基于智能超表面的毫米波覆盖增强技术研究

刘秋妍 吕 轩 李佳俊 张忠皓

1 中国联通研究院 北京 100048

2 中国联合网络通信有限公司北京分公司 北京 100031

3 中国联通华盛通信有限公司 北京 100031

引言

随着以“5+A B C D E”(第五代移动通信5thGeneration、人工智能Artificial Intelligence、区块链Blockchain、云计算Cloud Computing、数据挖掘Data Mining、边缘计算Edge Computing)为代表的信息技术飞速发展，各行各业在从劳动密集型向技术密集型和资本密集型转变的过程中，逐渐跨越通过自动化设备替代手动操作的阶段后，对以技术变革推动社会经济转型的需求愈发强烈，期望以全网统一管控协同调度替代单点工作，以资源池化共享颠覆孤岛资源，以核心能力边缘下沉弥补远端能力与边缘业务需求之间的鸿沟，以数据分析将现实世界刻画到虚拟世界，以人工智能提升辅助增强决策分析的智能化水平，以分布式存储共识提供基于网络的信任互联。数据、信息、网络、平台能力已经成为新时期企业的核心竞争力，以信息网络建设、信息技术应用、信息产品与服务、信息化人力资源和信息化发展水平等方面测算出来的国家信息化水平已经成为信息时代的“国家智商”。以5G为代表的信息技术将全面渗透到各行各业，移动新业务对通信带宽和通信速率的需求也急速提升，充足的频带资源是保障更高速率的必要条件。然而目前6GHz以下的频谱资源已经分配殆尽，很难再找到连续的大带宽频谱来支撑移动通信的超高数据传输速率，而毫米波频段有丰富的带宽资源，可以极大地提高通信速率，向毫米波频段演进已经成为后5G(Beyond 5G，B5G)和未来6G移动通信网络演进的必然趋势[1-3]。

1 毫米波频段特性与覆盖困境

毫米波(30GHz～300GHz)为代表的高频通信是未来移动通信网络发展的重要趋势。但是，高频信号最明显的特征就是路径损耗较大、小区半径较小，并且受障碍物遮挡、雨雪天气、环境吸收等的影响非常大[4-6]。依据3GPP38.901无线信道损耗模型，同等条件下28GHz毫米波信号的路径传输损耗比3.5GHz信号的路径损耗增大约18dB，在穿透损耗方面，毫米波穿透损耗3GPP理论值及测试值如表1所示。

对比表1可见，对于低频毫米波信号而言，混凝土和红外反射玻璃材质的障碍物几乎无法穿透，树叶、人体、车体等障碍物对低频毫米波信号的穿透损耗均在10dB以上，导致覆盖范围内的大部分区域通信质量从良好变得非常差，只有在普通玻璃和木门等少数材质障碍物条件下，低频毫米波信号的穿透损耗可能会大于5dB小于10dB，仍然会导致覆盖范围内的大部分区域通信质量严重下降。而对于高频毫米波和太赫兹频段，所有的障碍物都会对无线信号造成至少几十dB的传播损耗，几乎所有的通信都无法保障。在实际的无线通信环境中，人体、墙体等障碍物遮挡是无法避免的，因此，如何克服障碍物遮挡是高频通信亟待解决的关键问题。

表1 高频信号穿透损耗3GPP理论值及中国联通实测值

2 智能超表面技术原理

智能超表面技术是一种基于超材料发展起来的新技术，也可以看作是超材料在移动通信领域的跨学科应用。智能超表面在超材料的基础上增加控制电路，如图1所示，一个智能超表面材料由大量智能超表面单元组成，智能超表面单元的几何结构、尺寸大小和排列方式决定了的基础电磁特性，通过基于FPGA可编程逻辑门等可编程控制电路影响超材料的电磁特性，例如施加在变容二极管上的电压或施加在光敏元件上的光强，可以动态地控制这些智能超材料单元的电磁性质，比如单元的反射系数和透射系数，进而改变反射信号或透射信号的幅度、相位、频率甚至极化特性[7-10]。

图1 智能超表面单元结构示意图

3 基于智能超表面的毫米波覆盖增强解决方案

3.1 基于RIS的毫米波室外覆盖增强解决方案

1)盲区增强覆盖方案

在毫米波非视距传输场景，由于无线信道受障碍物遮挡等原因，造成毫米波小区出现覆盖盲区，位于覆盖盲区的移动终端无法正常通信。基于RIS的毫米波覆盖增强方案，如图2所示，在毫米波传播空间内部署智能超反射表面及控制单元，按需动态构造非视距反射路径，并以视距反射信道替代非视距直射信道，调整毫米波波束方向，实现毫米波通信虚拟视距传输，有效解决毫米波通信非视距传输损耗较大的问题。

图2 基于RIS的毫米波盲区覆盖增强方案

2)小区覆盖半径增强方案

由于同等条件下毫米波信号的路径传输损耗比3.5GHz信号的路径损耗大很多，因此，毫米波小区覆盖半径比3.5G小区覆盖半径要小很多。为了扩展毫米波小区覆盖半径，在毫米波传播空间内部署智能超反射表面及控制单元，调整毫米波波束方向，实现基于RIS的中继传输模式，提升毫米波小区覆盖范围，如图3所示。相比于部署中继基站的小区半径增强方案，基于RIS的中继传输方案网络建设成本更低，能量消耗更小，网络运营成本更低。

图3 基于RIS的毫米波小区覆盖半径增强方案

3)吞吐量增强方案

除了覆盖增强和补盲两种毫米波增强方案之外，智能超表面还可以用于吞吐量增强的场景，如图4所示。通过在毫米波传播空间内部署智能超反射表面及控制单元，按需改变智能超反射表面的反射特性，控制高频信号经过智能超反射表面后的幅度、相位、频率甚至极化特性，在毫米波传播空间按需动态构造反射路径，构造信道相关性较低且有效径更多的无线传播环境，有利于毫米波终端应用多天线技术获得更高的性能增益。

图4 基于RIS的吞吐量增强方案

4)边缘用户干扰协调增强方案

为了改善小区边缘用户性能，基于RIS的边缘用户增强方案通过在相邻小区覆盖边缘部署智能超反射表面及控制单元，按需改变智能超反射表面的反射特性，控制高频信号经过智能超反射表面后的幅度、相位、频率甚至极化特性，为小区边缘用户构造来自两个相邻基站的发射路径，结合多小区干扰协调等技术，改善边缘用户网络质量，如图5所示。

图5 基于RIS的边缘用户干扰协调增强方案

3.2 基于RIS的毫米波室外覆盖增强解决方案

1)基于光电转换的毫米波室内覆盖方案

基于光电转换的毫米波室内覆盖方案的目标是针对室外毫米波信号如何转换成室分信号这一问题而设计的。如图6所示，该方案通过在建筑物楼顶部署毫米波接收机和毫米波电光转换模块，将接收到的来自室外基站的毫米波信号转换为光信号，并通过光纤入户方案，通过室内部署光电转换模块，将光信号解调为毫米波信号，实现室内覆盖。该覆盖方案具有传输带宽大、信道质量稳定等优点，但是需要针对毫米波频段开发光电/电光转换模块。

图6 基于光电转换的毫米波室内覆盖方案

2)基于RIS透射增强的毫米波室内覆盖方案

基于RIS透射增强的毫米波室内覆盖方案将具有透射增强能力的毫米波智能超反射表面部署在门窗玻璃上，替代传统的门窗玻璃，如图7所示。通过控制单元按需改变智能超表面的毫米波透射特性，控制毫米波信号经过智能超表面后的幅度、相位、频率甚至极化特性，降低室外毫米波信号覆盖室内场景引入的穿透损耗。

图7 基于RIS透射增强的毫米波室内覆盖方案

3)基于RIS的毫米波室内盲区覆盖增强方案

与毫米波室外覆盖相似，毫米波室内覆盖同样面临障碍物遮挡损耗严重的问题，基于RIS的毫米波室内覆盖增强方案，如图8所示，在室内环境中部署智能超反射表面及控制单元，按需动态构造非视距反射路径，并以视距反射信道替代非视距直射信道，调整毫米波波束方向，实现毫米波通信虚拟视距传输，有效解决毫米波通信非视距传输损耗较大的问题。

图8 基于RIS的毫米波室内盲区覆盖增强方案

4 结论

针对毫米波路径损耗较大、受障碍物遮挡影响明显等问题，本文面向毫米波室外盲区覆盖增强、小区半径增强、吞吐增强、干扰协调等场景需求及毫米波室内覆盖盲区和多层覆盖等场景，提出不同典型场景下基于智能超表面的毫米波覆盖增强方案，通过在毫米波信号传播空间部署智能超反射/透射表面及控制单元，按需动态构造视距反射路径，以非视距反射信道替代受障碍物遮挡的视距信道，有效提升毫米波信号覆盖质量。