[技术前沿]6G的超材料解决方案-可重构智能表面

[技术前沿]6G的超材料解决方案-可重构智能表面

如果使用可重构智能表面，将增加大量的可用带宽。

过去数十年间，无线技术革命动荡喧嚣，但有两点始终未变。一是无线频段过度拥挤，二是为摆脱这种拥塞状态，所用的频率范围越来越高。如今，随着5G的部署和6G无线的规划，工程师们发现自己置身于一个十字路口：他们年复一年设计超高效发射机和接收机、补偿无线电信道末端的信号损失，现在，他们开始意识到自己正在接近发射机和接收机可用效率的极限。从现在开始，随着我们转向更高频段，为了获取高性能，需要对无线信道本身进行设计。但无线环境由多种因素决定，其中许多因素是随机的、难以预测的，对这样的环境，我们应如何设计并控制呢？

可重构智能表面（RIS）或许是目前最有希望的解决方案。可重构智能表面为平面结构，尺寸范围通常在100平方厘米至5平方米左右或更大，具体取决于频率和其他因素。这些表面使用被称为“超材料”的高级材质来反射和折射电磁波。这种轻薄的二维超材料被称为“超表面”，可感应局地电磁环境，当表面反射或折射电波时，可调整波的振幅、相位、极化等关键特性。事实上，这些超表面可以通过编程实现动态的特性改变，应对无线信道的变化，实时重新配置信号。当电波落在这样的表面上时，表面可实时响应，改变入射波的方向，从而增强信道。可重构智能表面可视为中继站概念下一步的演变。

图1：在高楼林立的典型城市“峡谷”中，部分6G频率将被屏蔽而无法到达地面。在此类区域，通过巧妙布置可重构智能表面黄色部分)，可使信号覆盖该地区
这一点很重要，因为随着我们转向更高频率，传播特性对信号更为“不利”。无线信道会根据周围的物体不断变化。与建筑物、车辆、山丘、树木和下雨相比，5G和6G频率波长小到可忽略不计。低频波可围绕或通过这些障碍物衍射，但高频信号却会被吸收、反射或散射。基本上，在这样的频率下，你的全部指望只有视距信号。

这些问题有助于解释为何可重构智能表面成为无线研究中最热门的话题之一。这个话题如此活跃，是有道理的。在大约10年前首次开发数字控制超材料的推动下，近几年来，研发活动取得突破进展，成果不断涌现。

在全球数十个实验室，可重构智能表面原型显示出巨大前景。欧洲出资的Visorsurf是首批重大项目之一，该项目5年前启动，2020年结束。2018年下半年，日本的日本电报电话公共公司和加州卡尔斯巴德的Metawave首次公开演示了该技术。

今天，欧洲、亚洲和美国的数百名研究人员正致力于应用可重构智能表面建立可编程的智能无线环境。华为、爱立信、NEC、诺基亚、三星和中兴等厂商则单独研发或与大学合作。日本电报电话公共公司、Orange、中国移动、中国电信和英国电信等主要网络运营商都正在开展或计划开展实质性的可重构智能表面试点。这一工作反复证明了在5G和6G最困难的频段，可重构智能表面能够大幅增强信号。

要了解可重构智能表面如何改善信号，不妨从电磁环境讲起。传统蜂窝网络由分散的基站组成，基站部署在高杆或铁塔上，以及城市地区的建筑物和电线杆上。信号传输路径上的物体可能会阻挡信号，在5G的高频率下，这个问题变得尤其严重，例如24.25至52.6 千兆赫之间的毫米波频段。若在6G网络中，通信公司计划利用90至300千兆赫的亚太赫兹频段，情况会更糟。原因如下：对于4G和类似的低频段，来自表面的反射实际上可增强接收的信号，因为反射的信号会相互叠加。然而，随着频率的提高，此种多径效应会变弱或完全消失，对长波信号来说看似光滑的表面，对短波信号来讲则相对粗糙。因此，在这样的表面上，信号并非发生反射，而是发生散射。

一个解决办法是使用更强的基站或在整个区域安装更多基站。但这种策略可能会使成本翻番甚至更高。中继器或转发器也可提高覆盖范围，但其成本也可能令人望而却步。相反，可重构智能表面则有望以略高的成本大大提高覆盖率。

与其他方案相比，可重构智能表面具有吸引力的关键特征是其近乎无源的性质。无需放大器提升信号，意味着一个可重构智能表面节点只用一节电池和一小块太阳能板即可供电。

可重构智能表面的功能好似一面非常复杂的镜子，它可以调整方向和曲率，可在特定方向上对信号进行聚焦和重新定向（见本文首页）。但这并不需要移动镜子或改变镜子的形状，而是通过电控的方式改变其表面，从而改变入射电磁波的关键属性，例如相位。

这就是超材料的作用。这种新兴材料表现出超天然材料（“超”源自希腊语meta）的属性，例如，不规则的反射或折射。这些材料由普通金属和电绝缘体或电介质制成，当电磁波撞击超材料时，预定的材料斜度会改变波的相位和其他特性，可根据需要弯曲波前并重新定向波束。

可重构智能表面节点由成百上千个被称为“晶胞”的超材料元素组成。每个晶胞由金属和介电层以及一个或多个开关或其他可调谐组件构成。典型结构包括带有开关的顶部金属贴片、偏置层和被电介质基板隔开的金属接地层。通过控制偏置（金属贴片和接地层之间的电压），可使每个晶胞打开或关闭，控制各个晶胞改变入射波的相位和其他特性。

为控制整个可重构智能表面反射的较大波的方向，可以同步所有晶胞，在较大的反射波中建立相长干涉和相消干涉的模式（见下图）。这种干涉模式可改变入射光束并将其发送到由该模式确定的方向。顺便说一下，此基本工作原理与相控阵雷达相同。

图2 可重构智能表面由晶胞阵列组成。在每个晶胞中，超材料会改变入射无线电波的相位，从而令产生的波相互干涉(上图上)。精确控制此种相长和相消干涉的模式可以使反射波重新定向(下图)，大大提高信号覆盖范围.

可重构智能表面还有其他有用的功能。即使没有放大器，可重构智能表面也能提供实质增益：30到40相对各向同性分贝（dBi），具体取决于表面的大小和频率。这是因为天线的增益与天线的孔径面积成正比，可重构智能表面相当于覆盖大孔径区域的多个天线，因而比传统天线具有更高的增益。

可重构智能表面中的诸多晶胞均由逻辑芯片控制，例如带有微控制器的现场可编程门阵列，亦可存储动态调整可重构智能表面所需的多种编码序列。控制器向各晶胞发出相应的指令，设置晶胞状态。最常见的编码机制是简单的二进制编码，由控制器切换各个晶胞的开关。晶胞开关通常为半导体器件，例如PIN二极管或场效应晶体管。

图3.具有2304个晶胞的实验性可重构智能表面，2021年在北京由清华大学进行测试

这里的重要因素是功耗、速度和灵活性，控制电路通常是可重构智能表面中最耗电的部分之一。当今合理有效的可重构智能表面在重构切换状态时的总功耗约为几瓦到十几瓦，在空闲状态下的功耗则很少。

要在现实世界的网络中部署可重构智能表面节点，研究人员必须首先回答3个问题：需要多少个可重构智能表面节点？节点应该放在哪里？表面应该多大？如你所想，其中涉及复杂的计算和权衡。

工程师可以在设计基站时规划确定可重构智能表面的最佳位置，或通过在覆盖图中找出信号强度差的区域来确定位置。至于表面的大小，将取决于频率（频率越低，需要的表面越大）以及表面部署的数量。

研究人员依靠模拟和测量优化网络性能。在我工作的华为瑞典公司，我们多次讨论可重构智能表面单元在城市环境中的最佳位置。我们正在使用一个名为“咖啡豆研磨机模拟器”（Coffee Grinder Simulator）的专有平台，在构建和部署可重构智能表面前模拟其应用效果。我们正在与法国国家科学研究中心和巴黎中央理工-高等电力学院等机构开展合作。

在最近的一个项目中，我们使用模拟来量化在典型城市5G网络中部署多个可重构智能表面的性能改善。据我们所知，这是首次采用这种方法大规模、系统级地估测可重构智能表面的性能。我们使用自己研发的有效部署算法优化可重构智能表面增强的无线覆盖范围。给定基站和用户的位置，算法可帮助从墙壁、屋顶、角落等数千个可能位置中，选择可重构智能表面节点的最佳三维位置和大小。软件的输出为可重构智能表面部署图，可最大限度增加能够接收目标信号的用户数量。

当然，需要特别关注位于蜂窝覆盖区域边缘的用户，他们的信号接收最差。我们的结果表明，蜂窝边缘的覆盖和数据速率有了很大提高，对于信号接收效果更好的用户也是如此，尤其是在毫米波段。

我们还研究了潜在的可重构智能表面硬件权衡对性能的影响。简言之，每个可重构智能表面设计都需要折中，例如将每个晶胞的响应数字转化为二进制相位和幅度，构建更简单、成本更低廉的可重构智能表面。但重要的是要知道设计上的折中是否会在不希望的方向产生额外波束或对其他用户造成干扰。因此，我们研究了多个基站、可重构智能表面的二次辐射波等因素造成的网络干扰影响。

毫不奇怪，我们的模拟证实了增大可重构智能表面的面积或数量皆可提高整体性能。但哪个更为合适呢？若将可重构智能表面节点和基站的成本考虑在内，我们发现，较少数量、较大面积的可重构智能表面节点部署在离基站及其用户较远的地方，可覆盖更大的区域，这是非常经济的解决方案。

图4.典型的可重构智能表面的尺寸从几平方厘米到几平方米不等。当给定波长时，面积越大意味着增益越高。资料来源:马里奥斯·波拉基斯

可重构智能表面的大小和尺寸取决于工作频率。我们发现少量的矩形可重构智能表面节点是一个很好的折中方案，此类节点用于C波段频率（3.5千兆赫）时每个约为4米宽，用于毫米波段（28千兆赫）时每个约半米宽，在两个波段中均可显著提高性能。这可谓一个惊喜：可重构智能表面不仅改善了可能存在严重覆盖问题的毫米波（5G 高频）段的信号，还改善了C波段（5G 中频）的信号。

为扩大室内无线覆盖，亚洲的研究人员正在研究一种非常有趣的可能性：将透明的可重构智能表面节点覆盖在屋内窗户上。日本电报电话公共公司以及中国东南大学和南京大学都在实验使用智能薄膜或智能玻璃。这些薄膜由透明导电氧化物（如氧化铟锡）、石墨烯或银纳米线制成，不会明显降低透光率。将薄膜贴在窗户上时，进入室内外部的信号会被折射和增强，可增强室内的信号覆盖。

可重构智能表面节点的规划和安装只是挑战的一部分。为使可重构智能表面节点以最佳方式工作，需要每时每刻配置节点，实时适应通信信道的状态。最佳配置需对信道进行准确的实时估算。技术人员可以通过测量基站、可重构智能表面和用户之间的“信道脉冲响应”来得出估算值。可使用导频测量该响应，导频是发射机和接收机预先已知的参考信号，这是无线通信中的标准技术。基于对信道的估算，可计算可重构智能表面中每个晶胞的相移。

目前的做法是在基站执行此类计算。然而，这需要大量的导频，因为每个晶胞都需要自己的相位配置。有许多减少这项开支的设想，但到目前为止，没有一个真正有望实现。

所有晶胞的总计配置通过无线控制链路馈送到各可重构智能表面节点。因此，每个可重构智能表面节点都需要一台无线接收机来定期收集指令。这当然会消耗电力，而且也意味着可重构智能表面节点完全依赖于基站，带来不可避免且无法承受的运行费用，同时需要持续不断的控制。这样一来，整个系统需要通过无线控制信道对基站和多个可重构智能表面节点安排一个完美无暇的复杂业务流程。

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我们需要更好的方法。回想一下，可重构智能表面中的“I”代表智能。这个词暗示节点内部对表面的实时、动态控制，即学习、理解和对变化作出反应的能力。我们现在并没有做到这一点。如今的可重构智能表面节点无法感知、推理或响应；它们只执行来自基站的远程命令。这也是为何我和我在华为的同事开始着手执行自治可重构智能表面（AutoRIS）项目。该项目旨在令可重构智能表面节点能够自主控制并配置其晶胞的相移。这将在很大程度上消除基于基站的控制和大量信令（或是限制使用可重构智能表面增大数据速率，或是需要节点同步），以及额外的功耗。AutoRIS的成功很可能有助于确定可重构智能表面能否实现大规模商用部署。

当然，将必要的接收和处理能力集成到可重构智能表面节点，同时保持节点的轻量级和低功耗是相当艰巨的挑战。事实上，这将需要大量的研究工作。可重构智能表面要具有商业竞争力，就必须保持低功耗的特性。

考虑到这一点，我们正探索在可重构智能表面中集成超低功耗人工智能（AI）芯片，同时使用极其高效的机器学习模型来实现智能化。这些智能模型能够根据接收到的信道相关数据生成可重构智能表面输出配置，同时根据业务合同和网络运营商对用户分类。将人工智能集成到可重构智能表面还可增加其他功能，例如动态预测即将接收的可重构智能表面配置，按位置或影响可重构智能表面操作的其他行为特征对用户进行分组。

并非所有情况都需要智能、自主的可重构智能表面。对某些偶尔重构（可能每天几次或更少）的区域，静态可重构智能表面完全适用。事实上，毫无疑问，从静态到完全智能、自主，需要有一系列的部署。成功与否不仅取决于效率和性能，还取决于是否易于集成到现有网络中。

可重构智能表面真正的测试用例将是6G。下一代无线技术有望采用自主网络和智能环境，具有实时、灵活、软件定义和自适应控制。与5G相比，6G有望提供更高的数据速率、更大的覆盖范围、更低的延迟、更多的智能和更高精度的感知服务。与此同时，6G的关键驱动因素是可持续发展：我们需要更节能的解决方案来满足许多网络运营商正在努力实现的“净零”排放目标。可重构智能表面符合所有这些要求。

让我们从大规模多输入多输出（MIMO）说起。这种基础的5G技术在无线信道的发送端和接收端使用多个天线封装成阵列，一次发送和接收多个信号，从而明显提高网络容量。然而，6G更高数据速率的需求将需要更大规模的MIMO，这需要更多的射频链工作，耗电大且运行成本高。如本文所述，节能且成本更低的替代方案是在大规模MIMO基站和用户之间放置多个低功耗可重构智能表面节点。

毫米波和亚太赫兹6G频段有望释放出惊人数量的带宽，但前提是克服具有潜在致命性的覆盖问题，且不能倚靠昂贵的解决方案，例如超密集部署基站或有源中继器。在我看来，只有可重构智能表面能以合理的成本实现这些频段的商业可行性。

通信行业已将感知（高精度定位服务以及物体检测和姿势识别）作为6G的一个重要潜在特性来兜售来。感知也将提升性能。例如，高精度定位用户将有助于有效引导无线波束。感知亦可以作为一种新的网络服务提供给垂直行业，例如智能工厂、自动驾驶等，其中对人或汽车的检测可用于绘制环境地图，也可用于家庭安全系统的监视。可重构智能表面节点的大孔径及其带来的高分辨率意味着此类应用不仅可行，而且可能具有成本效益。

天空不是极限。可重构智能表面可以将卫星集成到6G网络中。通常，卫星的耗电量很高，需要使用大型天线来补偿长距离传播损耗和地球上移动设备的能力不足。可重构智能表面可以发挥重要作用，最大限度地减少此类限制，甚至可能允许卫星到6G用户的直接通信。这样的方案可能会使得集成卫星的6G网络更高效。

随着过渡到新服务和广阔的新频率体系，无线通信将进入一个充满希望和严峻挑战的时期。在下一个激动人心的阶段，需要引入许多技术。但没有哪一个比可重构智能表面更重要。