智能超表面通信系统解决方案

        智能超表面通信系统通常由发射机、接收机、高性能计算开发节点以及可重构智能超表面RIS组成。通过控制信号，智能超表面通信系统可以动态地控制RIS的电磁性质，进而实现以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控，形成相位、幅度、极化和频率可控制的电磁场。无线信号可被控增强、衰减、扩展覆盖面等，传播环境从被动适应变为主动可控，从而实现了智能无线环境的构建。

作为超材料的应用实现，智能超表面通信系统具有低复杂度和易部署的特性，可用于智能无线通信电磁环境的原型研究，解决未来不同领域中无线网络面临的问题。

1. 功能描述

        本智能超表面通信系统主要由珞光电子SDR-LW系列软件无线电独立设备（无线电发射机，接收机）、高性能计算开发节点以及可重构智能超表面RIS（Reconfigurable Intelligent Surface）组成。系统架构如下图所示。

图1 系统架构图

        其中，USRP设备作为系统的发射机与接收机，可实现对无线电信号的收发。高性能计算开发节点可对发射信号进行调制、编码，通过发射机天线发射到无线电磁环境中。RIS在高性能计算开发节点的控制下，可对不同来波方向的反射波进行任意角度的控制，从而达到对信号进行增强、衰弱、扩展覆盖面等目的。信号经过RIS反射后由USRP接收机接收并传输到高性能计算开发节点进行信号的解调、译码等操作，最终还原数据信息。

2 RIS技术概要

2.1 技术概述

        超材料是一种人工制造的材料，它们拥有独特的性质，与自然界中的传统材料有着明显不同之处。这些特殊性质使得超材料能够改变光和电磁波的行为，这是传统材料所无法实现的。在早期的超材料发展阶段,它们的功能受到一定的限制，只能以静态的方式工作，无法实时控制电磁波，因此被称为模拟超材料。然而，随着科学和技术的不断进步，通过数字编码可以控制超材料中的人工原子状态。这使得超材料能够实现对电磁波的实时操控，从而引入了新的概念,即信息超材料。信息超材料之所以得名，是因为它具备动态编码的能力，可以根据需要在不同情境下调整和优化其电磁波交互，为通信、感应和传感等领域提供了前所未有的灵活性和性能。

        RIS源于电磁超材料技术的发展。RIS主要由超材料表面和控制器组成，超材料表面集成了大量的有源器件(一般为开关二极管或变容二极管等)或可调节材料(石墨烯等)，从而形成了大量亚波长尺寸的阵元，这些阵元能够用传统集总参数来表征，即可构建出传统RLC电路模型。而控制器的作用是通过编程手段精确地调节超材料表面各个电磁单元的物理性质，改变各个单元对应的集总参数，从而实现对空间中电磁波的智能和可编程控制，包括对信号幅度、相位、极化和频率的实时调控。因此，RIS可以呈现出非镜面反射、透射、负折射、波束赋形等非常规的物理现象。RIS的基本结构如图2所示。

图2 RIS基本结构示意图

        RIS可以灵活部署在无线通信系统的各种环境中，例如基站、建筑物、车辆等。智能超表面可以通过反射、折射和散射等方式对信号进行精确调控，以实现优化信号传输的目标。该项技术的基本原理在于，通过对每个电磁单元的控制，RIS能够主动改变电磁波的传播路径、方向和性质，使其在传输过程中实现高度的定制化。这意味着RIS可以消除通信系统中的盲区，弥补信号覆盖的不足，从而改善通信质量。其应用领域包括但不限于室内通信、城市通信、卫星通信、移动通信以及物联网等领域，前景非常广阔。

2.2 技术优势

智能超表面技术具有多个显著的技术优势，使其成为无线通信系统的重要研究方向和应用技术之一。

        首先，智能超表面显著扩展了信号的覆盖范围。在传统无线通信系统中，信号覆盖范围受限于基站和天线的位置，导致信号覆盖存在缺陷。然而，智能超表面通过准确控制和调整信号的反射和传播路径,能够消除传统天线的盲区,为通信系统提供更广泛的信号覆盖范围。这对于改善通信系统在室内、城市环境和边缘地区等复杂场景中的覆盖质量具有重要意义。

        其次，智能超表面有助于提高通信系统的容量和传输速率。通过调整信号的幅度、相位和方向，智能超表面能够实施波束成形和多路径传播技术，从而提高信号的传输速率和系统容量。与传统系统相比，智能超表面技术能够在不增加频谱资源的情况下实现更高的数据传输速率，从而提供更出色的用户体验。

        第三，智能超表面有助于减少信号传播中的干扰和衰减。由于多径传播和信号衰减的影响，无线信号在传播过程中容易受到干扰和衰减,从而降低通信的质量和可靠性。智能超表面可以通过调整入射信号的相位和方向，以及对反射信号的幅度和相位进行优化，减少干扰和衰减现象,从而提高信号的传输质量和稳定性。

        此外，智能超表面的功耗更低。通过对信号的调整和优化，智能超表面能够实现对信号能量的高效利用，减少能量的浪费和消耗。这对于延长终端设备的电池寿命、提高系统的能源效率具有重要意义，尤其在物联网和移动通信等能源有限的应用中，可以降低运营成本和减少环境影响。这一特性为智能超表面技术在各种应用场景中的可持续性和环保性提供了重要支持。

3. 典型应用场景

场景一：4G/5G空间通信优化

        智能超表面通信系统可应用于传统的移动通信网络的典型场景中，通过模拟4G/5G基站/终端场景，进行解决优化信号强度弱、信号覆盖盲区、边缘区域覆盖差、通信干扰等现存问题的研究。系统可以完全模拟端到端协议栈，同时满足3GPP协议，支持与商用设备对接，满足基站终端研究、科研教学以及专网部署开发的需求。

（1）多径传输增益

当信号传输路径较为单一时，往往缺少独立的多径，难以实现足够的多流传输。可以通过RIS增加额外的无线通信路径与信道子空间，从而提高信号传输的复用增益。

图3 多径传输增益示意图

        利用智能超表面通信系统可模拟4G/5G业务密集热点区域的视距传输场景，引入基于RIS的可控信道，收发天线阵列间信道的空间相关特性将会得到很大改善，可用于数据传输的子空间数目将会增加，这极大地提升了系统的传输性能。

（2）边缘覆盖增强

        对于区域边缘终端，有用信号电平较弱且缺乏多径环境，终端侧的多天线能力无法充分发挥作用。在收发端之间增加智能超表面设备，为区域边缘终端创造复散射环境，可有效利用终端多天线能力，极大提升区域边缘用户的传输性能。

图4 边缘覆盖增强示意图

（3）覆盖盲区消除

        当基站与终端间存在不可逾越的障碍物时，可能形成信号未覆盖区域，信号传输为非视距信道。如在高大建筑物的阴影区域，在密集城区的街道，或者室内外和公共交通工具内外的信号接驳等场景。如果信号传播环境单一，缺乏反射径，终端设备所能接收到的信号将非常微弱。针对上述场景，智能超表面通信系统可通过控制反射波束，对准位于盲区的终端并动态跟踪，使传输信号到达覆盖盲区，从而提升覆盖性能。

 图5 覆盖盲区消除示意图

场景二：6G智能超表面技术

        高频毫米波和太赫兹是5G-Advanced和6G潜在工作频段。高频信号最明显的特征就是路径损耗较大，小区半径较小，受障碍物遮挡、雨雪天气、环境吸收等影响大。依据3GPP，在同等条件下，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，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，这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。因此，高频通信必将面临覆盖半径小、盲区多、部署运维成本高的严峻形势。智能超表面通信系统能够在视距通信不可达或信号质量较差的盲区或区域边缘，按需动态建立非视距链路，从而提升网络深度覆盖质量，减少覆盖盲区。因此，智能超表面通信系统将是研究低成本、低功耗、易部署的6G智能超表面技术基站的理想原型。

场景三：无源定位

        无源定位通过在多个接收点接收辐射源的电磁波信号,并通过提取不同接收点电磁波信号的特征参数来计算辐射源DOA、距离、极化参数及频率等信息。智能超表面通信系统可为三维定位提供更大的灵活性和适应性。即使视距路径被暂时阻断，智能超表面通信系统也能保证不间断的定位及通信服务。RIS的相位值可以根据环境的变化而实时重新配置，从而提升了定位系统的准确性。另外，可以通过预配置基站或者RIS位置信息及参考信号来提高三维定位的准确性和鲁棒性。

4. 推荐硬件型号

        SDR-LW系列是珞光电子推出的高性能SDR（软件无线电）独立设备，由板载处理器、FPGA和射频前端组成。通过Intel X86处理器与FPGA协同工作，增加了软件无线电设备的灵活性。一体机的设计框架使其可以在室内或室外快速地搭建智能超表面通信系统。