RIS 辅助通信系统信道参数获取与仿真评估

韩福勇， 丁金明， 费 丹， 章嘉懿， 艾 渤

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

新的关键技术会伴随新一代的移动通信技术出现以提高通信服务质量.当前5G 成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化的关键基础设施［1］，但由于电磁波在无线传播中不可避免地受到各种物体的相互作用，无线通信网络仍存在很多不确定性因素.随着对6G 网络研究的展开，6G 技术被认为具有全覆盖、全频谱、全应用、强安全等特点，能够满足人们日益增长的通信需求.预计未来10 年的通信容量将达到如今的千倍以上，无线接入会成为主流接口，随之而来的是高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能耗等无法避免的问题［2］.探索更加高效利用频谱资源的未来无线网络解决方案势在必行，智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）由于具有低成本、低功耗、易部署等特点引起广泛关注.

RIS 是由超材料技术发展而来的一种人工电磁表面结构，广义斯涅耳定律［3］的提出极大地丰富了电磁超表面的发展，从材料设计角度看，可以用离散数字状态来表征超材料的电磁特性，进而以数字化方式来调控电磁信息.文献［4］进一步提出了数字编码超材料的概念，尽管还是使用离散数字状态，但含义已经变为反射或者透射系数的相位或幅度.RIS 可以实现单比特或多比特信息调控，如单比特调制载波信号可使用数字0 和数字1 分别表示改变相位反射系数的0 相和π 相.通过对电磁结构中的可调元件施加控制信号，可以实现对RIS 数字编码图案的实时配置和控制［5-6］.在该成果的基础上，相关研究人员又提出了时空编码超材料的概念［7-9］，RIS 对空间信息的调制由被动变为主动，同时具备一定的信号处理能力，这也是RIS 未来的全新研究领域［10］.

传统通信中的无线信道环境是不可控的，无线信道的随机性和不可控性往往对通信服务质量产生负面作用［11］.信号强度在无线信道中会随距离不断衰减，从而限制无线信号的传播范围，多径效应则会导致小尺度衰落，高楼、车辆等大型物体的反射和折射作用更是主要的不可控因素.一般来说，传统无线通信系统只能通过大量的信道测量建模信道特性并在收发两端设计对应算法来适应传播环境.然而，通过将RIS 部署在各类物体表面，将有望突破无线信道的不可控性，构建可编程控制的智能无线信道环境，引入未来无线通信的新范式［12-14］.

当前已有许多文献对RIS 辅助通信系统的信道测量、建模与仿真做了研究.文献［15］对室内RIS 辅助覆盖增强进行了研究与实验验证.文献［16］在此基础上对室外RIS 辅助网络性能提升进行了验证与分析，提出了1 bit 编码存在镜像波束的问题并且给出了高阶编码的解决方案.文献［17］提出了基于视距路径（Line of Sight， LoS）传播的连续时间RIS 辅助信道模型，考虑了天线和RIS 单元的路径损耗和辐射模式.文献［18］在微波暗室中对RIS 进行测量与分析，提出了RIS 辅助通信的自由空间路径损耗模型，该模型考虑了远场与近场效应.文献［19-20］提出了更符合实际的RIS 辅助信道模型，该模型是根据散射体的几何分布设计的，考虑了不同的传播机制.文献［21］提出了一种基于集群的RIS 辅助统计信道模型，可以用于室内和室外场景，同时提出了一种具有可调系统配置的窄带开源信道模拟器.上述文献对RIS 辅助通信系统做了深入的理论研究，但是大多缺乏现场实验验证，不能提供实际应用中的性能提升效果；也有少数文献［15-16，18］进行了实验验证，但均会受到物理环境的限制，导致实验结果具有局限性.

本文研究了Sub 6G 频段下基于RIS 的信道仿真方法，在实验室搭建了RIS 辅助通信系统的半实物信道仿真平台，根据室内和室外大量的实测数据设置参数进行仿真，对比了RIS 编码前后不同场景、不同入射和反射角度下参考信号接收功率（Reference Singal Receiving Power， RSRP）、信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio， SINR）和吞吐量3 项指标的增益情况，最后对仿真结果进行总结分析.

1 RIS 波束控制原理

RIS 的微单元结构如图1 所示.由3 层材料组成：最外层是可调元件PIN 二极管，其通电与否表征该单元的不同状态，所有微单元共同对入射信号进行调制；第2 层为铜板，铜板的反射能力很强，可以有效避免能量逸散；第3 层为控制电路板，可以调控RIS 微单元的状态，由上位机进行控制.利用上位机配置不同反射角度的控制码本，再将码本输入到RIS 面板控制电路，使RIS 面板呈现出对应的电平特性，从而发挥RIS 的方向调制作用.

图1 RIS 单元结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of RIS unit structure

一块由I=N×M个微单元构成的RIS 面板反射信号表达式为

式中：βi表示第i个单元的幅度反射系数，取值范围为[0，1]；θi表示第i个单元的相位反射系数，取值范围为[ -π，π]；xi表示入射到第i个单元的信号；yi表示经过第i个单元反射后的信号.

幅度反射系数β和相移反射系数θ之间有一定的关联性［22］，具体为

式中：参数βmin、ϕ和α都是与RIS 硬件电路相关的常数.当βmin=1 时，式（2）转化为理想的幅度和相移约束，即βi≡1.为简化分析，下文中将幅度反射系数设置为1，相位反射系数θ取值0 或者π，仿真图中的0 码本表示0 相位，正1 码本表示π 相位，负1 码本表示-π 相位.

图2 为未通电时RIS 码本和反射信号能量图.RIS 码本为全0 码本，如图2（a）所示，此时RIS 等效为一块铜板，反射信号方向与入射信号方向相对于RIS 为镜面对称关系.由图2（b）可知，全0 码本下RIS 对入射信号的方位角和俯仰角均不具有调制作用.当RIS 各单元全通电时，即RIS 码本为全1 码本，同样对入射信号无调制作用.

图2 未通电时RIS 码本和反射信号能量图Fig. 2 RIS codebook and reflected signal energy map when not powered on

图3 为通电后RIS 码本和反射信号能量图.图3（a）中蓝色单元表示0 码本，对应的PIN 二极管两侧电压约为0.15 mV；黄色单元表示1 码本，对应的PIN 二极管两侧电压约为0.8 V.由图3（b）可知，在方位角30°、俯仰角0°时具有最强的反射能量，即RIS 对反射信号的方位角改变了30°，俯仰角不改变.

图3 通电后RIS 码本和反射信号能量图Fig. 3 RIS codebook and reflected signal energy map with power activated

需要注意的是，RIS 反射波束的宽度Bs并非固定不变，而是随反射角度变化而改变［23］，具体为

式中：B0为RIS 板法线方向波束宽度，是与RIS 结构相关的固定值；θs为反射角度，是反射波束的中间角度.

本文涉及的实测数据与仿真均为近场范围，近远场分界线为

式中：λ表示载波信号的波长；D为RIS 板的对角线长度.

入射角和反射角确定后， RIS 辅助通信系统的接收信号功率Pr与发送信号功率Pt关系式［18］为

式中：Gt、Gr、G分别表示发射天线、接收天线和RIS板的增益；N、M表示RIS 板的行数和列数；dx、dy分别表示RIS 单元的列间距和行间距；A表示RIS 单元的幅值，本文中A≡1；Fcn，m表示归一化功率辐射图案对接收信号功率的影响；rtn，m、rrn，m分别表示发射机和接收机到第(n，m)RIS 单元的距离；θn，m表示第(n，m)RIS 单元的相移值.

2 搭建半实物仿真平台

仿真平台整体架构如图4 所示，由服务器、核心网、室内基带单元（Building Baseband Unit，BBU）、射频拉远单元（Radio Remote Unit， RRU）、信道仿真器、测试模块及测试电脑组成.将基站侧传输线连接可调衰减器后接入信道仿真器，再将信道仿真器的输出端连接到测试模块，最后借助测试电脑进行数据分析.通过向信道仿真器中导入实际测试所得的信道参数，包括路径损耗、多径时延等参数即可模拟出实际场景的信道状态，再根据测试需求改变信道仿真器的输入参数，可以得到参数改变前后的RSRP、SINR 以及吞吐量，从而研究不同场景、不同参数条件下RIS 对用户网络性能的影响.

图4 仿真平台架构Fig. 4 Architecture diagram of simulation platform

仿真平台包括部分无线网络系统设备：QoS 服务器用于提供文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）的上传、下载功能，可以统计FTP 传输速率，提供不同长度的用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）数据包传输功能，并且可以统计回环时延、丢包率等；核心网部分主要是提供业务支持和数据交换；基站及其配套天线则是提供了空中接口、终端接入功能以及通信信号的生成和发射.

信道仿真器使用Spirent 公司的VERTEX 信道仿真器，见图5，该仿真器简化了长期演进（Long Term Evolution，LTE）、LTE-advanced、大规模多进多出（Multiple Input Muliple Output，MIMO）、Wi-Fi和网状网络等技术的高密度MIMO 测试.仿真器支持24 条多径、380~5 925 MHz 频段信号的仿真，使用者可以根据仿真需要设置对应参数.

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

测试模块使用华为MH5000-31 5G 工业模组，搭配Spark 测试软件.硬件连接完成后，强制测试模块进行5G 网络附着，待无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）状态显示连接成功后，使用Spark 测试数据传输以及无线信道特性参数.MH5000-31 5G 工业模组支持下行4 天线接收和上行单天线发射的测试，可以实时显示QoS 吞吐量数据以及所需要的RSRP、SINR 等参数的测量，并实时显示网络状态.实验室5G 网络具体参数如下：通信频段采取n1 频段；中心频点为2.16 GHz；带宽为10 MHz；子载波间隔为15 kHz；双工模式采用频分双工（Frequency Division Duplex， FDD）.

3 半实物仿真评估

3.1 测试指标

本文的仿真结果测试指标选取RSRP、SINR 以及吞吐量3 项.

1） RSRP.3GPP TS 38.215 协议［24］规定，同步信号参考信号接收功率（Synchronization Signal Reference Signal Receiving Power， SS-RSRP）定义为承载辅同步信号的资源粒子功率贡献的线性平均值.

2） SINR.3GPP TS 38.215 协议规定，SS-SINR定义为承载辅同步信号的资源粒子功率贡献的线性平均值除以噪声和干扰功率贡献的线性平均值.

3） 吞吐量.在通信系统中主要指在单位时间内经过无线信道成功传输数据的平均速率.

3.2 仿真方法

信道仿真由VERTEX 动态环境仿真（Dynamic Environment Emulation，DEE）功能实现.DEE 允许使用者在指定的时间间隔内动态地改变VERTEX 的状态，可以配置经典通道或者几何通道的DEE 场景，通过选择衰落模式来建立模型，DEE 功能支持2 种模式：输出功率级别模式和损耗定值模式.本文仿真采用损耗定值模式，信道模型选取单输入单输出（Single Input Single Output，SISO）模型.

VERTEX 信道仿真器允许的输入端功率范围为-50~15 dBm，当输入功率超过33 dBm 时会对设备产生损害，因此需要在输入端接入可调衰减器以保证输入功率始终在VERTEX 允许范围内.经过多次验证，当衰减值为40 dB 时效果最佳，故将衰减器设置为40 dB，即将实测得到的路径损耗数值减少40 dB 后输入到信道仿真器中.

3.3 室内场景仿真及分析

对2 个室内场景进行测试与仿真.场景1 的入射角度和反射角度分别设置为60°和30°，场景2 的入射角度和反射角度分别设置为30°和60°，2 个场景除了角度不同，其他参数一致.室内场景测试图如图6 所示.仿真过程为：首先对场景进行实际测量，其次将得到的信道数据导入到VERTEX 中，最后得到RSRP、SINR 以及吞吐量的仿真结果.

图6 室内场景测试图Fig. 6 Test diagram of indoor scenario

室内场景1 的仿真结果见图7 和表1.图7 横坐标为RIS 面板中心到接收机的距离.由图7 和表1 可知，部署RIS 并配置码本后RSRP 增加4~6 dBm，SINR 增加2~4 dB，吞吐量增加10~15 Mbps，且相比编码之前更加稳定.经过测试验证，仿真得到的3项测试指标与距离之间基本呈现线性关系.

表1 室内场景1 仿真结果Tab. 1 Simulation results in indoor scenario 1

室内场景2 测试结果见图8.由图8 可知，部署RIS 并配置码本后，RSRP 增加4~5 dBm，SINR 增加约2.5 dB，吞吐量增加约8 Mbps，且比编码之前更稳定.

图8 室内场景2 仿真结果Fig. 8 Simulation results in indoor scenario 2

室内2 个场景RIS 编码前后的3 项测试指标结果可以证明RIS 具有主动控制信道的能力，通过改变入射信号的反射方向，提升用户服务质量.

3.4 室外场景仿真及分析

对3 个室外场景进行测试与仿真.3 个场景入射角度均为0°，反射角度分别为15°、30°和45°.3 个场景除了反射角度不同，其他参数一致.仿真过程同室内场景仿真一致，室外场景测试图如图9 所示.

图9 室外场景测试图Fig. 9 Test diagram of outdoor scenario

室外场景1 的仿真结果见图10 和表2.由图10和表2 可知，RIS 编码后RSRP 增加8~9 dBm，SINR 增加5~6 dB，吞吐量增加约20 Mbps，且3 个测试指标的稳定程度均有提升.经过测试验证，仿真得到的3 项测试指标与距离之间基本呈线性关系.

表2 室外场景1 仿真结果Tab. 2 Simulation results in outdoor scenario 1

图10 室外场景1 仿真结果Fig. 10 Simulation results in outdoor scenario 1

3 个场景的增益效果对比见图11.由图11 可知，根据拟合后的仿真结果，后2 个场景的3 项指标均不如场景1.场景2 相较于场景1，其RSRP 下降2~4 dBm，SINR 基本一致，吞吐量下降4~8 Mbps；场景3 相较于场景2，其RSRP 下降5 dBm 左右，SINR下降4~5 dB，吞吐量下降4~5 Mbps.对比3 个角度的仿真结果，RIS 在信号垂直入射的情况下，15°的反射效果优于30°的反射效果，45°的反射效果最差，但3 项测试指标都优于无RIS 的情况.出现此现象的原因是本文所用RIS 面板的调制角度范围为［-60°，60°］，法线波束宽度B0为7°，根据式（3），当反射角增大时，反射波束宽度也会变大，反射波束的能量更加分散，导致越接近临界角度其增益效果越下降，因此实际使用中应当十分注意入、反射角度的范围.

图11 室外场景仿真结果对比Fig. 11 Comparison of simulation results in outdoor scenario

4 结论

1）基于近场范围内RIS 辅助通信的室内和室外场景实测数据进行了仿真实验与测试指标分析.比较RIS 编码前后3 项指标结果，证明RIS 可以实现对无线信道的主动控制，通过改变入射信号的反射方向，使反射信号对准用户方向，从而改善用户的通信服务质量.与RIS 编码前相比，在室内场景，RIS 编码后RSRP 增加4~6 dBm，SINR 增加2~4 dB，吞吐量增加8~15 Mbps；在室外场景，RIS 编码后RSRP增加约8 dBm，SINR 增加约5 dB，吞吐量增加约20 Mbps.RIS 在多径干扰较小的室外场景对信道环境的调制效果更好.此外，RIS 编码对信号的调制作用使3 项指标随距离变化基本呈线性关系.

2）室外场景的仿真结果表明，信号垂直入射时，RIS 在反射角度为15°、30°、45° 3 个方向的调制效果逐渐变差.15°下的RSRP 相较于其他2 个角度分别提高2~4 dBm、7~9 dBm，SINR 分别提高0~2 dB、2~7 dB，吞吐量分别提高4~8 Mbps、8~13 Mbps.

本次仿真都是基于近场范围内的静止场景，在实际应用中有一定的局限性，在后续工作中，将针对远场范围的移动场景进行测试与仿真验证，以便为实际场景应用RIS 提供更有效的参考.