單易部署特性，提供了部署多個(gè)RIS面板的可能性。若可以部署更多的RIS面板，甚至有機(jī)會(huì)解決自然散射環(huán)境的散射體稀疏導(dǎo)致的信道條件數(shù)較大的問題，增加信道空間自由度，進(jìn)而提升信道的空間復(fù)用增益。

針對同時(shí)存在NB-RIS-UE信道和NB-UE信道的情況，對于那些非SINR受限的UE，RIS可以采用寬波束或廣播波束以降低波束賦形增益，從而滿足β‖Hris-ueΘrisGnb-ris‖與‖Hnb-ue‖相當(dāng)?shù)臈l件，也即經(jīng)過RIS信道的分量貢獻(xiàn)與基站直達(dá)UE信道相當(dāng)。此時(shí)，RIS提供了一定的波束賦形增益，同時(shí)還提供了更多的散射路徑，增加信道空間自由度，進(jìn)而提升了空間復(fù)用增益。也即，小區(qū)中心的RIS設(shè)計(jì)目標(biāo)不是追求賦形增強(qiáng)信號(hào)，而是側(cè)重抑制多徑效應(yīng)，增加空間自由度，優(yōu)化不同地理區(qū)域信號(hào)質(zhì)量的平穩(wěn)性。

另外，為了更好地針對不同情況選擇合適的解決方案，還需要設(shè)計(jì)一些測量與判決機(jī)制以準(zhǔn)確估計(jì)和判斷UE所處的場景，從而針對性地采用對應(yīng)的優(yōu)化方案。例如，若同時(shí)存在RIS路徑和直達(dá)路徑，給出合適的判決準(zhǔn)則，選擇調(diào)度通過RIS的路徑或者直達(dá)路徑?；蛘?，優(yōu)化RIS部署，使得小區(qū)中心UE盡量采用直達(dá)路徑而不采用RIS路徑。

4 網(wǎng)絡(luò)間—多網(wǎng)絡(luò)共存(Inter-Networks)

無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際組網(wǎng)場景中，多網(wǎng)絡(luò)共存是傳統(tǒng)典型問題。共存的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別由不同的運(yùn)營者部署和管理，共存的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于彼此之間協(xié)作受限。引入RIS之后，其在理想調(diào)控下可以優(yōu)化調(diào)控相鄰節(jié)點(diǎn)之間的干擾關(guān)系，不過考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、多網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的可行性及RIS固有技術(shù)特性約束等因素，給多網(wǎng)絡(luò)共存帶來了全新挑戰(zhàn)。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，入射在RIS面板上的無線信號(hào)既包括RIS優(yōu)化調(diào)控的“目標(biāo)信號(hào)”，也包括其他“非目標(biāo)信號(hào)”，RIS將會(huì)對這兩類信號(hào)同時(shí)調(diào)控。其通過調(diào)控電磁波的幅度、相位、極化方式等可以增強(qiáng)“目標(biāo)信號(hào)”，同時(shí)也對“非目標(biāo)信號(hào)”進(jìn)行非預(yù)期的異常調(diào)控。

從頻譜使用關(guān)系角度，多網(wǎng)絡(luò)共存可以包括同頻共存(也可以稱為同道共存)、異頻共存(也可以稱為鄰道共存)兩類場景。多網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)，其主要制約因素在于網(wǎng)絡(luò)之間不能或不方便協(xié)調(diào)調(diào)控/調(diào)度。本節(jié)將分別對這兩類共存場景面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。

4.1 同頻共存

隨著頻譜資源的日益緊張，頻譜共享將會(huì)是未來6G網(wǎng)絡(luò)主要的頻譜使用方式[3]。當(dāng)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用頻譜共享方式使用頻譜時(shí)，存在網(wǎng)絡(luò)間同頻共存的問題。傳統(tǒng)頻譜共享技術(shù)已經(jīng)非常成熟，典型的方式包括認(rèn)知無線電技術(shù)(Cognitive Radio，CR)為基礎(chǔ)的主從系統(tǒng)之間的頻譜共享、基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)非授權(quán)頻譜共享技術(shù)等。RIS的引入將會(huì)給頻譜共享技術(shù)提供了新的機(jī)遇，但同時(shí)也會(huì)帶來全新的挑戰(zhàn)。

(1) 對同頻異網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的非預(yù)期異常調(diào)控

典型共存的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)一般是共覆蓋部署，重疊覆蓋區(qū)域部署的RIS會(huì)對入射在其上的來自不同網(wǎng)絡(luò)的同頻信號(hào)同時(shí)進(jìn)行調(diào)控。情況一：假設(shè)有兩個(gè)同頻的網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B)共存，并假設(shè)僅有網(wǎng)絡(luò)A部署了RIS_A。RIS_A受控于網(wǎng)絡(luò)A，并入射其上的來自網(wǎng)絡(luò)A的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，其同時(shí)也會(huì)對入射其上的來自網(wǎng)絡(luò)B的同頻非目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行非預(yù)期的異常調(diào)控。情況二：假設(shè)有兩個(gè)同頻的網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B)共存，并假設(shè)網(wǎng)絡(luò)A和B分別部署了RIS_A和RIS_B。RIS_A受控于網(wǎng)絡(luò)A，并入射其上的來自網(wǎng)絡(luò)A的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，其同時(shí)也會(huì)對入射其上的來自網(wǎng)絡(luò)B的同頻非目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行了非預(yù)期的異常調(diào)控。相應(yīng)地，RIS_B受控于網(wǎng)絡(luò)B，并入射其上的來自網(wǎng)絡(luò)B的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，其同時(shí)也會(huì)對入射其上的來自網(wǎng)絡(luò)A的同頻非目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行了非預(yù)期的異常調(diào)控。

對于情況一，網(wǎng)絡(luò)B的信號(hào)傳播信道產(chǎn)生了不可預(yù)期的動(dòng)態(tài)變化。網(wǎng)絡(luò)B在t1時(shí)刻測量獲得的信道HB(t1)，被RIS_A在t2時(shí)刻異常調(diào)控，則此時(shí)的信道HB(t2)可能與HB(t1)已有很大差異。網(wǎng)絡(luò)B可能會(huì)在t2時(shí)刻調(diào)度發(fā)送，由于網(wǎng)絡(luò)B對其信道的變化未知，依然基于HB(t1)進(jìn)行調(diào)度，信道不匹配導(dǎo)致嚴(yán)重的性能下降；對于情況二，由于網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B可能同時(shí)被自己的RIS優(yōu)化調(diào)控和對方的RIS異常調(diào)控，則可能導(dǎo)致RIS調(diào)控優(yōu)化失效，甚至可能性能惡化。另外，超大天線孔徑RIS的引入，也使得MIMO信道的非平穩(wěn)特性更加顯著[17]，這將會(huì)進(jìn)一步加劇RIS異常調(diào)控的影響。

對于異系統(tǒng)/異網(wǎng)絡(luò)的同頻信號(hào)進(jìn)行的非預(yù)期異常調(diào)控問題，有兩種可能的解決方案。其一，對于RIS動(dòng)態(tài)調(diào)控的場景，減小信道測量的周期，盡可能降低RIS導(dǎo)致的信道不匹配的發(fā)生概率；其二，多網(wǎng)絡(luò)共享使用頻譜時(shí)，若采用如“先聽后說(Listen Before Talk，LBT)”等基于信道感知的隨機(jī)競爭接入機(jī)制，則同覆蓋的網(wǎng)絡(luò)間自然形成TDM方式使用頻譜，從而不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B的信號(hào)同時(shí)入射RIS并被異常調(diào)控的情況。

(2) RIS加強(qiáng)信號(hào)并擴(kuò)展覆蓋半徑，但也會(huì)惡化網(wǎng)絡(luò)間干擾關(guān)系

網(wǎng)絡(luò)間頻譜共享一般基于干擾能量感知的隨機(jī)競爭接入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間頻譜公平共享。RIS的引入帶來信道特性的很大變化，不再滿足寬平穩(wěn)假設(shè)，對頻譜干擾感知與評(píng)估的準(zhǔn)確性帶來挑戰(zhàn)。RIS網(wǎng)絡(luò)中，對周圍節(jié)點(diǎn)的干擾信號(hào)不僅直接來自收發(fā)節(jié)點(diǎn)，還存在被RIS波束賦形增強(qiáng)的干擾信號(hào)。RIS對信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)異常調(diào)控，使得該路徑的信號(hào)難以準(zhǔn)確估計(jì)，且該路徑信號(hào)強(qiáng)度較高，其估計(jì)偏差會(huì)帶來不可忽略的影響。另外，典型的RIS具有超大規(guī)模天線陣元、超大尺寸天線孔徑，空間非平穩(wěn)性更加顯著，對頻譜的干擾感知與評(píng)估的準(zhǔn)確性帶來更大挑戰(zhàn)。干擾感知與估計(jì)偏差增大將會(huì)加劇頻譜共享中的隱藏節(jié)點(diǎn)/暴露節(jié)點(diǎn)問題，從而可能造成系統(tǒng)間共存關(guān)系的惡化。

RIS波束賦形導(dǎo)致的干擾感知和估計(jì)偏差主要是由于賦形的定向窄波束導(dǎo)致，采用傳統(tǒng)全向天線的假設(shè)不能準(zhǔn)確測量干擾信號(hào)，需要考慮空域維度的LBT機(jī)制。我們前期研究中提供了一種定向LBT(Directional LBT)機(jī)制，可以更準(zhǔn)確感知窄波束的干擾信號(hào)[18]。當(dāng)然，也可以采用其他保守方案。例如，在RIS網(wǎng)絡(luò)中降低感知門限，盡可能避免干擾；或者RIS調(diào)控時(shí)增加優(yōu)化約束條件，即限制其對信號(hào)調(diào)控后的覆蓋范圍，在保證共存性能的前提下優(yōu)化目標(biāo)系統(tǒng)的信號(hào)。不過，這些保守方案頻譜利用率較低，系統(tǒng)性能會(huì)有損失。

綜上，在頻譜共享場景下解決RIS引入后的多網(wǎng)絡(luò)共存的基本技術(shù)思想是優(yōu)化傳統(tǒng)頻譜共享接入機(jī)制，例如采用定向LBT機(jī)制、降低感知門限等，盡可能降低隱藏節(jié)點(diǎn)/暴露節(jié)點(diǎn)概率。通過優(yōu)化的競爭接入機(jī)制，達(dá)到TDM模式的網(wǎng)絡(luò)間頻譜共享使用關(guān)系。

4.2 異頻共存

對于異頻共存場景，存在RIS的寬帶調(diào)控與多網(wǎng)絡(luò)鄰道泄露抑制需求矛盾的問題。本節(jié)將對異頻共存下RIS的問題進(jìn)行深入分析，并給出相應(yīng)的解決方案。

常規(guī)RIS一般具有寬帶調(diào)控能力，其有利于無線寬帶通信和支持同時(shí)多個(gè)頻段的通信，不過該特性卻與多網(wǎng)絡(luò)鄰頻共存矛盾。RIS的天線陣元同一時(shí)間只能進(jìn)行單個(gè)相位/幅度的調(diào)控，不能同時(shí)對入射的不同子頻帶的信號(hào)分別采用不同的系數(shù)加權(quán)，也就無法針對一個(gè)以上的子頻帶信道分別地進(jìn)行最佳匹配信道。例如，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B)重疊覆蓋，兩者采用相鄰頻帶的頻譜資源。若網(wǎng)絡(luò)A的RIS_A針對其通信需求進(jìn)行信號(hào)傳播的優(yōu)化調(diào)控，由于常規(guī)RIS為寬帶電磁波調(diào)控，則RIS_A將會(huì)同時(shí)對較大帶寬內(nèi)的入射信號(hào)執(zhí)行調(diào)控操作，也同時(shí)會(huì)對同覆蓋區(qū)域的鄰頻網(wǎng)絡(luò)B信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，從而造成對異頻網(wǎng)絡(luò)B產(chǎn)生嚴(yán)重的非預(yù)期信道擾動(dòng)，帶來異頻網(wǎng)絡(luò)間的共存問題,即RIS的寬帶調(diào)控與多網(wǎng)絡(luò)鄰道泄露抑制需求矛盾。例如運(yùn)營商A與B鄰頻，RIS_A針對運(yùn)營商A優(yōu)化電磁波傳播調(diào)控；由于一般RIS調(diào)控響應(yīng)帶寬較寬(例如幾GHz帶寬)，則RIS_A也同時(shí)會(huì)對運(yùn)營商B的無線信號(hào)進(jìn)行調(diào)控。顯然，RIS_A對運(yùn)營商B信號(hào)的調(diào)控是非期望的，因此可能會(huì)對運(yùn)營商B的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

異頻共存場景的非預(yù)期調(diào)控問題，一種可能的解決方案是采用多層超表面結(jié)構(gòu)的RIS。不失一般性，這里以雙層超表面結(jié)構(gòu)為例。其中，第一層為透射表面，一般采用固定權(quán)值，用于對入射信號(hào)進(jìn)行限帶處理，僅通過目標(biāo)帶寬內(nèi)的信號(hào)，并抑制帶外信號(hào)；而第二層為正常動(dòng)態(tài)可調(diào)超表面，對濾波后的目標(biāo)帶寬內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)控。需要特別說明的是，反射型雙層結(jié)構(gòu)RIS的第一層超表面會(huì)對鄰頻帶外信號(hào)進(jìn)行兩次限帶濾波，即在信號(hào)入射以及從內(nèi)部出射時(shí)均會(huì)對鄰頻帶信號(hào)進(jìn)行濾波操作。若采用更多層帶限超表面進(jìn)行限帶濾波，限帶效果會(huì)更好一些，不過需要評(píng)估多層結(jié)構(gòu)帶來的層間耦合、對目標(biāo)信號(hào)的衰落以及成本與體積等影響。

需要注意的是，在保證對目標(biāo)信號(hào)調(diào)控性能的前提下，若提升帶限性能指標(biāo)，會(huì)帶來復(fù)雜度與成本問題。不過，考慮到RIS本身量化精度要求相對較低，原則上對帶外泄露的影響指標(biāo)存在降低的可能。需要進(jìn)一步深入分析與評(píng)估，在平衡性能與成本關(guān)系的基礎(chǔ)上尋求優(yōu)化方案。

4.3 專網(wǎng)與公網(wǎng)共存

5G網(wǎng)絡(luò)一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)即為支持垂直行業(yè)的應(yīng)用，并且可以預(yù)期，未來6G也會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)對垂直行業(yè)的支持。垂直行業(yè)用戶與普通用戶面臨不同的需求，采用專網(wǎng)服務(wù)垂直行業(yè)用戶是比較典型的方式。隨著垂直行業(yè)用戶的快速發(fā)展，專網(wǎng)也隨之將普遍存在，因而專網(wǎng)(服務(wù)垂直行業(yè))與公網(wǎng)(服務(wù)普通用戶)共存問題將不可忽略。雖然專網(wǎng)與公網(wǎng)共存問題也能歸屬于上述同頻/異頻共存問題，不過其具有一些獨(dú)特的特性，這里進(jìn)行探討。

專網(wǎng)覆蓋有兩種實(shí)現(xiàn)方式，二者面臨不同的挑戰(zhàn)，需要分別采取不同的解決方案。專網(wǎng)模式一，采用公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)覆蓋需求(一個(gè)網(wǎng)絡(luò))，也即一個(gè)公網(wǎng)同時(shí)用于滿足專網(wǎng)用戶及同覆蓋區(qū)域的其他一般用戶需求。RIS調(diào)控及資源調(diào)度以專網(wǎng)用戶高優(yōu)先級(jí)，在專網(wǎng)用戶有業(yè)務(wù)需求時(shí)，RIS調(diào)控優(yōu)先優(yōu)化專網(wǎng)用戶覆蓋；無專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求時(shí)，則優(yōu)先該網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的其他用戶需求。專網(wǎng)模式二，獨(dú)立的專網(wǎng)覆蓋，與公網(wǎng)分別服務(wù)專網(wǎng)和公網(wǎng)用戶，典型的情況是兩者之間為異頻組網(wǎng)，不存在模式一中的同頻共存問題。不過若專網(wǎng)與公網(wǎng)鄰頻，則面臨與4.2節(jié)異頻共存類似的問題，解決方案也是類似。不過考慮到一般專網(wǎng)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)較高，因此在采用異頻共存的解決方案時(shí)需要同時(shí)兼顧專網(wǎng)業(yè)務(wù)具有高優(yōu)先級(jí)的優(yōu)化需求。

5 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)—多用戶復(fù)用和多小區(qū)共存(Intra-Networks)

一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部存在兩類共存關(guān)系，包括小區(qū)內(nèi)多UE共存和小區(qū)間頻率重用/鄰道共存。RIS引入網(wǎng)絡(luò)，在理想調(diào)控下，可以實(shí)現(xiàn)比較好的干擾控制。不過考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度及RIS固有的技術(shù)特性約束，實(shí)際工程應(yīng)用中對上述兩種共存關(guān)系有較大的挑戰(zhàn)。

5.1 多UE復(fù)用

對于OFDM系統(tǒng)，蜂窩小區(qū)內(nèi)不同UE采用頻分復(fù)用(FDM)方式分配資源是典型的多UE復(fù)用方式，即不同UE分配占用不同的頻域子帶(不同頻域資源塊(Resource Block，RB))。如前文所述，RIS進(jìn)行電磁波調(diào)控時(shí)，同時(shí)調(diào)控的最小頻域帶寬較寬，一般遠(yuǎn)大于蜂窩小區(qū)的系統(tǒng)帶寬。因此，在蜂窩小區(qū)系統(tǒng)帶寬內(nèi)同一時(shí)間只能進(jìn)行某個(gè)相位/幅度調(diào)制，不能同時(shí)針對頻分復(fù)用UE的各自頻域子帶分別采用不同的矩陣加權(quán)，也就無法分別最佳匹配不同UE的信道。因此，若采用FDM獲得頻域的自由度增益，則可能沒有辦法同時(shí)最優(yōu)化空域的自由度。這意味著，即使采用FDM方式調(diào)度，這些UE也不得不假設(shè)RIS只能采用同一個(gè)預(yù)編碼矩陣，限制了多用戶調(diào)度的靈活性。

對于RIS引入后多用戶FDM與RIS波束約束問題，其中一種解決方案可以借鑒Massive MIMO混合波束賦形的處理機(jī)制。多用戶FDM調(diào)度場景受限于波束賦形的靈活性并非RIS引入的新問題，Massive MIMO混合波束賦形的模擬波束賦形也會(huì)對多用戶的FDM調(diào)度有類似的約束。Massive MIMO的有源相控陣天線一般在同一時(shí)刻只能采用一個(gè)預(yù)編碼矩陣，也即只能構(gòu)成一個(gè)模擬波束，不同UE可以在同一模擬波束下通過采用不同的數(shù)字波束來適配信道。以下行鏈路為例，參考Massive MIMO混合波束賦形(NB基帶數(shù)字波束+相控陣天線模擬波束)，引入RIS后下行信道構(gòu)成了NB+RIS的混合波束賦形通信模型。下行鏈路NB和RIS聯(lián)合預(yù)編碼優(yōu)化時(shí)，RIS同一時(shí)間采用一個(gè)預(yù)編碼矩陣，而NB側(cè)對不同UE各自采用不同的預(yù)編碼矩陣以更好適配信道。如同Massive MIMO混合波束賦形場景的約束，上述RIS場景也要求同時(shí)調(diào)度的UE為可以歸屬同一個(gè)RIS模擬波束下的UE組。以公式(4)場景為例，上述機(jī)制可以對應(yīng)表達(dá)為公式(5)。上行鏈路為UE+RIS混合波束賦形，可以采用與此類似的機(jī)制。

Yue_i=(Hris-ue_iΘrisGnb-ris_ue_i)Fue_iX+W，

(5)

其中，RIS加權(quán)矩陣Θris相同，?i；Fue_i為ue_i在NB側(cè)的預(yù)編碼矩陣；Hris-ue_i和Gnb-ris_i分別為ue_i在NB-RIS和RIS-UE之間經(jīng)歷的信道。

相對于有源相控陣天線，一般無源的RIS具有更大規(guī)模的天線陣子及更大尺寸的天線孔徑。前期的研究[13]中提供了一種RIS分塊的機(jī)制，可以把超大尺寸的RIS表面分為多個(gè)子塊，不同UE的入射信號(hào)分別采用不同的子塊進(jìn)行波束調(diào)控賦形，提升波束賦形的靈活性。當(dāng)然，分塊也使得有效天線孔徑尺寸減小，導(dǎo)致RIS增益下降，因此需要權(quán)衡波束賦形靈活性與天線孔徑減小之間的增益關(guān)系。

若小區(qū)內(nèi)部署了多個(gè)RIS面板，可以考慮分別采用不同的RIS調(diào)控不同UE的入射信號(hào)。多RIS調(diào)度優(yōu)缺點(diǎn)與RIS分塊類似，這里不再贅述。

進(jìn)一步地，若FDM復(fù)用的多個(gè)UE，其傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)對時(shí)延、可靠性及帶寬等QoS要求不同，可以對上述機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。例如，對于RIS分塊機(jī)制，高QoS要求的UE優(yōu)先分配更大尺寸的RIS子塊；對于共享多個(gè)RIS，給高QoS需求的UE優(yōu)先分配更多數(shù)量的RIS，且選擇分配分布位置較佳的RIS。分配多個(gè)RIS時(shí)，不同UE分配的RIS可能有重疊和非重疊兩種情況。對于有重疊的情況，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，對重疊部分的RIS優(yōu)化分塊。

5.2 多小區(qū)共存

與多網(wǎng)絡(luò)共存情況類似，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多小區(qū)/節(jié)點(diǎn)共存也包括同頻共存(頻率重用)和異頻共存(小區(qū)間采用不同的載波)兩種不同的情況。因此，上述用于多網(wǎng)絡(luò)共存的方案也可以用于多小區(qū)共存。不過，相對于多網(wǎng)絡(luò)共存，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)相鄰傳輸節(jié)點(diǎn)之間有機(jī)會(huì)進(jìn)行協(xié)作優(yōu)化。即多網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間為非協(xié)作的共存關(guān)系，而網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)之間為有協(xié)作的共存關(guān)系。

對于目標(biāo)信號(hào)而言，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)之間為有協(xié)作的共存關(guān)系，其與傳統(tǒng)的多點(diǎn)協(xié)作(CoMP)和無蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Cell-free)類似，相關(guān)協(xié)作干擾抑制和信號(hào)協(xié)作收發(fā)機(jī)制可以借鑒。不過，RIS提供了新的靈活性：① 不同小區(qū)協(xié)作共享RIS時(shí)，僅需要交互低帶寬需求的RIS調(diào)控信令，而不需要交互高帶寬和高實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)；② 更多部署數(shù)量及更大尺寸的RIS，提供了RIS資源調(diào)度的靈活性；③ RIS既可以通過波束賦形增強(qiáng)信號(hào)，也可以抑制幅度吸收信號(hào)，并可以對相位/極化非正常調(diào)控，從而為小區(qū)間協(xié)作共享RIS提供了更多可能性。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)協(xié)作交互信道狀態(tài)信息，RIS可以盡可能隔離同頻相鄰節(jié)點(diǎn)之間的干擾關(guān)系。例如，隔離來自相鄰RIS/AP的信號(hào)，即抑制來自相鄰節(jié)點(diǎn)入射角度的信號(hào)幅度或者完全吸收不散射，僅優(yōu)化調(diào)控本小區(qū)信號(hào)入射方向的信號(hào)。通過對不同入射角度信號(hào)的不同調(diào)控處理，盡可能抑制鄰節(jié)點(diǎn)同頻干擾，提升節(jié)點(diǎn)間的隔離度，從而提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻率重用系數(shù)。

小區(qū)間可以通過緊密協(xié)作，共享使用RIS。方式一，小區(qū)間協(xié)作，半靜態(tài)劃分時(shí)隙或者動(dòng)態(tài)時(shí)分共享使用同一個(gè)RIS；方式二，對RIS表面進(jìn)行分塊，不同小區(qū)協(xié)調(diào)使用不同的RIS子塊，機(jī)制類似上文中所述的多個(gè)UE分塊使用一個(gè)RIS。

利用RIS實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋的靈活縮放(小區(qū)呼吸)。通過靈活調(diào)控小區(qū)內(nèi)的RIS，尤其是部署在小區(qū)邊緣的RIS，對本小區(qū)信號(hào)的波束賦形增益、波束的覆蓋區(qū)域等進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)該小區(qū)覆蓋范圍的靈活縮放調(diào)控。不過，一個(gè)小區(qū)覆蓋范圍的縮放會(huì)對周邊鄰小區(qū)產(chǎn)生影響，因此需要相鄰小區(qū)之間緊密協(xié)作覆蓋關(guān)系。

未來6G網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)打破傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，引入全新的去蜂窩的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[19]探討了典型寬帶場景下的RIS輔助去蜂窩網(wǎng)絡(luò)，提出了BS和RIS的聯(lián)合預(yù)編碼框架，以最大化網(wǎng)絡(luò)容量。對于聯(lián)合預(yù)編碼的非凸性和高度復(fù)雜性，該文獻(xiàn)作者提出了一種交替優(yōu)化算法來解決這個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。

對于非目標(biāo)信號(hào)而言，存在與前文所述的多UE復(fù)用面臨類似的非預(yù)期異常調(diào)控的問題，解決思想也基本相同，只是從小區(qū)內(nèi)不同UE之間的關(guān)系變?yōu)樾^(qū)間不同UE之間的關(guān)系，這里不再贅述。不過，相對小區(qū)內(nèi)不同UE之間，小區(qū)間協(xié)作的實(shí)時(shí)性及靈活性會(huì)受到限制，一般采用其中協(xié)作實(shí)時(shí)性要求相對較低的機(jī)制。

綜上，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)相鄰傳輸節(jié)點(diǎn)之間有機(jī)會(huì)采用協(xié)作使用RIS，為實(shí)現(xiàn)多小區(qū)間的協(xié)作，不過也會(huì)面臨復(fù)雜度問題。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，需要平衡協(xié)作復(fù)雜度與共存性能的關(guān)系。

6 RIS網(wǎng)絡(luò)部署

RIS以其低成本、低功耗、簡單易部署的特點(diǎn)，有機(jī)會(huì)泛在部署于網(wǎng)絡(luò)中，智能調(diào)控電磁傳播環(huán)境，帶來全新的網(wǎng)絡(luò)范式。但作為全新引入的網(wǎng)元，RIS獨(dú)特的技術(shù)特性及應(yīng)用場景，對于其在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行泛在部署面臨著巨大挑戰(zhàn)。不同的應(yīng)用場景可能需要不同的智能超表面部署策略，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行部署設(shè)計(jì)，如提升覆蓋、減小電磁干擾、提升定位精度等。另外，RIS的組網(wǎng)設(shè)計(jì)既需要考慮在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案，也需要考慮研究探索在未來全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)方案，例如基于Cell-free架構(gòu)的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。我們在前期研究中針對高速鐵路特殊場景的RIS部署進(jìn)行了探討[20]，本節(jié)將嘗試識(shí)別出RIS典型部署場景，針對所識(shí)別出的典型通信場景，研究其可能存在的問題與挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的候選部署方案。

6.1 基本概念

6.1.1 RIS部署場景類型

從通信環(huán)境復(fù)雜度和RIS部署及調(diào)控復(fù)雜度角度，可以把部署場景分為小范圍可控的受限區(qū)域和大范圍復(fù)雜環(huán)境兩大類，此兩類場景對RIS網(wǎng)絡(luò)部署原則和需求有較大差異。

小范圍可控的受限區(qū)域，有機(jī)會(huì)部署足夠密度的RIS并實(shí)現(xiàn)精確電磁環(huán)境智能調(diào)控，例如典型的室內(nèi)熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域。此類區(qū)域，無線傳播環(huán)境相對獨(dú)立，主要散射體數(shù)量有限且方便在相應(yīng)的表面部署RIS面板；一般為業(yè)務(wù)需求的熱點(diǎn)區(qū)域，較多的業(yè)務(wù)需求相對集中穩(wěn)定地分布在此地理區(qū)域。對于此類區(qū)域，可以部署足夠數(shù)量及較大尺寸的RIS取代原有自然環(huán)境中的主散射體表面，甚至可以根據(jù)需要在合適的位置部署更多RIS以增加散射表面(即在合適的位置增加部署RIS，人為引入更多散射路徑，并通過靈活RIS選擇及散射調(diào)控，實(shí)現(xiàn)傳播路徑重選及信道重構(gòu)的目的)。在有限的地理區(qū)域里，足夠密度的RIS可以聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度與調(diào)控，按需精準(zhǔn)調(diào)控?zé)o線傳播環(huán)境，構(gòu)建一個(gè)幾乎可以精確描述、精確控制的無線智能環(huán)境。此場景的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅可以抑制大尺度衰落，還可以通過RIS的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對小尺度多徑信道的相位/幅度、多普勒頻移等動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)控，從而抑制多徑衰落效應(yīng)。從RIS的形態(tài)需求角度，為實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控，需要?jiǎng)討B(tài)可調(diào)能力的RIS。因此，此類RIS在結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜度、成本、功耗等方面也會(huì)更高。不過，此類場景一般為熱點(diǎn)區(qū)域，對成本不敏感，且地理空間范圍受限，RIS部署及優(yōu)化相對簡單。

大范圍復(fù)雜環(huán)境，業(yè)務(wù)分布相對稀疏，不方便也不必要實(shí)現(xiàn)無線傳播環(huán)境的精確控制。對于此類環(huán)境，可以重點(diǎn)對無線傳播信道的大尺度特性進(jìn)行調(diào)控，包括陰影衰落、自由空間傳播路損等大尺度特性。對于自然傳播信道陰影阻擋嚴(yán)重的場景，在合適的位置部署RIS，對散射角度進(jìn)行調(diào)控，構(gòu)建NB-RIS-UE新傳播路徑，從而克服陰影阻擋問題。如圖1 (a)所示，基站與UE之間有高樓阻擋，可以在旁邊的樓體表面部署RIS對信號(hào)進(jìn)行散射調(diào)控，構(gòu)建了新的傳播路徑。另外，通過部署超大規(guī)模陣元RIS以獲得較高的波束賦形增益，可以一定程度克服自由空間傳播路損。如圖1 (b)所示，處于小區(qū)邊緣的UE信號(hào)強(qiáng)度受限，RIS可以在小區(qū)邊緣靠近的位置UE部署。大尺寸天線孔徑的RIS提供了較大的天線增益，下行鏈路可以有提高小區(qū)邊緣UE接收信號(hào)強(qiáng)度，上行鏈路可以提升UE上行發(fā)射信號(hào)的波束賦形增益。對于此類信道大尺度特性調(diào)控的場景，由于信道特性變化較慢或基本不變，RIS調(diào)控的動(dòng)態(tài)性要求相對較低，可以考慮選擇低響應(yīng)速率甚至固定權(quán)值的RIS?？梢?，對于大范圍復(fù)雜環(huán)境，RIS將主要對已有或新引入的主要傳播路徑/主散射體進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)半動(dòng)態(tài)或靜態(tài)地調(diào)控?zé)o線信道的大尺度特性，所需的RIS形態(tài)簡單易部署，且成本較低。

(a) NB-RIS-UE新傳播路徑克服陰影阻擋

(b) 小區(qū)邊緣覆蓋增強(qiáng)圖1 RIS部署的典型場景Fig.1 Typical scenarios for RIS deployment

6.1.2 支持多頻段共存

為滿足未來網(wǎng)絡(luò)更高吞吐量的需求，需要網(wǎng)絡(luò)具備同時(shí)支持從6 GHz以下至太赫茲頻段的全頻譜能力。傳統(tǒng)方案需要部署支持多個(gè)頻段的多套分布式中射頻單元以同時(shí)支持高低頻段，成本和復(fù)雜度均是很大的挑戰(zhàn)。RIS具有支持跨頻段的潛力，有機(jī)會(huì)部署盡量少的RIS實(shí)現(xiàn)全頻段的支持，甚至僅采用單套R(shí)IS支持全頻段的調(diào)控需求。即以往需要部署分別支持高低頻段的不同基站，而RIS則僅需要部署一套，可以大大降低成本及部署復(fù)雜度。需要注意的是，支持全頻段的RIS成本較高，尤其是支持高頻段的RIS。不過一般熱點(diǎn)區(qū)域才需要高頻段覆蓋以支持大帶寬業(yè)務(wù)，因此可以僅在這些區(qū)域部署支持高頻段的RIS。另外，不同地區(qū)及運(yùn)營商可以使用的頻段不同，可以根據(jù)不同地區(qū)及運(yùn)營商各自的頻段覆蓋需求部署支持不同頻段組合的RIS，從而平衡RIS成本與部署復(fù)雜度的關(guān)系。

6.1.3 通信場景下RIS部署與優(yōu)化的基本原則與過程

傳統(tǒng)經(jīng)典通信場景的網(wǎng)絡(luò)部署可以包括室內(nèi)覆蓋、室外覆蓋、室外覆蓋室內(nèi)等，RIS可以用于支持這些場景的補(bǔ)盲、補(bǔ)弱和增加信道自由度。其網(wǎng)絡(luò)部署的基本原則可以包括：① 確保覆蓋區(qū)域內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度高于預(yù)期門限，從而滿足最低傳輸速率；② 確保目標(biāo)覆蓋區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度或SINR分布穩(wěn)定，避免非預(yù)期的突變。對于后者，可以通過合理的RIS部署及調(diào)控，使得覆蓋區(qū)域內(nèi)始終保持較高的信號(hào)強(qiáng)度?；蛘撸{(diào)度RIS動(dòng)態(tài)波束跟蹤，確保有服務(wù)需求的UE的信號(hào)強(qiáng)度，但需要考慮空閑態(tài)(idle state)UE隨時(shí)隨地的接入需求，也即基礎(chǔ)的覆蓋信號(hào)強(qiáng)度需要滿足初始開環(huán)接入。在UE接入后進(jìn)入閉環(huán)控制，RIS可以動(dòng)態(tài)調(diào)控波束跟蹤UE，以更強(qiáng)的信號(hào)覆蓋連接態(tài)(connected state)UE，實(shí)現(xiàn)更高的業(yè)務(wù)傳輸速率。需要特別注意的是，對于提升覆蓋能力需求，尤其是室外場景，由于可以部署RIS位置受限，RIS很可能距離基站較遠(yuǎn)，RIS所在的位置信號(hào)強(qiáng)度較弱，因此，即使有RIS天線增益，可以擴(kuò)展覆蓋的距離也比較短。此時(shí)，不得不通過付出更大復(fù)雜度及成本的代價(jià)來增大RIS增益(例如，部署更大天線孔徑RIS)，從而盡可能提升擴(kuò)展覆蓋距離的能力。

圖2給出了典型通信場景下RIS部署與優(yōu)化的基本過程。首先，在復(fù)雜度和成本約束下，以典型場景下的自然信道和業(yè)務(wù)需求分布作為基礎(chǔ)輸入，設(shè)計(jì)初始的RIS部署拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后，基于RIS的自適應(yīng)無線傳輸調(diào)控性能，進(jìn)一步迭代優(yōu)化RIS的部署拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境。也即RIS部署優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)為尋求復(fù)雜度、成本及性能的平衡，輸出RIS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括部署位置、密度、RIS形態(tài)、調(diào)控/協(xié)作關(guān)系等參數(shù)。

圖2 典型通信場景RIS部署與優(yōu)化的基本過程Fig.2 Basic process of RIS deployment and optimization for typical communication scenarios

6.2 一種自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)容量及覆蓋調(diào)整機(jī)制

實(shí)際場景中，網(wǎng)絡(luò)容量/覆蓋需求在地理空間上分布不均衡，且分布動(dòng)態(tài)或半動(dòng)態(tài)變化。例如，大型活動(dòng)、早晚高峰、高鐵通信等場景，需求體現(xiàn)為在不同的地理空間規(guī)律性的半靜態(tài)變化(容量需求在不同的地理空間進(jìn)行半靜態(tài)遷徙)。此類場景，需要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上能夠自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)在地理空間緯度的網(wǎng)絡(luò)容量分布遷徙。因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)控設(shè)計(jì)需要能夠通過半動(dòng)態(tài)調(diào)整覆蓋和容量網(wǎng)絡(luò)資源，即最大化能量效率；而最小化成本開銷，則是以盡量少的基站與小區(qū)數(shù)量來克服覆蓋空洞問題并滿足容量需求。針對上述需求特點(diǎn)，在成本約束下，本文提供一種基于RIS的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)容量及覆蓋調(diào)整實(shí)例。

第一步，針對覆蓋及容量需求在地理區(qū)域的不均衡性及半靜態(tài)變化的特點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行半靜態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整。具體實(shí)現(xiàn)可以包括三類可選方式：① 利用可移動(dòng)的無人機(jī)、高空平臺(tái)承載NB，空中平臺(tái)大物理范圍容量/覆蓋調(diào)整；② 采用無人/有人車承載NB/Relay等地面平臺(tái)，大地理區(qū)域的容量/覆蓋調(diào)整；③ 更高空平臺(tái)可以利用衛(wèi)星承載NB，做更大地理范圍的覆蓋調(diào)整。其中，前兩類方式也可以采用RIS取代NB放在無人機(jī)、高空平臺(tái)或無人車，通過RIS調(diào)控信號(hào)控制覆蓋。具體工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以優(yōu)化選擇一些固定的候選位置，即對地理空間進(jìn)行有限量化，從而降低工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

第二步，采用CoMP/Cell-free機(jī)制實(shí)現(xiàn)小范圍覆蓋及容量調(diào)整。CoMP/Cell-free可以自適應(yīng)調(diào)整協(xié)作的AP集合，邏輯蜂窩覆蓋區(qū)域的自適應(yīng)調(diào)整。一般CoMP協(xié)作的AP集合較小，而Cell-free可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的AP集合協(xié)作。引入RIS的網(wǎng)絡(luò)，采用類似CoMP/Cell-free的思想，可以對單小區(qū)多個(gè)RIS協(xié)作集的調(diào)控、多個(gè)小區(qū)間RIS的協(xié)作共享等，實(shí)現(xiàn)覆蓋與容量的小范圍調(diào)控。

第三步，小區(qū)覆蓋范圍的自適應(yīng)調(diào)整。小區(qū)通過自適應(yīng)功率調(diào)整或采用RIS調(diào)控覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)小區(qū)呼吸。通過基站自適應(yīng)開關(guān)(Cell ON/OFF)或RIS的散射/吸收，控制本小區(qū)覆蓋及對周邊干擾的有或無。

第四步，采用RIS進(jìn)行局部區(qū)域無線信道的大尺度和小尺度精細(xì)調(diào)控。例如，采用RIS半靜態(tài)調(diào)控大尺度特性，實(shí)現(xiàn)克服覆蓋空洞及補(bǔ)盲。采用RIS動(dòng)態(tài)調(diào)控多徑的相位、幅度等，實(shí)現(xiàn)多徑效應(yīng)的抑制。

通過上述基于RIS的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)容量及覆蓋調(diào)整機(jī)制，有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)所謂自適應(yīng)/智能柔性無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑯?gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫路妒健?/p>

為實(shí)現(xiàn)上述基于RIS的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋及容量的調(diào)整機(jī)制，如下幾方面的問題需要進(jìn)行特別的研究：

① 覆蓋/容量遷移對頻譜分配與共享的影響。

② 小區(qū)遷移，需要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)整。

③ Cell ID自適應(yīng)規(guī)劃。

④ 其他網(wǎng)絡(luò)資源的自適應(yīng)調(diào)制。例如，計(jì)算資源。

⑤ NB/RIS移動(dòng)性對回傳鏈路的需求。例如，可能采用無線回傳鏈路。

⑥ NB/RIS移動(dòng)性對供電的需求。例如，通過部署合適位置及密度的無人機(jī)基站充電站址平臺(tái)，提供充電支撐能力?；蛘?，提供足夠的臨時(shí)?？科脚_(tái)(移動(dòng)平臺(tái)驛站)，作為固定的一些覆蓋需求站點(diǎn)。這些平臺(tái)具有?？繜o人機(jī)基站的空間，可以提供供電/充電能力，可以提供回傳能力等。

7 結(jié)束語

RIS作為一種極具潛力的5G-Adv和6G關(guān)鍵技術(shù)之一，近幾年在學(xué)術(shù)研究方面發(fā)展非常迅速。RIS通過構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境，將給未來6G帶來一種全新的通信網(wǎng)絡(luò)范式，滿足未來移動(dòng)通信需求。而簡化版本的RIS將有機(jī)會(huì)在5G/5G-Adv階段初步商業(yè)部署及標(biāo)準(zhǔn)化，尤其可以用于改善5G毫米波覆蓋問題。RIS使能未來6G網(wǎng)絡(luò)仍然面臨諸多技術(shù)問題、部署問題和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的挑戰(zhàn)，需要對RIS關(guān)鍵技術(shù)和方案展開深入研究和全面評(píng)估，尤其需要在信道降秩、網(wǎng)絡(luò)間共存、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共存、網(wǎng)絡(luò)部署等幾方面的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行重點(diǎn)深入研究與突破。限于篇幅及研究深度，本文僅對RIS工程技術(shù)研究及工程化應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)作了初步的分析，給出的解決方案也僅僅作了一些定性分析討論。相關(guān)問題還需要后續(xù)繼續(xù)深入地進(jìn)行理論分析及仿真評(píng)估，進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性及性能上限，為RIS最終產(chǎn)業(yè)落地打下基礎(chǔ)。