面向6G的智能表面技术综述

杨坤　姜大洁　秦飞

【摘  要】智能表面技术是6G潜在关键技术之一，可以明显提升通信系统的覆盖效果。本文基于智能表面的工作特点和在6G系统中的应用场景，分析了智能表面的控制理论。理论和实验研究表明，智能表面技术可以在降低部署成本的同时实现覆盖增强、波束赋形等多种功能。

【关键词】6G;智能表面;MIMO;覆盖增强;超表面

0   引言

智能表面是一个跨学科新兴技术，在学术界也被称为大型智能表面（Large Intelligent Surface），可重配智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface），金属超表面（Metasurface），软件定义超表面（Software Defined Surface/Metasurface）等。智能表面技术最早由电磁学、材料学的科学家进行研究，之后被引入实际应用中，例如电磁隐身材料、全息成像、雷达波束扫描等。智能表面在20世纪就已经被提出，其技术前身是军用雷达和反雷达设备，主要应用于毫米波、太赫兹等高频波段，因此在早期并没有引起移动通信系统的关注。2017年，Nature Communication杂志上发表了一篇智能表面相关论文[1]，论文中介绍了工作于7.8 GHz频段的反射型智能表面，通过1 bit相位控制实现了动态全息成像。智能表面技术再次受到业界广泛关注，尤其是通信界的关注，被认为是6G系统的潜在关键技术之一。

在5G和6G阶段，为支持更高的数据通信速率，毫米波和太赫兹的频段被逐渐开放出来用于无线通信。2019年世界无线电通信大会WRC19对毫米波做了进一步修订，将26 GHz、40 GHz、66 GHz频段划分为5G及国际移动通信系统未来发展的频段。2019年4月，Oulu大学举办的第一届6G无线峰会发布了第一版6G白皮书，太赫兹通信被纳入6G通信的潜在关键技术[2]。智能表面技术已经应用于雷达技术中的无源阵列天线并获得了显著的天线增益。智能表面技术可以引入到6G通信系统中提升高频段通信系统的通信质量。

本文将对智能表面技术进行全面的总结，分别介绍智能表面的硬件特点、6G中的潜在应用场景、国内外研究进展和未来的技术研究方向。

1    智能表面技术概述

1.1  技术概述

智能表面设备由大规模器件阵列和阵列控制模块构成，如图1所示。大规模器件阵列是在平面底板上规则的重复排列的大量器件单元。为达到可观的信号操控效果，通常需要几百或者几千个器件单元组成器件阵列。每个器件单元都具有可变的器件结构，例如，器件单元中包含一个PIN二极管，PIN二极管的开关状态决定了器件单元对外界无线信号的响应模式。智能表面的阵列控制模块可以控制每个器件单元的工作状态，从而动态或半静态地控制每个器件单元对无线信号的响应模式。大规模器件阵列的每个器件单元的无线响应信号互相叠加，在宏观上形成特定的波束传播特征。控制模块是智能表面设备的“大脑”，根据通信系统的需求确定智能表面的无线信号响应波束，使得原来静态的通信环境变得“智能”、“可控”。

智能表面技术在多个技术领域有所应用，根据应用场景不同有很多种不同的设计方案。按照器件单元的物理原理[3]分类包含Tunable Resonator可变电容型、Guided Wave波导型、Element Rotation极化型等;按照无线信号输出形式，分为反射型智能表面和透射型智能表面;按照无线信号响应参数[4]分类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联合控制型智能表面;按照响应参数控制分类分为连续控制型和离散控制型;按照控制智能表面幅度和相位的频次或快慢分为静态，半静态/动态控制的智能表面，其中静态的智能表面目前就可以应用到已有系统中，例如4G/5G系统。考虑器件设计和制作的复杂度，学术界普遍选择使用单一无线信号响应参数的离散控制型器件单元进行研究。目前，学术界广泛讨论的智能反射表面IRS（Intelligent Reflecting Surface）就是一种基于信号反射的相位控制智能表面，通过1 bit的指示信息控制器件单元的反射信号的相位，实现0或π的相位翻转。

得益于不需要射频和基带处理电路，智能表面设备与传统无线通信收发设备相比有几点优势：

（1）智能表面设备有更低的成本和实现复杂度;

（2）智能表面设备具有更低的功耗;

（3）智能表面不会引入额外的接收端热噪声;

（4）智能表面设备厚度薄、重量小，可以实现灵活的部署。

但是智能表面无法对无线信号进行数字处理，只能实现模拟的信号波束。

1.2  智能表面技术在6G系统中的应用场景

未来的6G通信业务要求更高的通信速率和更多的连接密度[2]，需要开发更多的频谱资源和达到更高的频谱利用率。很多新兴技术被认为是6G通信系统的潜在技术方向，例如太赫兹通信，超大规模的MIMO技术等。智能表面技术与上述技术方向结合，可以在多个实际应用场景中提升通信系统的性能。

无线通信环境中的遮挡物会造成阴影衰落，导致信号质量下降。传统的无线通信系统通过控制发射设备的发射信号波束和接收设备的接收信号波束提升接收信号的信号质量。对于毫米波和太赫兹频段，高频信号的透射和绕射能力更差，通信质量受到物体遮挡的影响更明显。在实际部署中，智能表面可以为物体遮挡区域的终端提供转发的信号波束，扩展小区的覆盖范围，如图2（a）所示。对于超高流量的热点业务，例如VR业务，基站与终端的直通链路可能无法提供足够的吞吐量。智能表面可以为热点用户提供额外的信号传播路径，提升热点用户的吞吐量，如图2（b）所示。

智能表面技术可以与大规模MIMO技术结合，克服收发天线数量增加带来成本和功耗增大的问题，在降低设备成本的同时提升MIMO的空间分集增益，如图2（c）所示。4G时代引入了Massive MIMO的概念，并获得明显的性能增益，但是随着天線数量增多，基站需要更多的射频链路，导致更高的功耗和复杂度，使得基站的成本大大增加，限制了Massive MIMO天线规模的进一步升级。智能表面是Massive MIMO的一个演进方向。由于智能表面只反射或折射入射信号，不需要具备射频链路，避免了硬件复杂度和功耗的问题，可以进一步提升多天线规模，获得更高的波束赋形增益。

2    智能表面技术研究现状

2.1  理论研究进展

在理论分析中，惠更斯-菲涅尔衍射准则被用于对智能表面器件单元的响应信号进行建模。在器件单元设计时，器件单元的尺寸与无线系统的工作频段的波长相对应。例如，文献[1]中介绍了对应7.8 GHz频段的信号，器件单元的尺寸为6 mm×6 mm×2 mm，相当于0.156×0.156×0.05λ3。每个智能表面器件单元被建模等效成独立的信号节点，智能表面设备调整每个器件单元的工作状态，使所有器件单元的响应信号在终端节点正向叠加。

以相位控制型智能表面为例，器件单元（m， n）的理想补偿相位为：

其中，d→BS，d→UE， d→mn分别为基站，终端，器件单元（m， n）的坐标向量。如果终端与智能表面的相对位置满足远场辐射条件，智能表面到终端的信号近似为平行信号， |d→UE- d→mn |≈d→UE? d→mn。在满足远场辐射条件时，基站与智能表面之间也可以进行相应近似操作。

对于1 bit离散相位控制型智能表面，通过离散化处理将理想补偿相位映射离散相位上，例如：

离散化控制方案相比于连续控制方案有一定性能损失，性能损失由参数量化阶数决定[5]。根据理论分析，1 bit离散相位控制方案的信号质量与理想情况的差距大约为-3.9 dB，2 bit离散相位控制方案的信号质量与理想情况的差距小于-1 dB。智能表面的信号正向叠加方案可以获得很高的分集增益，该分集增益正比于器件单元数量的平方[6]。

智能表面设备可以实现无线信号的高效转发。当智能表面的器件数量足够多时，终端接收信号质量和总功耗要优于传统的放大转发中继[6]和解码转发中继[7]。图3为基于智能表面的波束赋形原理示意图。

2.2  样机和测试结果

基于智能表面设备的通信系统已经在国内外高校和研究机构进行测试，如图4所示。

国外方面，日本DOCOMO公司于2019年首次在外场测试了基于静态的智能反射表面设备的28 GHz毫米波通信[8]，其通信速率达到560 Mb/s。在相同环境中，不依靠智能反射表面设备的端到端的通信速率仅为60 Mb/s。美国麻省理工学院搭建了工作于2.4 GHz非授权频段的测试平台RFocus[9]，验证了室内商场场景中部署智能表面的可行性，部署智能表面后的室内信号覆盖强度平均提升约2倍。

国内高校也实现了基于智能表面设备的通信系统，并且在智能表面设备器件单元的构造设计和系统架构设计上有独到的见解。清华大学[10]设计了2 bit离散相位控制器件，该器件包含两个PIN二极管作为2 bit控制模块。清华大学制作了256个器件单元的智能反射表面设备，该设备在28.5 GHz频段的波束赋形增益可达19.1 dB。东南大学[11]设计了电压控制的智能反射器件，该器件具有良好的电压-反射相位的线性关系。基于这个新型器件单元，东南大学实现了基于智能反射表面的8PSK信号调整，通信速率达到6.144 Mb/s。值得注意的是，与传统的被动反射或折射第三方信号的智能表面不同，东南大学设计的这个智能表面还可以利用第三方信号，即通过改变第三方信号的相位，来传输智能表面本身的信号。从本质上可以看做是一种backscatter技术。

2.3  未来的研究方向

基于智能表面技术的通信系统验证了这项新技术的可行性，并且提供了可观的系统性能增益。在产业化之前，智能表面技术还有很多开放性问题需要研究，我们列出目前学术界讨论最多的三个问题：

（1）器件單元的设计和建模理论。用于通信的智能表面器件单元需要支持双极化的入射信号，并且对于双极化入射信号具有相近幅度和相位响应特性。智能表面器件单元的设计需要从器件材料选取和器件结构两个方向设计符合通信系统需求的智能硬件。在理论分析中，智能表面器件单元被建模成理想的反射单元，然而实际的器件单元的响应信号的参数受到多个因素影响，例如入射信号角度，出射信号角度，入射信号极化方向等。准确高效的器件单元的信号响应模型是智能表面设备性能评估的基础。

（2）智能表面的信道建模。未来的通信环境中可能会大量部署智能表面设备。智能表面设备不能抽象为一个简单的通信节点，现有的无线通信信道模型不适用于智能表面的信道建模。学术界需要对智能表面设备与基站或终端节点之间的信道特征进行分析和建模并进行测试验证。特别地，智能表面的信道特征受基站、终端和智能表面部署位置的影响，系统仿真需要对智能表面进行空间建模来准确地评估系统性能。

（3）信道测量和反馈机制。由于智能表面由大量的器件单元构成并且没有射频和基带处理能力，所以基站无法分别获得基站到智能表面以及智能表面到终端的信道信息。基站或终端的接收信号由大量的智能表面器件单元的响应信号叠加形成，改变一个或者少量的器件单元的工作状态并不能使接收信号产生明显的变化。一种可能的测量方案[12]是在智能表面中安装少量有源器件单元，使得智能表面能够进行信道测量和反馈;基站使用压缩感知或者深度学习算法从有限的信道信息中推算出合理的智能表面配置参数。基于智能表面的通信系统需要一个高效的信道测量机制，在保证智能表面低复杂度的前提下，尽量提升端到端的信号质量。

此外，基于智能表面的通信系统的理论性能分析，多用户MIMO性能分析，智能表面应用部署场景的探索等也是后续研究的重要方向。

3   结束语

作为6G潜在关键技术之一，智能表面技术通过控制每个器件单元对入射到智能表面的无线信号的响应模式，来实现覆盖延伸、热点增强和MIMO空间分集增强等目的。智能表面技术相当于重构或者增强了信道传播环境。本文介绍了智能表面的工作特点，归纳了智能表面技术在6G系统中多种应用场景。更进一步，文章总结了学术界对智能表面的理论分析、国内外研究机构的样机开发和测试验证结果。最后，文章给出了智能表面的未来研究方向，包括器件单元的设计和建模理论，信道建模，信道测量和反馈机制等。

参考文献：

[1]     LI L， CUI T J， JI W， et al. Electromagnetic reprogramma-ble coding metasurface holograms[J]. Nature Communications， 2017（8）： 1-7.

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[3]     HUM S V， PERRUISSEAU-CARRIER J. Reconfigurable reflectarrays and array lenses for dynamic antenna beam control： a review[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2014，62（1）： 183-189.

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[11]  TANG W， DAI J Y， CHEN M， et al. Programmable metasurface-based RF chain-free 8PSK wireless transmitter[J]. Electronics Letters， 2019，55（7）： 417-420.

[12]  TAHA A， ALRABEIAH M， ALKHATEEB A. Enabling large intelligent surfaces with compressive sensing and deep learning[EB/OL].  （2019-04-23）[2020-04-25].  https：//arxiv.org/abs/1904.10136.

作者簡介

杨坤（orcid.org/0000-0002-8987-2985）：

博士毕业于北京大学，现任职于vivo通信研究院，通信标准工程师，主要研究方向为智能表面，中继网络等B5G和6G物理层通信技术。

姜大洁：硕士毕业于北京邮电大学，现任职于vivo通信研究院，主要研究方向为B5G和6G移动通信技术。

秦飞：硕士毕业于电信科学技术研究院，自2001年开始从事3G、4G、5G系统关键技术研究和标准化工作，现任vivo通信研究院院长，主要研究方向为B5G和6G移动通信技术。