智能超表面性能仿真与测试

顾 琪，苏 鑫，吴 丹，王菡凝，崔景源，李 亚，袁弋非，王启星

(1.中国移动通信有限公司研究院，北京100053;2.北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京100876)

0 引言

超材料是一类具有人工设计的结构并呈现天然材料所不具备的超常物理性质的材料。早期三维结构的超材料存在结构复杂、高介质损耗、制备困难等问题，故一种超薄的二维形式的超材料应运而生——超表面。超表面是一种人造的反射表面，由单元在平面上紧密排布而成，通过改变电磁结构或单元排布方式来调控电磁波。在超表面结构中引入可调元器件即构成智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)。RIS设备由大规模器件阵列和阵列控制模块构成[1]。大规模器件阵列的各个器件单元的无线响应信号相互叠加，在宏观尺度上形成特定的波束传播特性。控制模块是RIS设备的“大脑”，根据通信系统的需要改变超表面的电磁特性，调控反射电磁波的电磁参数，例如相位、频率、振幅等[2]。

在传统的无线通信环境中，无线信号在传输过程中会遇到障碍，经过反射、折射和透射等，会出现原始无线信号的多径分量，以不同的幅度、相位及延迟到达接收端。由于这些多径分量与原始无线信号在接收端正向叠加或反向抵消，使得接收信号产生多径衰落，严重损害无线通信系统的性能。而RIS作为中继，利用大规模低成本、低功耗的电磁单元，智能控制无线信号的反射特性，将不可控的传播环境变成智能可重构空间，对信息传输和处理起到了积极的作用，引发了业界对智能超表面中继的研究热潮。文献[3]全面对比了RIS与传统的全双工、半双工中继技术，证明RIS具有低功耗、高能效、易部署、低成本、低热噪声等优势。文献[4]详细调研了RIS中继技术，并给出了目前面临的挑战和未来的研究重点，例如信道建模、信道估计、联合波束赋形设计、多用户传输、多小区干扰管理等。然而，目前大部分研究都从理论上论证了RIS技术优势，缺乏在RIS带来的新型网络拓扑下，对网络性能的系统级仿真和外场测试的研究。本文从RIS引入的新型信道模型的数值仿真验证出发，对不同场景和参数配置下的网络性能进行了系统级仿真和外场测试，并给出了RIS部署相关的结论和策略。

1 数值仿真

本文数值仿真信道建模采用了文献[5]提出的RIS中继系统接收功率基本通用模型，接收端的接收功率可以表示为：

(1)

(2)

(3)

该反射相位可由式(1)得到。

1.1 RIS的部署位置对用户性能的影响

本节将研究单用户性能仿真。给定基站和用户位置，移动RIS面板位置，如图1所示。参数设置如下：载频fc=3 GHz，带宽100 MHz,天线增益Gt=2 dB、Gr=2 dB，RIS的单元数为400，RIS距离基站与用户连线的距离为Z。

图1 单用户系统模型示意图Fig.1 Illustration of the single-user system model

1.1.1 单用户场景

图2给出了反射板位置与性能增益之间的关系。

(a) RIS物理角度固定

(b) RIS最优物理角度

(c) 无源反射板

图2(a)为RIS板平行于基站与用户连线时的性能增益，在靠近基站的位置(-150 m)或者用户的位置(150 m)部署RIS，能够获得最大增益为80%；图2(b)中可以看到调整RIS的物理角度，能够大幅提高用户速率，最大增益可以达到400%，最优的物理角度取值是使得入射角与反射角相等。图2(c)表明无源反射板在基站和用户附近最大有150%的性能增益。由上述仿真结果可知，RIS部署在用户或基站附近，能获得更高的增益。

1.1.2 RIS对不同覆盖情况用户的性能影响

本仿真中用不同的信噪比(SNR)来表征用户所处位置的覆盖情况，即SNR越小，对用户的覆盖越弱。如图3所示。

(c) SNR=0 dB

对信号较好的用户(SNR=10 dB)，RIS可以提供最大2.5倍的速率增益，是无源反射板的2.5倍；对信号一般的用户(SNR=6 dB)，RIS可以提供最大4倍的速率增益，是无源反射板的2.6倍；对信号不好的用户(SNR=0 dB)，RIS可以提供最大10倍的速率增益，是无源反射板的2.7倍。由上述仿真结果可见，RIS对于覆盖不佳用户的性能提升更为显著。

1.2 RIS对不同位置上的用户性能的影响

本节将研究不同位置上用户性能，如图4所示。

图4 不同位置用户系统模型示意图Fig.4 Illustration of system model for users in different locations

给定基站和RIS的位置分别为(-150,0,0)和(0,0,0)，观察小区不同位置上用户的性能增益。参数设置如下：发射功率Pt=43 dBm， RIS板平行于基站与用户连线，RIS距离基站与用户连线的距离为Z=-300 m，RIS单元数500，载频fc=3 GHz，带宽1 MHz，阵子宽度dx=λ/2，dy=λ/2，噪声方差 -114 dB，天线增益Gt=2 dB、Gr=2 dB。

1.2.1 不同相位设置

RIS针对每个位置的用户使用最优相位，所获得的性能增益如图5(a)所示，图5(b)显示固定相位的无源反射板的性能增益。可以看出无源反射板对小范围内的用户提升性能，而RIS可以为更大范围的用户提供性能增益。

当RIS可以针对不同位置的用户进行定向波束赋型，性能增益如图6所示。可以看出，对同一方向上的用户都有增益，而对该方向周围用户干扰控制在较低的水平。因此可以得出结论：RIS可以提升信号强度但不造成额外干扰，可用于边缘用户的速率提升。

此外，图7给出了RIS为两种随机相位时的性能，即不同位置用户使用同一个随机相位和不同随机相位。可以得出结论：当RIS的相位为随机相位时，性能增益不大。

(b) 无源反射板

(a) RIS对坐标为(150,0,0)的UE进行定向波束赋形的性能增益

(b) RIS对坐标为(150,0,-150)的UE进行定向波束赋形的性能增益

(a) 同一随机相位

(b) 不同随机相位

1.2.2 量化相位比特数

在理论分析中，主要考虑RIS反射单元的相位连续调节。但是由于硬件限制，连续相位难以实现。通过离散相位可以大大简化RIS的硬件和控制模块的设计。文献[7]表明1 bit、2 bit和3 bit离散相位与连续相位相比分别有3.9 dB、0.9 dB、0.2 dB的功率损耗。文献[8]中表明，与最优相位相比，采用2 bit量化相位的遍历频谱效率下降低于1 bit/s/Hz；采用3 bit量化相位的遍历频谱效率接近于最优相位的性能。图8分别为1 bit、2 bit、3 bit、4 bit时，各位置上用户的性能增益，可以看出，3 bit时所获性能增益已趋近于图5(a)所示的最优相位的性能增益。因此，在RIS的实际应用中，使用2 bit和3 bit的量化相位可以满足基本需求。

(a) 1 bit

(b) 2 bit

(c) 3 bit

(d) 4 bit

2 系统级仿真

通过上文的数值仿真，初步验证了RIS的覆盖增强能力。为了检验RIS大规模部署的效果，有必要进一步探讨RIS的部署策略，如在蜂窝系统中部署RIS的数量、位置、规模和功能，以便满足真实场景的性能要求。因此，本节进行了初步的系统级仿真。

系统级仿真场景示意如图9所示，由7小区21扇区组成，基站(BS)间距为500 m，RIS的天线模型参考3GPP TR 38.901[6]。信道模型为38.901 Uma信道模型，为简单起见，只考虑大尺度的模型。用户(UE)撒点在小区边缘，BS-RIS链路和RIS-UE链路都是LOS径。在2.6 GHz的频率下，基站、用户和RIS的高度分别为25 m、1.5 m和20 m。考虑了两种RIS单元数，即288与512，假设RIS单元水平间距为半波长，垂直间距为0.8倍波长。一个扇区有4个RIS或8个RIS，并分别考虑了RIS部署在小区中间和小区边缘两种部署方式。

图10给出了将RIS部署在小区中间的性能。图10(a)为接收信号功率Pt的累积分布函数(CDF)。与没有RIS的情况相比，4个288阵子的RIS、8个288阵子的RIS和8个512阵子RIS的接收信号功率增益分别约为1.5 dB、3 dB和6 dB。图10(b)显示了信号干扰噪声比(SINR)的CDF，与没有RIS的情况相比，4个288阵子的RIS、8个288阵子的RIS和8个512阵子RIS的SINR增益分别约为0.7 dB、1.5 dB和3 dB。仿真结果表明了在小区中部署RIS带来的性能增益。随着RIS的天线规模和RIS板数目的增加，系统性能也随之提高。

图11给出了RIS部署在小区中间和小区边缘两种部署方式的性能。仿真结果表明，将RIS部署在小区边缘，即靠近边缘用户时，能提高系统性能。该结果与1.2.1小节中的图6可以相互印证，RIS对反射波束的汇聚作用，可以有效增强信号和抑制干扰，提升小区边缘用户性能。

(a) RIS部署小区中间

(b) RIS部署在小区边缘

(a) 接收信号功率CDF

(b) SINR CDF

3 外场实地测试

2021年6月中国移动联合东南大学崔铁军院士团队、杭州钱塘信息有限公司，率先在中国移动南京现网完成电磁单元器件可调、波束方向可灵活控制的智能超表面技术验证[9]。南京现网的测试环境工作频段为2.6 GHz，代表了一个密集的城市环境，包括室外和室内。

RIS面板的尺寸为160 cm× 80 cm，包含32×16=512个阵子。RIS波束的方位角和垂直方向都可以调整，相位分辨率为1 bit。RIS的波束是根据基站波束和目标用户的地理位置以及传播环境手动调整。图12分别显示了没有RIS和部署RIS后测量的参考信号接收功率(RSRP)、SINR和下行链路(Throughput DL)吞吐量。RSRP、SINR和DL吞吐量的CDF曲线也在有无RIS之间进行了比较。从测试可以看出，对于覆盖良好的用户，部署RIS并未带来较为显著的增益。而对于覆盖不佳的用户，RIS可以带来显著的增益。这也验证了1.1小节数值仿真中的结论：RIS对于覆盖不佳的用户，可以更好地提升其性能增益。

(a) 有无RIS情况下的性能比较

(b) 有无RIS情况下的CDF曲线比较

4 结束语

RIS作为6G的潜在关键技术之一，将不可控的传播环境转变为一个智能可重构空间，具有高集成度、低成本和低功耗的优势。本文从新型信道模型的数值仿真验证出发，对不同场景和参数配置下网络性能进行了系统级仿真和外场测试，结果表明：

① RIS部署在用户或基站附近，性能增益更高；② RIS进行波束赋型提升信号强度并抑制干扰，可以提升小区边缘用户的性能；③ RIS对于覆盖不佳的用户，可以获得更显著的性能增益。基于研究结果，在未来的实际部署中可以选择靠近小区边缘用户侧；反射相位可以采用较少的比特数进行量化，从而获得性能和开销的良好折中。