劉秋妍 呂 軒 李佳俊 張忠皓

1 中國(guó)聯(lián)通研究院 北京 100048

2 中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司北京分公司 北京 100031

3 中國(guó)聯(lián)通華盛通信有限公司 北京 100031

引言

隨著以“5+A B C D E”(第五代移動(dòng)通信5thGeneration、人工智能Artificial Intelligence、區(qū)塊鏈Blockchain、云計(jì)算Cloud Computing、數(shù)據(jù)挖掘Data Mining、邊緣計(jì)算Edge Computing)為代表的信息技術(shù)飛速發(fā)展，各行各業(yè)在從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型和資本密集型轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，逐漸跨越通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備替代手動(dòng)操作的階段后，對(duì)以技術(shù)變革推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，期望以全網(wǎng)統(tǒng)一管控協(xié)同調(diào)度替代單點(diǎn)工作，以資源池化共享顛覆孤島資源，以核心能力邊緣下沉彌補(bǔ)遠(yuǎn)端能力與邊緣業(yè)務(wù)需求之間的鴻溝，以數(shù)據(jù)分析將現(xiàn)實(shí)世界刻畫(huà)到虛擬世界，以人工智能提升輔助增強(qiáng)決策分析的智能化水平，以分布式存儲(chǔ)共識(shí)提供基于網(wǎng)絡(luò)的信任互聯(lián)。數(shù)據(jù)、信息、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)能力已經(jīng)成為新時(shí)期企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，以信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、信息技術(shù)應(yīng)用、信息產(chǎn)品與服務(wù)、信息化人力資源和信息化發(fā)展水平等方面測(cè)算出來(lái)的國(guó)家信息化水平已經(jīng)成為信息時(shí)代的“國(guó)家智商”。以5G為代表的信息技術(shù)將全面滲透到各行各業(yè)，移動(dòng)新業(yè)務(wù)對(duì)通信帶寬和通信速率的需求也急速提升，充足的頻帶資源是保障更高速率的必要條件。然而目前6GHz以下的頻譜資源已經(jīng)分配殆盡，很難再找到連續(xù)的大帶寬頻譜來(lái)支撐移動(dòng)通信的超高數(shù)據(jù)傳輸速率，而毫米波頻段有豐富的帶寬資源，可以極大地提高通信速率，向毫米波頻段演進(jìn)已經(jīng)成為后5G(Beyond 5G，B5G)和未來(lái)6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的必然趨勢(shì)[1-3]。

1 毫米波頻段特性與覆蓋困境

毫米波(30GHz～300GHz)為代表的高頻通信是未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢(shì)。但是，高頻信號(hào)最明顯的特征就是路徑損耗較大、小區(qū)半徑較小，并且受障礙物遮擋、雨雪天氣、環(huán)境吸收等的影響非常大[4-6]。依據(jù)3GPP38.901無(wú)線信道損耗模型，同等條件下28GHz毫米波信號(hào)的路徑傳輸損耗比3.5GHz信號(hào)的路徑損耗增大約18dB，在穿透損耗方面，毫米波穿透損耗3GPP理論值及測(cè)試值如表1所示。

對(duì)比表1可見(jiàn)，對(duì)于低頻毫米波信號(hào)而言，混凝土和紅外反射玻璃材質(zhì)的障礙物幾乎無(wú)法穿透，樹(shù)葉、人體、車體等障礙物對(duì)低頻毫米波信號(hào)的穿透損耗均在10dB以上，導(dǎo)致覆蓋范圍內(nèi)的大部分區(qū)域通信質(zhì)量從良好變得非常差，只有在普通玻璃和木門(mén)等少數(shù)材質(zhì)障礙物條件下，低頻毫米波信號(hào)的穿透損耗可能會(huì)大于5dB小于10dB，仍然會(huì)導(dǎo)致覆蓋范圍內(nèi)的大部分區(qū)域通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。而對(duì)于高頻毫米波和太赫茲頻段，所有的障礙物都會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)造成至少幾十dB的傳播損耗，幾乎所有的通信都無(wú)法保障。在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，人體、墻體等障礙物遮擋是無(wú)法避免的，因此，如何克服障礙物遮擋是高頻通信亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

表1 高頻信號(hào)穿透損耗3GPP理論值及中國(guó)聯(lián)通實(shí)測(cè)值

2 智能超表面技術(shù)原理

智能超表面技術(shù)是一種基于超材料發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，也可以看作是超材料在移動(dòng)通信領(lǐng)域的跨學(xué)科應(yīng)用。智能超表面在超材料的基礎(chǔ)上增加控制電路，如圖1所示，一個(gè)智能超表面材料由大量智能超表面單元組成，智能超表面單元的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸大小和排列方式?jīng)Q定了的基礎(chǔ)電磁特性，通過(guò)基于FPGA可編程邏輯門(mén)等可編程控制電路影響超材料的電磁特性，例如施加在變?nèi)荻O管上的電壓或施加在光敏元件上的光強(qiáng)，可以動(dòng)態(tài)地控制這些智能超材料單元的電磁性質(zhì)，比如單元的反射系數(shù)和透射系數(shù)，進(jìn)而改變反射信號(hào)或透射信號(hào)的幅度、相位、頻率甚至極化特性[7-10]。

圖1 智能超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于智能超表面的毫米波覆蓋增強(qiáng)解決方案

3.1 基于RIS的毫米波室外覆蓋增強(qiáng)解決方案

1)盲區(qū)增強(qiáng)覆蓋方案

在毫米波非視距傳輸場(chǎng)景，由于無(wú)線信道受障礙物遮擋等原因，造成毫米波小區(qū)出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，位于覆蓋盲區(qū)的移動(dòng)終端無(wú)法正常通信。基于RIS的毫米波覆蓋增強(qiáng)方案，如圖2所示，在毫米波傳播空間內(nèi)部署智能超反射表面及控制單元，按需動(dòng)態(tài)構(gòu)造非視距反射路徑，并以視距反射信道替代非視距直射信道，調(diào)整毫米波波束方向，實(shí)現(xiàn)毫米波通信虛擬視距傳輸，有效解決毫米波通信非視距傳輸損耗較大的問(wèn)題。

圖2 基于RIS的毫米波盲區(qū)覆蓋增強(qiáng)方案

2)小區(qū)覆蓋半徑增強(qiáng)方案

由于同等條件下毫米波信號(hào)的路徑傳輸損耗比3.5GHz信號(hào)的路徑損耗大很多，因此，毫米波小區(qū)覆蓋半徑比3.5G小區(qū)覆蓋半徑要小很多。為了擴(kuò)展毫米波小區(qū)覆蓋半徑，在毫米波傳播空間內(nèi)部署智能超反射表面及控制單元，調(diào)整毫米波波束方向，實(shí)現(xiàn)基于RIS的中繼傳輸模式，提升毫米波小區(qū)覆蓋范圍，如圖3所示。相比于部署中繼基站的小區(qū)半徑增強(qiáng)方案，基于RIS的中繼傳輸方案網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本更低，能量消耗更小，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本更低。

圖3 基于RIS的毫米波小區(qū)覆蓋半徑增強(qiáng)方案

3)吞吐量增強(qiáng)方案

除了覆蓋增強(qiáng)和補(bǔ)盲兩種毫米波增強(qiáng)方案之外，智能超表面還可以用于吞吐量增強(qiáng)的場(chǎng)景，如圖4所示。通過(guò)在毫米波傳播空間內(nèi)部署智能超反射表面及控制單元，按需改變智能超反射表面的反射特性，控制高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)智能超反射表面后的幅度、相位、頻率甚至極化特性，在毫米波傳播空間按需動(dòng)態(tài)構(gòu)造反射路徑，構(gòu)造信道相關(guān)性較低且有效徑更多的無(wú)線傳播環(huán)境，有利于毫米波終端應(yīng)用多天線技術(shù)獲得更高的性能增益。

圖4 基于RIS的吞吐量增強(qiáng)方案

4)邊緣用戶干擾協(xié)調(diào)增強(qiáng)方案

為了改善小區(qū)邊緣用戶性能，基于RIS的邊緣用戶增強(qiáng)方案通過(guò)在相鄰小區(qū)覆蓋邊緣部署智能超反射表面及控制單元，按需改變智能超反射表面的反射特性，控制高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)智能超反射表面后的幅度、相位、頻率甚至極化特性，為小區(qū)邊緣用戶構(gòu)造來(lái)自兩個(gè)相鄰基站的發(fā)射路徑，結(jié)合多小區(qū)干擾協(xié)調(diào)等技術(shù)，改善邊緣用戶網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 基于RIS的邊緣用戶干擾協(xié)調(diào)增強(qiáng)方案

3.2 基于RIS的毫米波室外覆蓋增強(qiáng)解決方案

1)基于光電轉(zhuǎn)換的毫米波室內(nèi)覆蓋方案

基于光電轉(zhuǎn)換的毫米波室內(nèi)覆蓋方案的目標(biāo)是針對(duì)室外毫米波信號(hào)如何轉(zhuǎn)換成室分信號(hào)這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。如圖6所示，該方案通過(guò)在建筑物樓頂部署毫米波接收機(jī)和毫米波電光轉(zhuǎn)換模塊，將接收到的來(lái)自室外基站的毫米波信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并通過(guò)光纖入戶方案，通過(guò)室內(nèi)部署光電轉(zhuǎn)換模塊，將光信號(hào)解調(diào)為毫米波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋。該覆蓋方案具有傳輸帶寬大、信道質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是需要針對(duì)毫米波頻段開(kāi)發(fā)光電/電光轉(zhuǎn)換模塊。

圖6 基于光電轉(zhuǎn)換的毫米波室內(nèi)覆蓋方案

2)基于RIS透射增強(qiáng)的毫米波室內(nèi)覆蓋方案

基于RIS透射增強(qiáng)的毫米波室內(nèi)覆蓋方案將具有透射增強(qiáng)能力的毫米波智能超反射表面部署在門(mén)窗玻璃上，替代傳統(tǒng)的門(mén)窗玻璃，如圖7所示。通過(guò)控制單元按需改變智能超表面的毫米波透射特性，控制毫米波信號(hào)經(jīng)過(guò)智能超表面后的幅度、相位、頻率甚至極化特性，降低室外毫米波信號(hào)覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景引入的穿透損耗。

圖7 基于RIS透射增強(qiáng)的毫米波室內(nèi)覆蓋方案

3)基于RIS的毫米波室內(nèi)盲區(qū)覆蓋增強(qiáng)方案

與毫米波室外覆蓋相似，毫米波室內(nèi)覆蓋同樣面臨障礙物遮擋損耗嚴(yán)重的問(wèn)題，基于RIS的毫米波室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)方案，如圖8所示，在室內(nèi)環(huán)境中部署智能超反射表面及控制單元，按需動(dòng)態(tài)構(gòu)造非視距反射路徑，并以視距反射信道替代非視距直射信道，調(diào)整毫米波波束方向，實(shí)現(xiàn)毫米波通信虛擬視距傳輸，有效解決毫米波通信非視距傳輸損耗較大的問(wèn)題。

圖8 基于RIS的毫米波室內(nèi)盲區(qū)覆蓋增強(qiáng)方案

4 結(jié)論

針對(duì)毫米波路徑損耗較大、受障礙物遮擋影響明顯等問(wèn)題，本文面向毫米波室外盲區(qū)覆蓋增強(qiáng)、小區(qū)半徑增強(qiáng)、吞吐增強(qiáng)、干擾協(xié)調(diào)等場(chǎng)景需求及毫米波室內(nèi)覆蓋盲區(qū)和多層覆蓋等場(chǎng)景，提出不同典型場(chǎng)景下基于智能超表面的毫米波覆蓋增強(qiáng)方案，通過(guò)在毫米波信號(hào)傳播空間部署智能超反射/透射表面及控制單元，按需動(dòng)態(tài)構(gòu)造視距反射路徑，以非視距反射信道替代受障礙物遮擋的視距信道，有效提升毫米波信號(hào)覆蓋質(zhì)量。