劉秋妍，李福昌，張忠皓，呂 軒，李佳?。?中國聯(lián)通研究院，北京 00048；.中國聯(lián)通北京分公司，北京 000；.聯(lián)通華盛通信有限公司，北京 000）

1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

隨著5G商用網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化建設(shè)的逐步加速，其對社會(huì)和生產(chǎn)所帶來的改變逐步明顯。大帶寬、低時(shí)延、大連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量正在不斷催生出移動(dòng)用戶在社會(huì)活動(dòng)和生活體驗(yàn)方面更深層次的改變。未來6G時(shí)代，人類將更加注重滿足生活、環(huán)境和精神層面等各方面要求，6G將會(huì)向智能移動(dòng)通信2.0階段邁進(jìn)，進(jìn)而推動(dòng)人類社會(huì)從“萬物互聯(lián)”演變?yōu)椤叭f智互聯(lián)”，形成真正意義上的智慧互聯(lián)時(shí)代［1-3］。

為了應(yīng)對未來6G 網(wǎng)絡(luò)全息通信、感知互聯(lián)、智慧車聯(lián)、工業(yè)互聯(lián)、空天一體等全域業(yè)務(wù)需求，如圖1 所示，6G 時(shí)代的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不僅需要在5G/5G -Ad?vanced網(wǎng)絡(luò)能力基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)大帶寬、低時(shí)延、泛在接入等CT域能力，還需要顯著提升IT域能力，6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在繼承5G/5G-Advanced 核心網(wǎng)資源池化和架構(gòu)服務(wù)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加服務(wù)面向需求的彈性適配能力，通過更普及的算網(wǎng)一體部署將人工智能、安全可信等IT 能力由外掛輔助式轉(zhuǎn)化為內(nèi)嵌式，支撐6G 網(wǎng)絡(luò)成為一張彈性開放、內(nèi)生智能、算網(wǎng)一體、數(shù)字孿生、綠色節(jié)能和安全可信的新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。為了支撐未來業(yè)務(wù)需求演進(jìn)，6G 技術(shù)研究在新頻率、新材料、新空口、新架構(gòu)、新能力方面持續(xù)創(chuàng)新，產(chǎn)生了眾多6G潛在使能技術(shù)。

2 6G技術(shù)5G化演進(jìn)的必要性與可行性分析

2.1 6G技術(shù)5G化演進(jìn)的必要性分析

當(dāng)前處于6G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展研究的初期，對于6G 業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)探討剛剛開始，距離初步達(dá)成一致還需要一段時(shí)間。對于6G 使能技術(shù)還處于開放式的探討中，普遍存在技術(shù)需求場景不明確，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備耦合度、標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，原型系統(tǒng)測試驗(yàn)證更多的是從獨(dú)立的技術(shù)本身出發(fā)，尚未考慮技術(shù)之間的影響和系統(tǒng)性的關(guān)聯(lián)分析［4］。

6G 技術(shù)5G 化演進(jìn)就是在5G 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的過程中，不斷引入面向5G 網(wǎng)絡(luò)需求基于6G 技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)研發(fā)、內(nèi)外場功能驗(yàn)證與性能測試以及應(yīng)用試點(diǎn)與示范推廣。一方面，通過6G預(yù)研創(chuàng)新引入新的技術(shù)方案以解決現(xiàn)階段5G 規(guī)模化商用網(wǎng)絡(luò)向5G-Ad?vanced 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中遇到的網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、擴(kuò)容等一系列實(shí)際問題。另一方面，5G/5G -Advanced 網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)檩^為成熟的6G 技術(shù)提供先試先用的實(shí)際需求和與現(xiàn)網(wǎng)深度融合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能夠?yàn)樯胁怀墒斓?G技術(shù)提供大量試錯(cuò)優(yōu)化的測試驗(yàn)證機(jī)會(huì)，可以預(yù)見到從當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)到6G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成標(biāo)準(zhǔn)化這個(gè)時(shí)間段，會(huì)經(jīng)歷多次迭代式或者螺旋上升式的分析過程。

2.2 6G技術(shù)5G化演進(jìn)的可行性分析

在代際技術(shù)的發(fā)展歷程中，可以發(fā)現(xiàn)，由于歷史淵源、功能定位、技術(shù)特性以及影響范圍等原因，部分技術(shù)具備先試先用的條件。第1類是已有研究基礎(chǔ)的技術(shù)（Basic 類），這類技術(shù)在5G 階段或更早期已經(jīng)開展過初期技術(shù)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)，比如在5G階段就已經(jīng)有較為完善研究體系的毫米波技術(shù)、動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)等。第2 類是與底層協(xié)議關(guān)聯(lián)度較低的技術(shù)（Upper Layer 類），這類技術(shù)對移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響通常位于較高協(xié)議層，而與底層的信號(hào)波形、調(diào)制編碼格式、幀結(jié)構(gòu)等技術(shù)體制關(guān)聯(lián)度不高。第3類是與現(xiàn)有系統(tǒng)可松耦合（Loose Coupling）的技術(shù)，這類技術(shù)通常通過異構(gòu)融合技術(shù)或異構(gòu)融合設(shè)備與現(xiàn)有系統(tǒng)松耦合。還有一類技術(shù)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響本地化特征明顯或者可以只局限在某一個(gè)較小可控的范圍里（Local），通過局部改造、模塊化或插件式升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力升級(jí)。綜上所述，可以將具備5G 化演進(jìn)的四大類6G 技術(shù)特征簡稱“BULL”準(zhǔn)則，如圖2所示。

3 智能超表面技術(shù)5G化演進(jìn)必要性與可行性

3.1 智能超表面技術(shù)原理

智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）技術(shù)是一種基于超材料發(fā)展起來的新技術(shù)，也可以看作是超材料在移動(dòng)通信領(lǐng)域的跨學(xué)科應(yīng)用。智能超表面系統(tǒng)主要由智能超表面輻射結(jié)構(gòu)、饋電系統(tǒng)、波控網(wǎng)絡(luò)等部件構(gòu)成。一個(gè)智能超表面陣列由大量半波長微結(jié)構(gòu)智能超表面單元組成，其電磁特性由智能超材料單元的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸大小和排列方式?jīng)Q定。饋電系統(tǒng)可采用遠(yuǎn)場空間饋電和分布式饋電2種饋電方式。遠(yuǎn)場空間饋電系統(tǒng)采用喇叭饋源照射的方式，其結(jié)構(gòu)簡單，饋電插損低，效率高，但系統(tǒng)體系較大，因此通常用于基于智能超表面的收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)等典型應(yīng)用場景。分布式饋電系統(tǒng)則將整個(gè)天線陣面劃分為多個(gè)子陣區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由1 套子陣饋電系統(tǒng)提供信號(hào)饋電，最后利用功分網(wǎng)絡(luò)模擬合成或信號(hào)處理數(shù)字合成的方式，獲得整個(gè)天線陣面的電磁信號(hào)。該饋電方式可顯著降低天線的剖面高度，提高天線系統(tǒng)的功率容量，改善天線的平面共形性能，系統(tǒng)體積較小，通常用于覆蓋補(bǔ)盲、多流增速等智能超表面典型應(yīng)用場景。例如，通過可編程控制電路可以動(dòng)態(tài)獨(dú)立控制每個(gè)智能超材料單元的電磁性質(zhì)，例如通過基于可編程邏輯門（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的控制電路調(diào)整施加在變?nèi)荻O管上的電壓或光敏元件上的光照強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)控電磁信號(hào)經(jīng)過智能超表面后反射信號(hào)或透射信號(hào)的幅度、相位、頻率甚至極化特性，實(shí)現(xiàn)高效高增益平面聚焦、大角度快速波束掃描/切換、靈活波束形成等高增益、高動(dòng)態(tài)的輻射性能［5-9］。近年來，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也針對RIS原型系統(tǒng)的增益進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證［10-14］。

圖3給出了智能超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 智能超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 智能超表面5G化演進(jìn)必要性分析

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化商用部署的日益推進(jìn)，5G 網(wǎng)絡(luò)精細(xì)化部署和6G 關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研需求日益提升。在現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，如何減少覆蓋盲區(qū)、提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量是向5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的關(guān)鍵。未來6G網(wǎng)絡(luò)，受高頻信號(hào)電波特性影響，覆蓋盲區(qū)、半徑較小、成本加劇均是亟待解決的關(guān)鍵問題。智能超表面是由大量可編程的人工電磁單元排列組成，通過智能控制電路，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整電磁波在無線環(huán)境的傳播。RIS 技術(shù)通過編程控制電磁單元，實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)無線信號(hào)傳播特性的智能化重構(gòu)，突破了傳統(tǒng)無線環(huán)境被動(dòng)適應(yīng)的局限性。RIS 作為重要的基礎(chǔ)性創(chuàng)新技術(shù)方案，具有低成本、低功耗、易部署等商用前景，為保持我國無線通信新技術(shù)的全球領(lǐng)先提供一種自主創(chuàng)新的新方案。

RIS 技術(shù)成熟度可以分為R、I、S 3 個(gè)維度，R（Re?configurable）是超材料表面反射、透射等電磁特性的可重配置能力；I（Intelligent）指控制電路依據(jù)無線環(huán)境時(shí)變特性和業(yè)務(wù)需求對超材料表面控制的智能化程度；S（Surface）是面向不同工作頻段的超材料表面設(shè)計(jì)與制造工藝。目前，在S 和R 方面，智能超表面原型系統(tǒng)已經(jīng)具備初步的基礎(chǔ)能力，但是在超材料選型、超材料表面設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)等方面存在很多優(yōu)化問題。但是，在I 方面，基站、終端與超表面之間的信息交互是現(xiàn)階段制約RIS 技術(shù)智能化程度的關(guān)鍵，無源超表面只能被動(dòng)地感知無線環(huán)境和定位終端，導(dǎo)致RIS 系統(tǒng)缺乏智能化感知控制所需的環(huán)境數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息，部分RIS 原型系統(tǒng)控制電路依賴預(yù)置碼本實(shí)現(xiàn)超表面有限程度的可編程控制，靈活實(shí)時(shí)感控一體的內(nèi)生智能能力有待進(jìn)一步提升?？偟膩碚f，目前，超表面原型系統(tǒng)的初級(jí)能力已經(jīng)具備，但是尚需通過結(jié)合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求發(fā)掘“殺手锏”應(yīng)用場景，亟需通過端到端系統(tǒng)級(jí)測試驗(yàn)證，定義智能超表面設(shè)備與基站之間接口和空口協(xié)議，支持智能超表面設(shè)備基于信道估計(jì)信息的波束賦型策略動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能超表面設(shè)備與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的深度融合。

3.3 智能超表面技術(shù)5G化演進(jìn)可行性分析

在技術(shù)基礎(chǔ)方面，在智能超表面技術(shù)被提出之前，超材料技術(shù)、界面電磁學(xué)理論、廣義斯涅爾定律（Generalized Snell′s law）［15］等相關(guān)理論技術(shù)均已有完善的理論基礎(chǔ)，基于移相器的相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)備也已在多種場景部署應(yīng)用。此外，智能超表面陣元設(shè)計(jì)主要與信號(hào)波長等射頻信號(hào)特征相關(guān)，與信號(hào)波形、調(diào)制編碼、幀結(jié)構(gòu)等絕大多數(shù)底層技術(shù)體制無關(guān)，智能超表面系統(tǒng)部署與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相關(guān)，可以通過異構(gòu)融合或帶外信息交互實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的松耦合，并且對網(wǎng)絡(luò)的影響僅限于改變無線信道環(huán)境。因此，智能超表面技術(shù)滿足“BULL”原則，有技術(shù)基礎(chǔ)，與底層協(xié)議關(guān)聯(lián)度低，可與現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備松耦合，對網(wǎng)絡(luò)影響具有本地化的特點(diǎn)，具備6G 技術(shù)5G 化演進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)。在5G階段，通過設(shè)計(jì)Sub6G頻段亞波長的智能超表面系統(tǒng)，通過預(yù)配置、帶外傳輸?shù)饶Ｊ綄?shí)現(xiàn)智能超表面系統(tǒng)與現(xiàn)有基站和終端的初步融合，進(jìn)而定義智能超表面與基站間接口、協(xié)議格式，以支持智能超表面對信道、干擾等無線環(huán)境的感知測探，實(shí)現(xiàn)智能超表面按需動(dòng)態(tài)調(diào)控?zé)o線環(huán)境的高階能力。

4 結(jié)束語

本文在梳理5G/5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、擴(kuò)容提速等網(wǎng)絡(luò)需求和6G 技術(shù)演進(jìn)趨勢的基礎(chǔ)上，提出6G 技術(shù)5G 化演進(jìn)的“BULL”原則，指出6G 技術(shù)在5G/5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)階段先試先用的必要性和可能性。通過6G 預(yù)研創(chuàng)新引入新的技術(shù)方案提升5G/5G-Ad?vanced網(wǎng)絡(luò)能力并利用5G/5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)為6G技術(shù)提供先試先用的實(shí)際需求和與現(xiàn)網(wǎng)深度融合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和試錯(cuò)優(yōu)化的測試驗(yàn)證機(jī)會(huì)。最后，基于“BULL”原則，分析智能超表面技術(shù)在5G/5G-Ad?vanced階段5G化演進(jìn)的必要性與可行性。