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中国移动袁弋非:智能超表面中继以往教训和未来成功的策略

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通信世界网消息(CWW)近年来,随着超材料技术的快速发展,智能超表面技术(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)因其具有调控无线信道的能力,为通信系统的设计提供了一种新的范式,被认为是未来6G中颇有前景的关键技术之一。

在近期举行的全球6G发展大会--新型技术及无线空口演进分会场上,中国移动首席专家袁弋非发表了《智能超表面中继:以往教训和未来成功的策略》的主题演讲,会后移动Labs对其进行了专访,他表示,RIS是由超材料领域的突破引起的多天线技术又一次革命,目前虽有诸多挑战,但存在更多潜力和机会,有望开创出一个全新的技术领域和组网方式。

我国RIS研究居全球前列

无线网络的频谱效率和覆盖是历代移动通信系统的关键性能指标(KPI),6G系统的频谱效率相比5G系统需要提升2~3倍。在5G时代,频谱效率指标主要是依靠大规模天线技术,但继续增加基站天线数将难以显著提高谱效,功耗和硬件复杂度也愈加成为基站天线发展的瓶颈。作为新一代多天线技术,RIS依托近几年在信息超材料上的重要进展,通过调控无源超表面天线单元的相位、幅度或极化方向,大幅改善电磁传播环境,提升小区吞吐,扩展覆盖,有望成为满足6G系统频谱效率指标的重要引擎,并且降低无线侧的功耗。

RIS技术的主要特点是以低功耗的方式,对大规模低成本的无源天线单元进行智能调控,从而重塑无线环境。RIS是信息超材料和无线通信的跨学科融合的典范,其典型应用场景包括:无线网络的吞吐量提升,覆盖增强,通信感知一体化等。

我国在RIS方面的研究深度和广度在全球居前列,2020年6月在IMT-2030(6G)推进组成立智能超表面任务组,积极参与并贡献文稿的单位超过30家,包括高校、科研院所、运营商和厂商等。2022年4月成立RIS技术联盟(RISTA),国内外成员单位超过120家。

在器件方面,已有多家企业具有生产中等大小(单元数200 ~2000)RIS面板的能力;

在原型系统方面,有近十家高校和企业参与了IMT-2030 RIS技术试验;

在测试方面,多家运营商与厂家/高校都开展了现网的外场测试,验证了RIS的性能增益;

在RIS理论、方案设计、信道建模和系统性能仿真方面,国内的高校和企业的研究成果也十分显著。

RIS中继发展成功的策略

2006年学术界掀起了一场中继的研究热潮。当时对于中继的研究分为两大类,一种是放大前向(AF)模式,类似于直放站,另外一种是解调前向(DF)模式。到了2009年标准化研究,基本上聚焦于解调前向(DF)模式,原因是AF节点性能限制以及对标准化影响比较小。研究过程中增强系统吞吐量以及扩展网络覆盖范围成为目标。2009年之后设计变得过于复杂,比如交织与非交织R-PDCCH,中继定时和回传子帧结构,回传子帧结构与HARQ等等。相比之下,3GPP Full Dimensional-MIMO研究是一个比较成功的例子,体现了从学术到商用的平滑过渡。

据袁弋非介绍,RIS中继是一个具有强大天线功能的中继,它的发展需要参考4G中继的经验教训:第一,标准推进的节奏缺乏统筹,开始照搬学术界的研究方式,范围过于发散,之后又突然收紧,技术方向筛选比较盲目;第二标准上的过度设计,包含大量很不必要的功能;第三,应用场景过于狭窄,只用于补盲。

袁弋非还提出了RIS中继发展成功的策略。首先,作为具有颠覆性的新技术,RIS中继应采用多步骤推进的策略,在3GPP当前的R18中做好网络控制的直放站(NCR)的相关研究和标准化,在R19成立RIS中继的研究,为使研究扎实深入,可以跨整个一个版本,在R20基于新的空口对RIS中继进行更全面的研究和标准化。在这个跨版本多阶段的推进过程中,需要结合RIS硬件的发展和信道建模的工作,例如在硬件方面进一步优化器件成本和设计,硬件控制器从FPGA向ASIC的过渡,信道模型从几何统计模型出发,逐步融入确定性模型的因素,随着RIS面板口径的增加,从远场条件到近场条件,深入挖掘无线信道中更多的空间资源。

RIS面临的挑战以及中国移动实践成果

据了解,当前RIS技术面临着三方面的挑战。第一,RIS器件的成本还不够低,生产厂家多是依托高校的小企业,高一致性量产较难;第二,RIS工作模式还是以波束赋形为主,对RIS信道缺乏系统全面模型,还未达到对无线环境的全面调控;第三,RIS中继是一项系统技术,需要与基站进行紧密的配合,无论是从RIS在小区中的位置部署,还是与基站动态交互信令的角度,以及邻频的干扰问题。

中国移动在RIS方面取得了一系列的实践成果:在现网测试方面,与东南大学于2021年6月完成业界首个全面的外网测试,涵盖室外遍历、室外到室内、塔下阴影、覆盖拉远等场景,2022年与华为/港中文深圳开展了对RIS盲波束方案的现网覆盖和吞吐量测试;在系统仿真方面,中国移动在业界较早进行了多小区多RIS部署场景下的RSRP、SINR性能评估,验证了不同大小RIS的性能增益;在理论性能、硬件仿真建模、标准化策略方面,在IEEE核心期刊/会刊如Communications Magazine、Wireless Communications Magazine、Globecom发表多篇论文,在通信/控制方案设计和硬件设计方面申请相关专利30余项。

袁弋非表示,RIS是由超材料领域的突破引起的多天线技术又一次革命,目前虽有诸多挑战,但存在更多潜力和机会,有望开创出一个全新的技术领域和组网方式。

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