韓福勇， 丁金明， 費 丹， 章嘉懿， 艾 渤

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

新的關(guān)鍵技術(shù)會伴隨新一代的移動通信技術(shù)出現(xiàn)以提高通信服務(wù)質(zhì)量.當(dāng)前5G 成為支撐經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施［1］，但由于電磁波在無線傳播中不可避免地受到各種物體的相互作用，無線通信網(wǎng)絡(luò)仍存在很多不確定性因素.隨著對6G 網(wǎng)絡(luò)研究的展開，6G 技術(shù)被認(rèn)為具有全覆蓋、全頻譜、全應(yīng)用、強(qiáng)安全等特點，能夠滿足人們?nèi)找嬖鲩L的通信需求.預(yù)計未來10 年的通信容量將達(dá)到如今的千倍以上，無線接入會成為主流接口，隨之而來的是高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)、高成本的硬件和日益增加的能耗等無法避免的問題［2］.探索更加高效利用頻譜資源的未來無線網(wǎng)絡(luò)解決方案勢在必行，智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）由于具有低成本、低功耗、易部署等特點引起廣泛關(guān)注.

RIS 是由超材料技術(shù)發(fā)展而來的一種人工電磁表面結(jié)構(gòu)，廣義斯涅耳定律［3］的提出極大地豐富了電磁超表面的發(fā)展，從材料設(shè)計角度看，可以用離散數(shù)字狀態(tài)來表征超材料的電磁特性，進(jìn)而以數(shù)字化方式來調(diào)控電磁信息.文獻(xiàn)［4］進(jìn)一步提出了數(shù)字編碼超材料的概念，盡管還是使用離散數(shù)字狀態(tài)，但含義已經(jīng)變?yōu)榉瓷浠蛘咄干湎禂?shù)的相位或幅度.RIS 可以實現(xiàn)單比特或多比特信息調(diào)控，如單比特調(diào)制載波信號可使用數(shù)字0 和數(shù)字1 分別表示改變相位反射系數(shù)的0 相和π 相.通過對電磁結(jié)構(gòu)中的可調(diào)元件施加控制信號，可以實現(xiàn)對RIS 數(shù)字編碼圖案的實時配置和控制［5-6］.在該成果的基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員又提出了時空編碼超材料的概念［7-9］，RIS 對空間信息的調(diào)制由被動變?yōu)橹鲃樱瑫r具備一定的信號處理能力，這也是RIS 未來的全新研究領(lǐng)域［10］.

傳統(tǒng)通信中的無線信道環(huán)境是不可控的，無線信道的隨機(jī)性和不可控性往往對通信服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面作用［11］.信號強(qiáng)度在無線信道中會隨距離不斷衰減，從而限制無線信號的傳播范圍，多徑效應(yīng)則會導(dǎo)致小尺度衰落，高樓、車輛等大型物體的反射和折射作用更是主要的不可控因素.一般來說，傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)只能通過大量的信道測量建模信道特性并在收發(fā)兩端設(shè)計對應(yīng)算法來適應(yīng)傳播環(huán)境.然而，通過將RIS 部署在各類物體表面，將有望突破無線信道的不可控性，構(gòu)建可編程控制的智能無線信道環(huán)境，引入未來無線通信的新范式［12-14］.

當(dāng)前已有許多文獻(xiàn)對RIS 輔助通信系統(tǒng)的信道測量、建模與仿真做了研究.文獻(xiàn)［15］對室內(nèi)RIS 輔助覆蓋增強(qiáng)進(jìn)行了研究與實驗驗證.文獻(xiàn)［16］在此基礎(chǔ)上對室外RIS 輔助網(wǎng)絡(luò)性能提升進(jìn)行了驗證與分析，提出了1 bit 編碼存在鏡像波束的問題并且給出了高階編碼的解決方案.文獻(xiàn)［17］提出了基于視距路徑（Line of Sight， LoS）傳播的連續(xù)時間RIS 輔助信道模型，考慮了天線和RIS 單元的路徑損耗和輻射模式.文獻(xiàn)［18］在微波暗室中對RIS 進(jìn)行測量與分析，提出了RIS 輔助通信的自由空間路徑損耗模型，該模型考慮了遠(yuǎn)場與近場效應(yīng).文獻(xiàn)［19-20］提出了更符合實際的RIS 輔助信道模型，該模型是根據(jù)散射體的幾何分布設(shè)計的，考慮了不同的傳播機(jī)制.文獻(xiàn)［21］提出了一種基于集群的RIS 輔助統(tǒng)計信道模型，可以用于室內(nèi)和室外場景，同時提出了一種具有可調(diào)系統(tǒng)配置的窄帶開源信道模擬器.上述文獻(xiàn)對RIS 輔助通信系統(tǒng)做了深入的理論研究，但是大多缺乏現(xiàn)場實驗驗證，不能提供實際應(yīng)用中的性能提升效果；也有少數(shù)文獻(xiàn)［15-16，18］進(jìn)行了實驗驗證，但均會受到物理環(huán)境的限制，導(dǎo)致實驗結(jié)果具有局限性.

本文研究了Sub 6G 頻段下基于RIS 的信道仿真方法，在實驗室搭建了RIS 輔助通信系統(tǒng)的半實物信道仿真平臺，根據(jù)室內(nèi)和室外大量的實測數(shù)據(jù)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真，對比了RIS 編碼前后不同場景、不同入射和反射角度下參考信號接收功率（Reference Singal Receiving Power， RSRP）、信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio， SINR）和吞吐量3 項指標(biāo)的增益情況，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析.

1 RIS 波束控制原理

RIS 的微單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示.由3 層材料組成：最外層是可調(diào)元件PIN 二極管，其通電與否表征該單元的不同狀態(tài)，所有微單元共同對入射信號進(jìn)行調(diào)制；第2 層為銅板，銅板的反射能力很強(qiáng)，可以有效避免能量逸散；第3 層為控制電路板，可以調(diào)控RIS 微單元的狀態(tài)，由上位機(jī)進(jìn)行控制.利用上位機(jī)配置不同反射角度的控制碼本，再將碼本輸入到RIS 面板控制電路，使RIS 面板呈現(xiàn)出對應(yīng)的電平特性，從而發(fā)揮RIS 的方向調(diào)制作用.

圖1 RIS 單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of RIS unit structure

一塊由I=N×M個微單元構(gòu)成的RIS 面板反射信號表達(dá)式為

式中：βi表示第i個單元的幅度反射系數(shù)，取值范圍為[0，1]；θi表示第i個單元的相位反射系數(shù)，取值范圍為[ -π，π]；xi表示入射到第i個單元的信號；yi表示經(jīng)過第i個單元反射后的信號.

幅度反射系數(shù)β和相移反射系數(shù)θ之間有一定的關(guān)聯(lián)性［22］，具體為

式中：參數(shù)βmin、?和α都是與RIS 硬件電路相關(guān)的常數(shù).當(dāng)βmin=1 時，式（2）轉(zhuǎn)化為理想的幅度和相移約束，即βi≡1.為簡化分析，下文中將幅度反射系數(shù)設(shè)置為1，相位反射系數(shù)θ取值0 或者π，仿真圖中的0 碼本表示0 相位，正1 碼本表示π 相位，負(fù)1 碼本表示-π 相位.

圖2 為未通電時RIS 碼本和反射信號能量圖.RIS 碼本為全0 碼本，如圖2（a）所示，此時RIS 等效為一塊銅板，反射信號方向與入射信號方向相對于RIS 為鏡面對稱關(guān)系.由圖2（b）可知，全0 碼本下RIS 對入射信號的方位角和俯仰角均不具有調(diào)制作用.當(dāng)RIS 各單元全通電時，即RIS 碼本為全1 碼本，同樣對入射信號無調(diào)制作用.

圖2 未通電時RIS 碼本和反射信號能量圖Fig. 2 RIS codebook and reflected signal energy map when not powered on

圖3 為通電后RIS 碼本和反射信號能量圖.圖3（a）中藍(lán)色單元表示0 碼本，對應(yīng)的PIN 二極管兩側(cè)電壓約為0.15 mV；黃色單元表示1 碼本，對應(yīng)的PIN 二極管兩側(cè)電壓約為0.8 V.由圖3（b）可知，在方位角30°、俯仰角0°時具有最強(qiáng)的反射能量，即RIS 對反射信號的方位角改變了30°，俯仰角不改變.

圖3 通電后RIS 碼本和反射信號能量圖Fig. 3 RIS codebook and reflected signal energy map with power activated

需要注意的是，RIS 反射波束的寬度Bs并非固定不變，而是隨反射角度變化而改變［23］，具體為

式中：B0為RIS 板法線方向波束寬度，是與RIS 結(jié)構(gòu)相關(guān)的固定值；θs為反射角度，是反射波束的中間角度.

本文涉及的實測數(shù)據(jù)與仿真均為近場范圍，近遠(yuǎn)場分界線為

式中：λ表示載波信號的波長；D為RIS 板的對角線長度.

入射角和反射角確定后， RIS 輔助通信系統(tǒng)的接收信號功率Pr與發(fā)送信號功率Pt關(guān)系式［18］為

式中：Gt、Gr、G分別表示發(fā)射天線、接收天線和RIS板的增益；N、M表示RIS 板的行數(shù)和列數(shù)；dx、dy分別表示RIS 單元的列間距和行間距；A表示RIS 單元的幅值，本文中A≡1；Fcn，m表示歸一化功率輻射圖案對接收信號功率的影響；rtn，m、rrn，m分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)到第(n，m)RIS 單元的距離；θn，m表示第(n，m)RIS 單元的相移值.

2 搭建半實物仿真平臺

仿真平臺整體架構(gòu)如圖4 所示，由服務(wù)器、核心網(wǎng)、室內(nèi)基帶單元（Building Baseband Unit，BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（Radio Remote Unit， RRU）、信道仿真器、測試模塊及測試電腦組成.將基站側(cè)傳輸線連接可調(diào)衰減器后接入信道仿真器，再將信道仿真器的輸出端連接到測試模塊，最后借助測試電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.通過向信道仿真器中導(dǎo)入實際測試所得的信道參數(shù)，包括路徑損耗、多徑時延等參數(shù)即可模擬出實際場景的信道狀態(tài)，再根據(jù)測試需求改變信道仿真器的輸入?yún)?shù)，可以得到參數(shù)改變前后的RSRP、SINR 以及吞吐量，從而研究不同場景、不同參數(shù)條件下RIS 對用戶網(wǎng)絡(luò)性能的影響.

圖4 仿真平臺架構(gòu)Fig. 4 Architecture diagram of simulation platform

仿真平臺包括部分無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備：QoS 服務(wù)器用于提供文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）的上傳、下載功能，可以統(tǒng)計FTP 傳輸速率，提供不同長度的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）數(shù)據(jù)包傳輸功能，并且可以統(tǒng)計回環(huán)時延、丟包率等；核心網(wǎng)部分主要是提供業(yè)務(wù)支持和數(shù)據(jù)交換；基站及其配套天線則是提供了空中接口、終端接入功能以及通信信號的生成和發(fā)射.

信道仿真器使用Spirent 公司的VERTEX 信道仿真器，見圖5，該仿真器簡化了長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）、LTE-advanced、大規(guī)模多進(jìn)多出（Multiple Input Muliple Output，MIMO）、Wi-Fi和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的高密度MIMO 測試.仿真器支持24 條多徑、380~5 925 MHz 頻段信號的仿真，使用者可以根據(jù)仿真需要設(shè)置對應(yīng)參數(shù).

圖5 VERTEX 信道仿真器Fig. 5 VERTEX channel emulator

測試模塊使用華為MH5000-31 5G 工業(yè)模組，搭配Spark 測試軟件.硬件連接完成后，強(qiáng)制測試模塊進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)附著，待無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）狀態(tài)顯示連接成功后，使用Spark 測試數(shù)據(jù)傳輸以及無線信道特性參數(shù).MH5000-31 5G 工業(yè)模組支持下行4 天線接收和上行單天線發(fā)射的測試，可以實時顯示QoS 吞吐量數(shù)據(jù)以及所需要的RSRP、SINR 等參數(shù)的測量，并實時顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài).實驗室5G 網(wǎng)絡(luò)具體參數(shù)如下：通信頻段采取n1 頻段；中心頻點為2.16 GHz；帶寬為10 MHz；子載波間隔為15 kHz；雙工模式采用頻分雙工（Frequency Division Duplex， FDD）.

3 半實物仿真評估

3.1 測試指標(biāo)

本文的仿真結(jié)果測試指標(biāo)選取RSRP、SINR 以及吞吐量3 項.

1） RSRP.3GPP TS 38.215 協(xié)議［24］規(guī)定，同步信號參考信號接收功率（Synchronization Signal Reference Signal Receiving Power， SS-RSRP）定義為承載輔同步信號的資源粒子功率貢獻(xiàn)的線性平均值.

2） SINR.3GPP TS 38.215 協(xié)議規(guī)定，SS-SINR定義為承載輔同步信號的資源粒子功率貢獻(xiàn)的線性平均值除以噪聲和干擾功率貢獻(xiàn)的線性平均值.

3） 吞吐量.在通信系統(tǒng)中主要指在單位時間內(nèi)經(jīng)過無線信道成功傳輸數(shù)據(jù)的平均速率.

3.2 仿真方法

信道仿真由VERTEX 動態(tài)環(huán)境仿真（Dynamic Environment Emulation，DEE）功能實現(xiàn).DEE 允許使用者在指定的時間間隔內(nèi)動態(tài)地改變VERTEX 的狀態(tài)，可以配置經(jīng)典通道或者幾何通道的DEE 場景，通過選擇衰落模式來建立模型，DEE 功能支持2 種模式：輸出功率級別模式和損耗定值模式.本文仿真采用損耗定值模式，信道模型選取單輸入單輸出（Single Input Single Output，SISO）模型.

VERTEX 信道仿真器允許的輸入端功率范圍為-50~15 dBm，當(dāng)輸入功率超過33 dBm 時會對設(shè)備產(chǎn)生損害，因此需要在輸入端接入可調(diào)衰減器以保證輸入功率始終在VERTEX 允許范圍內(nèi).經(jīng)過多次驗證，當(dāng)衰減值為40 dB 時效果最佳，故將衰減器設(shè)置為40 dB，即將實測得到的路徑損耗數(shù)值減少40 dB 后輸入到信道仿真器中.

3.3 室內(nèi)場景仿真及分析

對2 個室內(nèi)場景進(jìn)行測試與仿真.場景1 的入射角度和反射角度分別設(shè)置為60°和30°，場景2 的入射角度和反射角度分別設(shè)置為30°和60°，2 個場景除了角度不同，其他參數(shù)一致.室內(nèi)場景測試圖如圖6 所示.仿真過程為：首先對場景進(jìn)行實際測量，其次將得到的信道數(shù)據(jù)導(dǎo)入到VERTEX 中，最后得到RSRP、SINR 以及吞吐量的仿真結(jié)果.

圖6 室內(nèi)場景測試圖Fig. 6 Test diagram of indoor scenario

室內(nèi)場景1 的仿真結(jié)果見圖7 和表1.圖7 橫坐標(biāo)為RIS 面板中心到接收機(jī)的距離.由圖7 和表1 可知，部署RIS 并配置碼本后RSRP 增加4~6 dBm，SINR 增加2~4 dB，吞吐量增加10~15 Mbps，且相比編碼之前更加穩(wěn)定.經(jīng)過測試驗證，仿真得到的3項測試指標(biāo)與距離之間基本呈現(xiàn)線性關(guān)系.

表1 室內(nèi)場景1 仿真結(jié)果Tab. 1 Simulation results in indoor scenario 1

室內(nèi)場景2 測試結(jié)果見圖8.由圖8 可知，部署RIS 并配置碼本后，RSRP 增加4~5 dBm，SINR 增加約2.5 dB，吞吐量增加約8 Mbps，且比編碼之前更穩(wěn)定.

圖8 室內(nèi)場景2 仿真結(jié)果Fig. 8 Simulation results in indoor scenario 2

室內(nèi)2 個場景RIS 編碼前后的3 項測試指標(biāo)結(jié)果可以證明RIS 具有主動控制信道的能力，通過改變?nèi)肷湫盘柕姆瓷浞较颍嵘脩舴?wù)質(zhì)量.

3.4 室外場景仿真及分析

對3 個室外場景進(jìn)行測試與仿真.3 個場景入射角度均為0°，反射角度分別為15°、30°和45°.3 個場景除了反射角度不同，其他參數(shù)一致.仿真過程同室內(nèi)場景仿真一致，室外場景測試圖如圖9 所示.

圖9 室外場景測試圖Fig. 9 Test diagram of outdoor scenario

室外場景1 的仿真結(jié)果見圖10 和表2.由圖10和表2 可知，RIS 編碼后RSRP 增加8~9 dBm，SINR 增加5~6 dB，吞吐量增加約20 Mbps，且3 個測試指標(biāo)的穩(wěn)定程度均有提升.經(jīng)過測試驗證，仿真得到的3 項測試指標(biāo)與距離之間基本呈線性關(guān)系.

表2 室外場景1 仿真結(jié)果Tab. 2 Simulation results in outdoor scenario 1

圖10 室外場景1 仿真結(jié)果Fig. 10 Simulation results in outdoor scenario 1

3 個場景的增益效果對比見圖11.由圖11 可知，根據(jù)擬合后的仿真結(jié)果，后2 個場景的3 項指標(biāo)均不如場景1.場景2 相較于場景1，其RSRP 下降2~4 dBm，SINR 基本一致，吞吐量下降4~8 Mbps；場景3 相較于場景2，其RSRP 下降5 dBm 左右，SINR下降4~5 dB，吞吐量下降4~5 Mbps.對比3 個角度的仿真結(jié)果，RIS 在信號垂直入射的情況下，15°的反射效果優(yōu)于30°的反射效果，45°的反射效果最差，但3 項測試指標(biāo)都優(yōu)于無RIS 的情況.出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是本文所用RIS 面板的調(diào)制角度范圍為［-60°，60°］，法線波束寬度B0為7°，根據(jù)式（3），當(dāng)反射角增大時，反射波束寬度也會變大，反射波束的能量更加分散，導(dǎo)致越接近臨界角度其增益效果越下降，因此實際使用中應(yīng)當(dāng)十分注意入、反射角度的范圍.

圖11 室外場景仿真結(jié)果對比Fig. 11 Comparison of simulation results in outdoor scenario

4 結(jié)論

1）基于近場范圍內(nèi)RIS 輔助通信的室內(nèi)和室外場景實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真實驗與測試指標(biāo)分析.比較RIS 編碼前后3 項指標(biāo)結(jié)果，證明RIS 可以實現(xiàn)對無線信道的主動控制，通過改變?nèi)肷湫盘柕姆瓷浞较?，使反射信號對?zhǔn)用戶方向，從而改善用戶的通信服務(wù)質(zhì)量.與RIS 編碼前相比，在室內(nèi)場景，RIS 編碼后RSRP 增加4~6 dBm，SINR 增加2~4 dB，吞吐量增加8~15 Mbps；在室外場景，RIS 編碼后RSRP增加約8 dBm，SINR 增加約5 dB，吞吐量增加約20 Mbps.RIS 在多徑干擾較小的室外場景對信道環(huán)境的調(diào)制效果更好.此外，RIS 編碼對信號的調(diào)制作用使3 項指標(biāo)隨距離變化基本呈線性關(guān)系.

2）室外場景的仿真結(jié)果表明，信號垂直入射時，RIS 在反射角度為15°、30°、45° 3 個方向的調(diào)制效果逐漸變差.15°下的RSRP 相較于其他2 個角度分別提高2~4 dBm、7~9 dBm，SINR 分別提高0~2 dB、2~7 dB，吞吐量分別提高4~8 Mbps、8~13 Mbps.

本次仿真都是基于近場范圍內(nèi)的靜止場景，在實際應(yīng)用中有一定的局限性，在后續(xù)工作中，將針對遠(yuǎn)場范圍的移動場景進(jìn)行測試與仿真驗證，以便為實際場景應(yīng)用RIS 提供更有效的參考.