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南京大学成功研制智能表面RIS新架构助力5G网络性能提升

微波射频网

2021-09-27

导读：智能表面技术RIS是当前无线通信领域研究的关键技术之一，具有低成本、低功耗、可规模扩展和部署的特点，因此有望在未来无线通信应用中发挥重要作用。

开展下一代无线通信研究及其关键技术储备，对于加快构建现代化新型基础设施体系、强化国家战略科技力量、发展壮大战略性新兴产业意义重大。智能表面技术（Reconfigurable Intelligent Surface，简称RIS）是当前无线通信领域研究的关键技术之一，具有低成本、低功耗、可规模扩展和部署的特点，因此有望在未来无线通信应用中发挥重要作用。该技术通过在无线传播环境中部署由亚波长单元结构组成的可编程超构表面，实现信号传播的动态调控、信号增强及干扰抑制，最终实现动态信号覆盖增强、优化无线网络等。智能表面技术刚刚起步，目前仍面临的诸多挑战与技术难点，包括如何实现高效超构表面物理建模与设计、低功耗控制电路设计、大规模控制信号同步传输、信道建模以及信道状态获取等。

为应对以上挑战，近期南京大学电子科学与工程学院冯一军教授团队在智能表面关键技术上取得实质性突破，成功研制了低成本、大面积、可规模扩展的高效智能表面，具有多比特相位状态动态可调、单元独立控制等应用优势，可灵活实现动态、复杂波束及电磁波环境分布调控（图1）。在此基础上，应用所研制的智能表面与华为技术有限公司合作，进行了对5G无线网络（2.6GHz频段）覆盖补盲及优化提升的原型测试，验证了智能表面在真实网络环境中应用的可行性。相关技术得到了华为技术专家肯定，并共同规划了下一阶段的研究，攻关解决工程化、应用化问题，并力争实现真实网络场景的低成本、规模化部署。

图1 左：智能表面改善通信信道环境；右：智能表面

南京大学研制的智能表面总面积近5平方米，由4000多个人工电磁结构单元组成。智能表面包含可调电磁谐振结构、控制电路、专用控制器、主控计算机等部分，其工作带宽能够覆盖现有5G无线网络（2.6GHz频段），且具有高效率、多比特动态相位可调、单元独立控制、控制信号低时延、模块化设计等应用优势，满足低成本、低功耗、大规模部署的要求。智能表面所有单元的电磁特性及其空间分布特征均由外部专用控制器实时同步控制，以实现对无线网络信号动态增强、重分配等功能。实验测试结果表明，智能表面技术可动态调控环境中的电磁波分布，有效提升单用户端、多用户端的无线信号强度，能够显著实现信号覆盖补盲以及弱覆盖区域的信号增强。例如，通过在走廊拐角处引入智能表面，可有效增强走廊中的信号覆盖。实验中使用6500组随机编码控制智能表面（图2左图），与未使用智能表面相比，信号接收功率提升可达10dB，平均接收信号增强5dB，信号增强效果显著且可以动态调节。此外，其他室内典型场景实验表明（图2右图），在引入智能表面后，离微基站远端的手机用户，可从掉话边缘回归至正常业务范围，展现了智能表面良好的应用前景。