趙亞軍，菅夢楠

(1.中興通訊股份有限公司，北京 100192；.移動網(wǎng)絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518055)

0 引言

隨著5G商用網(wǎng)絡的大規(guī)模部署，5G用戶數(shù)量及移動通信業(yè)務需求快速增長。2021年4月27―28日召開的3GPP PCG#46會議上正式通過把“5G-Advanced”用于標識5G Rel-18之后的標準版本，并于6月27日—7月2日舉行Rel-18 workshop，討論5G Rel-18及后續(xù)版本的需求及候選技術特性，標志著5G標準化即將進入第二階段[1]。相對5G第一階段，5G標準的第二階段5G-Advanced(5G-Adv)提出了更高的需求[2]。與此同時，6G需求探索及潛在關鍵研究工作也在如火如荼地開展，提出了全新的業(yè)務及場景需求，對技術有了更高的要求[3]。

一直以來，隨心所欲地調(diào)控電磁波是人們不斷追尋的夢想，麥克斯韋方程組的出現(xiàn)使得人類對電磁波的掌控能力得到飛速的增長。但受限于天然材料相對固定的電磁參數(shù)，人們對電磁波的控制力僅局限在發(fā)射機和接收機上。近年來，智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)因為其能夠靈活操控信道環(huán)境中的電磁特性，一經(jīng)出現(xiàn)就吸引了學界和業(yè)界廣泛的關注。尤其近一兩年，RIS在學術研究及產(chǎn)業(yè)推進上更是發(fā)展迅速，被認為是5G-Adv[4-7]和6G網(wǎng)絡[8-9]的關鍵候選技術之一。RIS通常由大量精心設計的電磁單元排列組成，通過給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號，可以動態(tài)地控制這些電磁單元的電磁性質，進而實現(xiàn)以可編程的方式對空間電磁波進行主動的智能調(diào)控，形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場。作為超材料的二維實現(xiàn)，RIS天然具有低成本、低復雜度和易部署的特性，有機會用以解決未來無線網(wǎng)絡面臨全新需求與挑戰(zhàn)。RIS引入無線通信網(wǎng)絡，使得無線傳播環(huán)境從被動適應變?yōu)橹鲃涌煽?，從而構建了智能無線環(huán)境(Smart Radio Environments，SRE)。SRE的概念為無線通信系統(tǒng)引入了一種新的通信理論觀點，并為優(yōu)化提供了新的機會[10]。

已有的RIS研究主要針對經(jīng)典通信問題在RIS引入后面臨的新挑戰(zhàn)進行研究探討，例如信道估計、波束賦形等，并且側重于單用戶或簡單多用戶場景。相關文獻已經(jīng)對上述問題進行了深入的理論分析，并提出了相應的解決方案。不過，RIS的引入可能構建全新的網(wǎng)絡范式，在給未來網(wǎng)絡帶來全新可能的同時，也導致了諸多全新的技術及工程應用挑戰(zhàn)。本文將重點嘗試對這些全新挑戰(zhàn)進行深入分析探討，并提出可能的解決方案或研究思路。

本文首先介紹了RIS使能未來無線通信網(wǎng)絡的主要方面，包括重構無線信道增強通信能力，使能無線網(wǎng)絡提供網(wǎng)絡更多可能和實現(xiàn)端到端全鏈路智能化；然后簡單匯總RIS網(wǎng)絡面臨的主要工程化應用技術挑戰(zhàn)，對其中的信道降秩、網(wǎng)絡間共存、網(wǎng)絡內(nèi)共存、網(wǎng)絡部署等幾個關鍵技術挑戰(zhàn)進行深入分析和探討，并提出可能的解決方案或研究思路；最后，文章給出了總結與展望。

1 RIS使能未來無線通信網(wǎng)絡

RIS作為一種亞波長二維表面的人工材料，相對傳統(tǒng)通信技術表現(xiàn)出很多優(yōu)良的技術特性，這些技術特性可以很好地使能未來無線網(wǎng)絡。其典型技術特性主要包括四方面：① 無源，不會引入熱噪聲，功耗低，滿足綠色通信的要求；② 低成本，不需要混頻器、數(shù)模/模數(shù)轉換器、功率放大器等高成本器件；③ 易部署，可擴展和輕量化的設計使其具有安裝、拆卸容易的特點；④ 連續(xù)表面任意點均可重構電磁波，可構成任意形狀表面以適應不同應用場景，支持更高的空間分辨率。此外，智能超表面具有全頻段響應特性，可支持全雙工傳輸，且一般面積大，接收能量高，并方便密集部署，具有工程實踐的天然優(yōu)勢?；赗IS上述優(yōu)良的技術特性，其在解決非視距傳輸問題、擴展覆蓋范圍、減小電磁污染、環(huán)境感知與定位、實現(xiàn)綠色通信等方面具有積極意義，并可以作為未來通信感知一體化的關鍵支撐技術。

1.1 重構無線信道，增強通信能力

傳統(tǒng)網(wǎng)絡的無線信道存在兩方面的問題：其一，信道容量受限于自然傳播信道特性，只能通過優(yōu)化收發(fā)機算法無限逼近自然傳播信道約束下的信道容量上限；其二，傳輸信道的大尺度與小尺度信道參數(shù)隨機時變，難以避免信道估計偏差，導致無論鏈路自適應還是波束賦形均會存在信道匹配偏差，實際可達容量與理想信道容量有差距。

RIS的引入將帶來信道特性的全新變化，有機會實現(xiàn)無線信道的重構，突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡自然無線傳播信道的限制。其對信道特性的改變主要可以體現(xiàn)為如下三方面：

① 恰當部署足夠數(shù)量的RIS并利用其異常調(diào)控能力，控制電磁波的主要傳播路徑，大幅度改變電磁波的強度分布特性，實現(xiàn)對信道大尺度參數(shù)的控制。例如，毫米波波束易阻擋，可以恰當部署RIS進行散射調(diào)控，對信號傳播路徑進行大相位調(diào)整，實現(xiàn)覆蓋重構。合理部署和調(diào)控RIS，可以嚴格約束覆蓋區(qū)域，從而降低小區(qū)間干擾耦合關系。

② 泛在部署的RIS進行自適應動態(tài)調(diào)控，實現(xiàn)對信號的主要散射體/多徑的時延、幅度、相位以及極化方式等的動態(tài)按需調(diào)控，進而實現(xiàn)對信道小尺度參數(shù)的控制，達到抑制多徑效應并改變MIMO信道空間特性的目的。例如，RIS可以通過調(diào)控反射信號的調(diào)控，跟蹤UE的移動，盡可能降低信道深度衰落的概率，包括多徑引起的小尺度深度衰落和陰影等引起的大尺度深度衰落。

③ 動態(tài)調(diào)控多徑信道參數(shù)，信道的小尺度參數(shù)從隨機動態(tài)時變成為一定程度地確定可控，從而使得信道參數(shù)可以被更為準確地估計預測。

由上可知，由于RIS低成本、低功耗、簡單易部署的特點，有機會泛在部署。而泛在部署的RIS有機會改變自然傳播信道，并通過改變信道打破自然傳播信道固有的容量限制，從而提升信道容量。其核心能力來自于對自然無線信道的智能控制和改變，通過對反射相位、幅度、極化方式等的調(diào)控，把無線信道從一個高度隨機時變的自然信道改變?yōu)橐粋€一定程度確定可控的人為信道。

1.2 使能無線網(wǎng)絡，提供網(wǎng)絡更多可能

RIS引入無線網(wǎng)絡，因其全新的技術特征，在增強傳統(tǒng)通信能力的基礎上，也為未來無線網(wǎng)絡提供了更多可能。諸多文獻對RIS可能的應用進行了探討，其中比較典型的應用包括高精度感知定位、數(shù)能同傳、背向散射、安全通信、減少電磁污染等方面。

不失一般性，以RIS支持感知定位應用為例。傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡提供了無線定位功能，它的定位精度受到基站部署位置、基站數(shù)量、天線陣子規(guī)模等的限制，其空間與角度辨識能力有限。相較于傳統(tǒng)收發(fā)機，使用RIS進行電磁感知的優(yōu)點包括：① RIS易于大規(guī)模部署，可以實現(xiàn)無盲區(qū)的感知和通信；② 組成RIS的大量單元可以在信道感測期間收集豐富的信息，從而獲得高精度、細粒度的環(huán)境感知結果；③ 所獲得的大量數(shù)據(jù)信息可應用于數(shù)據(jù)驅動的人工智能技術，進而挖掘更全面、更準確的環(huán)境信息。因此，RIS有機會成為支持未來通信感知一體化的關鍵支撐技術之一。

1.3 實現(xiàn)端到端全鏈路智能化

近些年，AI用于增強傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的研究空前火熱。不過，已有研究主要探討發(fā)射端與接收端的智能化，無線信道依然需要被動適應自然傳播環(huán)境。RIS通過其人為靈活異常調(diào)控無線電波傳輸?shù)哪芰?，有機會構建一個智能的無線電磁環(huán)境。即RIS的引入，使得無線網(wǎng)絡在實現(xiàn)無線系統(tǒng)收、發(fā)端智能化基礎上，進一步實現(xiàn)無線信道的智能可控，從而有機會構建涵蓋發(fā)射端、無線信道和接收端徹底的端到端智能無線系統(tǒng)，支撐實現(xiàn)真正的“智能泛在”與“智慧內(nèi)生”的未來6G網(wǎng)絡[11]。

綜上，RIS可以構建智能可控無線傳播環(huán)境，突破傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的限制，并在增強傳統(tǒng)通信能力的基礎上，為未來無線網(wǎng)絡提供了更多可能。

2 面臨的技術及工程應用挑戰(zhàn)

RIS的引入可能構建全新的網(wǎng)絡范式，在給未來網(wǎng)絡帶來全新可能的同時，也導致了諸多全新的技術及工程應用挑戰(zhàn)，表1總結匯總了RIS網(wǎng)絡面臨的主要工程化應用技術挑戰(zhàn)。目前RIS工程應用技術研究尚處于初期，涉及的技術問題較多，限于篇幅，本文將僅對其中信道降秩、網(wǎng)絡間共存、網(wǎng)絡內(nèi)共存、網(wǎng)絡部署等幾方面的關鍵技術挑戰(zhàn)進行深入分析和探討，并提出可能的解決方案或研究思路。其他未在本文展開的技術挑戰(zhàn)，將在合適的時機進一步深入分析和探討，這里先簡單羅列以供各位研究人員參考。

表1 RIS網(wǎng)絡面臨的技術及工程應用挑戰(zhàn)

3 無線信道特性影響——信道降秩

相對于傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)，RIS的引入將對無線信道特性產(chǎn)生重大影響。例如，超大規(guī)模陣子/超大天線孔徑，使得信道的近場特性顯著；超密集陣子(<0.5λ)帶來互耦問題；對電磁波傳播可能的非線性影響以及廣泛部署對無線傳播環(huán)境可能帶來的全新模式的變化等。另外，RIS引入使得原有自然不可控電磁傳播環(huán)境變?yōu)槿藶榭煽氐碾姶艂鞑キh(huán)境，對電磁傳播環(huán)境的主動調(diào)控可能會帶來全新的信道刻畫范式。基于我們的有限認識，發(fā)現(xiàn)已有研究主要集中在RIS的大尺度特性[12]、信道估計[13]、波束賦形增益[14]等方面展開，尚未發(fā)現(xiàn)有文獻就引入RIS后對于MIMO空間復用性能的影響進行深入分析和研究。

RIS使能的信道包括NB-RIS和RIS-UE兩個分段子信道。典型情況是NB-RIS之間的信道為LOS信道或NLOS低秩信道，則即使RIS-UE之間為富散射的高秩信道，NB-RIS-UE級聯(lián)信道的秩依然受限于NB-RIS之間的信道。本節(jié)將對引入RIS后帶來無線信道空間自由度下降進而導致信道降秩問題進行深入討論。

3.1 系統(tǒng)模型

對于一個RIS輔助的無線通信系統(tǒng)，考慮一個具有M個天線的NB、一個具有N個天線單元RIS和一個具有U個天線的UE。令Hnb-ue∈CU×M表示NB與UE之間的直達信道,Gnb-ris∈CN×M表示NB與RIS之間的信道，Hris-ue∈CU×N表示UE與RIS之間的信道。

NB和UE之間的整體傳播信道有兩種場景，可以分別表示為如下：

場景1：同時包括直達信道和經(jīng)過RIS的信道

HT=Hris-ueβΘrisGnb-ris+Hnb-ue，

(1)

場景2：只有通過RIS的信道，直達信道被阻塞

(2)

相應地，UE處的接收信號Y可以表示為如下：

場景1：同時包括直達信道和經(jīng)過RIS的信道

Y=(Hris-ueΘrisGnb-ris+Hnb-ue)FX+W，

(3)

場景2：只有通過RIS的信道，直達信道被阻塞

Y′=(Hris-ueΘrisGnb-ris)FX+W，

(4)

其中,Θris=diag(θ1,θ1,…,θN)是RIS處的反射向量，θn表示第n個RIS元素的反射系數(shù)，β為RIS的增益,F為NB處的預編碼向量，W∈CU×1為UE處的接收噪聲。注意，θn可以進一步表示為θn=βnejφn,βn∈[0，1]和φn∈[0,2π] 并分別表示第n個RIS元素的振幅和相位。

3.2 問題分析

場景1：同時包括直達信道和通過RIS散射信道

由上可知，通過RIS的信道包括了NB-RIS和RIS-UE兩個分段子信道。典型情況下，RIS面板一般布置在相對較高的位置，典型情況是NB與RIS之間散射體較少，NB-RIS之間的信道大多為純LoS信道或者萊斯因子較高的萊斯信道，信道矩陣處于低秩狀態(tài)。由兩個矩陣乘積的秩滿足不等式r(AB)≤min(r(A),r(B))可知，即使RIS-UE之間的信道為富散射的高秩信道，NB-RIS-UE總信道的秩依然受限于NB-RIS之間的信道。RIS信道特性類似多天線中繼(Relay)信道，文獻[15]對多天線中繼信道的低秩問題進行了深入的分析。另外，也可以從MIMO信道的鎖孔效應(Keyhole Effect)角度分析。引入RIS后，RIS信道可能會產(chǎn)生鎖孔效應，尤其是NB-UE直達信道被阻擋而僅有通過RIS反射信道的場景[16]。

場景2：只有通過RIS散射信道，直達信道被阻塞

由式(1)，經(jīng)過RIS的信道分量，包含了RIS提供的波束賦形增益β。典型情況，RIS一般具有超大規(guī)模天線陣子，也即波束賦形增益較高(β>>1)，因而通過RIS的信道分量Hris-ueβΘrisGnb-ris貢獻遠大于基站直達UE的信道分量Hnb-ue。在此典型情況下，場景1退化為場景2，信道條件數(shù)也主要受限于NB-RIS之間的信道。當然，若‖Hnb-ue‖>>‖Hris-ueΘrisGnb-ris‖，使得β‖Hris-ueΘrisGnb-ris‖與‖Hnb-ue‖數(shù)量級相當，也即經(jīng)過RIS的信道分量貢獻與基站直達UE信道分量相當，此時，信道條件數(shù)與無RIS的傳統(tǒng)MIMO信道情況類似。

3.3 潛在解決方案

基于上述問題分析可知，RIS引入后對信道條件數(shù)的制約主要來自于NB-RIS之間的信道Gnb-ris，需要從RIS分段信道中的Gnb-ris成分入手探索解決手段。

小區(qū)邊緣UE為功率受限，引入RIS的主要目的是為了獲得陣列增益，而不是空間復用增益，RIS導致的信道秩下降對其性能影響不大。而且RIS的引入還獲得波束賦形增益，增強了信號，因此邊緣UE受益于RIS。但對于非小區(qū)邊緣的UE，一般無RIS輔助時信號強度已較高，且多大典型的自然傳播信道滿足富散射條件，為高秩信道，可以獲得較高MIMO復用增益。但若引入RIS，也即引入NB-RIS信道，則可能使得信道的秩急劇降低，從而導致該UE的MIMO復用增益大大下降?；诖硕ㄐ苑治隹芍?，RIS的引入對小區(qū)中心那些高SINR的UE性能影響較大，對分布在其他位置的UE性能影響相對較小。因此，本文主要針對SINR較高的UE，并進一步分為近場情況和遠場情況探討相應的解決方案。

若基站與RIS之間的信道條件滿足近場假設，此時可以采用LoS MIMO技術思想進行分析。例如，可以采用縮短基站與RIS之間的距離、擴大RIS天線孔徑面積等方式來加大入射信號在RIS表面不同天線陣元上的相位差，從而提升信道條件數(shù)。進一步地，若滿足軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)信道條件(即近場且準共軸)，可以考慮采用渦旋角動量來提升空間復用增益。不過若采用OAM機制，基站和UE的天線形態(tài)需要滿足OAM需求，且收發(fā)機也需要相應優(yōu)化。

若基站與RIS之間的信道條件滿足遠場假設，且僅有通過RIS反射的信道時，顯然依賴單個RIS面板難以改善信道條件數(shù)。若條件允許，可以部署多個RIS面板以提供多個獨立的散射表面，從而改善信道條件數(shù)。RIS的低成本、低功耗和簡單易部署特性，提供了部署多個RIS面板的可能性。若可以部署更多的RIS面板，甚至有機會解決自然散射環(huán)境的散射體稀疏導致的信道條件數(shù)較大的問題，增加信道空間自由度，進而提升信道的空間復用增益。

針對同時存在NB-RIS-UE信道和NB-UE信道的情況，對于那些非SINR受限的UE，RIS可以采用寬波束或廣播波束以降低波束賦形增益，從而滿足β‖Hris-ueΘrisGnb-ris‖與‖Hnb-ue‖相當?shù)臈l件，也即經(jīng)過RIS信道的分量貢獻與基站直達UE信道相當。此時，RIS提供了一定的波束賦形增益，同時還提供了更多的散射路徑，增加信道空間自由度，進而提升了空間復用增益。也即，小區(qū)中心的RIS設計目標不是追求賦形增強信號，而是側重抑制多徑效應，增加空間自由度，優(yōu)化不同地理區(qū)域信號質量的平穩(wěn)性。

另外，為了更好地針對不同情況選擇合適的解決方案，還需要設計一些測量與判決機制以準確估計和判斷UE所處的場景，從而針對性地采用對應的優(yōu)化方案。例如，若同時存在RIS路徑和直達路徑，給出合適的判決準則，選擇調(diào)度通過RIS的路徑或者直達路徑?；蛘撸瑑?yōu)化RIS部署，使得小區(qū)中心UE盡量采用直達路徑而不采用RIS路徑。

4 網(wǎng)絡間—多網(wǎng)絡共存(Inter-Networks)

無線移動通信網(wǎng)絡實際組網(wǎng)場景中，多網(wǎng)絡共存是傳統(tǒng)典型問題。共存的多個網(wǎng)絡分別由不同的運營者部署和管理，共存的關鍵挑戰(zhàn)在于彼此之間協(xié)作受限。引入RIS之后，其在理想調(diào)控下可以優(yōu)化調(diào)控相鄰節(jié)點之間的干擾關系，不過考慮到實現(xiàn)復雜度、多網(wǎng)絡協(xié)調(diào)的可行性及RIS固有技術特性約束等因素，給多網(wǎng)絡共存帶來了全新挑戰(zhàn)。實際網(wǎng)絡中，入射在RIS面板上的無線信號既包括RIS優(yōu)化調(diào)控的“目標信號”，也包括其他“非目標信號”，RIS將會對這兩類信號同時調(diào)控。其通過調(diào)控電磁波的幅度、相位、極化方式等可以增強“目標信號”，同時也對“非目標信號”進行非預期的異常調(diào)控。

從頻譜使用關系角度，多網(wǎng)絡共存可以包括同頻共存(也可以稱為同道共存)、異頻共存(也可以稱為鄰道共存)兩類場景。多網(wǎng)絡共存時，其主要制約因素在于網(wǎng)絡之間不能或不方便協(xié)調(diào)調(diào)控/調(diào)度。本節(jié)將分別對這兩類共存場景面臨的挑戰(zhàn)進行分析。

4.1 同頻共存

隨著頻譜資源的日益緊張，頻譜共享將會是未來6G網(wǎng)絡主要的頻譜使用方式[3]。當多個網(wǎng)絡采用頻譜共享方式使用頻譜時，存在網(wǎng)絡間同頻共存的問題。傳統(tǒng)頻譜共享技術已經(jīng)非常成熟，典型的方式包括認知無線電技術(Cognitive Radio，CR)為基礎的主從系統(tǒng)之間的頻譜共享、基于IEEE 802.11標準非授權頻譜共享技術等。RIS的引入將會給頻譜共享技術提供了新的機遇，但同時也會帶來全新的挑戰(zhàn)。

(1) 對同頻異網(wǎng)絡信號的非預期異常調(diào)控

典型共存的多個網(wǎng)絡一般是共覆蓋部署，重疊覆蓋區(qū)域部署的RIS會對入射在其上的來自不同網(wǎng)絡的同頻信號同時進行調(diào)控。情況一：假設有兩個同頻的網(wǎng)絡(網(wǎng)絡A和網(wǎng)絡B)共存，并假設僅有網(wǎng)絡A部署了RIS_A。RIS_A受控于網(wǎng)絡A，并入射其上的來自網(wǎng)絡A的目標信號進行優(yōu)化調(diào)控，其同時也會對入射其上的來自網(wǎng)絡B的同頻非目標信號進行非預期的異常調(diào)控。情況二：假設有兩個同頻的網(wǎng)絡(網(wǎng)絡A和網(wǎng)絡B)共存，并假設網(wǎng)絡A和B分別部署了RIS_A和RIS_B。RIS_A受控于網(wǎng)絡A，并入射其上的來自網(wǎng)絡A的目標信號進行優(yōu)化調(diào)控，其同時也會對入射其上的來自網(wǎng)絡B的同頻非目標信號進行了非預期的異常調(diào)控。相應地，RIS_B受控于網(wǎng)絡B，并入射其上的來自網(wǎng)絡B的目標信號進行優(yōu)化調(diào)控，其同時也會對入射其上的來自網(wǎng)絡A的同頻非目標信號進行了非預期的異常調(diào)控。

對于情況一，網(wǎng)絡B的信號傳播信道產(chǎn)生了不可預期的動態(tài)變化。網(wǎng)絡B在t1時刻測量獲得的信道HB(t1)，被RIS_A在t2時刻異常調(diào)控，則此時的信道HB(t2)可能與HB(t1)已有很大差異。網(wǎng)絡B可能會在t2時刻調(diào)度發(fā)送，由于網(wǎng)絡B對其信道的變化未知，依然基于HB(t1)進行調(diào)度，信道不匹配導致嚴重的性能下降；對于情況二，由于網(wǎng)絡A和網(wǎng)絡B可能同時被自己的RIS優(yōu)化調(diào)控和對方的RIS異常調(diào)控，則可能導致RIS調(diào)控優(yōu)化失效，甚至可能性能惡化。另外，超大天線孔徑RIS的引入，也使得MIMO信道的非平穩(wěn)特性更加顯著[17]，這將會進一步加劇RIS異常調(diào)控的影響。

對于異系統(tǒng)/異網(wǎng)絡的同頻信號進行的非預期異常調(diào)控問題，有兩種可能的解決方案。其一，對于RIS動態(tài)調(diào)控的場景，減小信道測量的周期，盡可能降低RIS導致的信道不匹配的發(fā)生概率；其二，多網(wǎng)絡共享使用頻譜時，若采用如“先聽后說(Listen Before Talk，LBT)”等基于信道感知的隨機競爭接入機制，則同覆蓋的網(wǎng)絡間自然形成TDM方式使用頻譜，從而不會出現(xiàn)網(wǎng)絡A和網(wǎng)絡B的信號同時入射RIS并被異常調(diào)控的情況。

(2) RIS加強信號并擴展覆蓋半徑，但也會惡化網(wǎng)絡間干擾關系

網(wǎng)絡間頻譜共享一般基于干擾能量感知的隨機競爭接入，實現(xiàn)系統(tǒng)間頻譜公平共享。RIS的引入帶來信道特性的很大變化，不再滿足寬平穩(wěn)假設，對頻譜干擾感知與評估的準確性帶來挑戰(zhàn)。RIS網(wǎng)絡中，對周圍節(jié)點的干擾信號不僅直接來自收發(fā)節(jié)點，還存在被RIS波束賦形增強的干擾信號。RIS對信號進行動態(tài)異常調(diào)控，使得該路徑的信號難以準確估計，且該路徑信號強度較高，其估計偏差會帶來不可忽略的影響。另外，典型的RIS具有超大規(guī)模天線陣元、超大尺寸天線孔徑，空間非平穩(wěn)性更加顯著，對頻譜的干擾感知與評估的準確性帶來更大挑戰(zhàn)。干擾感知與估計偏差增大將會加劇頻譜共享中的隱藏節(jié)點/暴露節(jié)點問題，從而可能造成系統(tǒng)間共存關系的惡化。

RIS波束賦形導致的干擾感知和估計偏差主要是由于賦形的定向窄波束導致，采用傳統(tǒng)全向天線的假設不能準確測量干擾信號，需要考慮空域維度的LBT機制。我們前期研究中提供了一種定向LBT(Directional LBT)機制，可以更準確感知窄波束的干擾信號[18]。當然，也可以采用其他保守方案。例如，在RIS網(wǎng)絡中降低感知門限，盡可能避免干擾；或者RIS調(diào)控時增加優(yōu)化約束條件，即限制其對信號調(diào)控后的覆蓋范圍，在保證共存性能的前提下優(yōu)化目標系統(tǒng)的信號。不過，這些保守方案頻譜利用率較低，系統(tǒng)性能會有損失。

綜上，在頻譜共享場景下解決RIS引入后的多網(wǎng)絡共存的基本技術思想是優(yōu)化傳統(tǒng)頻譜共享接入機制，例如采用定向LBT機制、降低感知門限等，盡可能降低隱藏節(jié)點/暴露節(jié)點概率。通過優(yōu)化的競爭接入機制，達到TDM模式的網(wǎng)絡間頻譜共享使用關系。

4.2 異頻共存

對于異頻共存場景，存在RIS的寬帶調(diào)控與多網(wǎng)絡鄰道泄露抑制需求矛盾的問題。本節(jié)將對異頻共存下RIS的問題進行深入分析，并給出相應的解決方案。

常規(guī)RIS一般具有寬帶調(diào)控能力，其有利于無線寬帶通信和支持同時多個頻段的通信，不過該特性卻與多網(wǎng)絡鄰頻共存矛盾。RIS的天線陣元同一時間只能進行單個相位/幅度的調(diào)控，不能同時對入射的不同子頻帶的信號分別采用不同的系數(shù)加權，也就無法針對一個以上的子頻帶信道分別地進行最佳匹配信道。例如，兩個網(wǎng)絡(網(wǎng)絡A和網(wǎng)絡B)重疊覆蓋，兩者采用相鄰頻帶的頻譜資源。若網(wǎng)絡A的RIS_A針對其通信需求進行信號傳播的優(yōu)化調(diào)控，由于常規(guī)RIS為寬帶電磁波調(diào)控，則RIS_A將會同時對較大帶寬內(nèi)的入射信號執(zhí)行調(diào)控操作，也同時會對同覆蓋區(qū)域的鄰頻網(wǎng)絡B信號進行調(diào)控，從而造成對異頻網(wǎng)絡B產(chǎn)生嚴重的非預期信道擾動，帶來異頻網(wǎng)絡間的共存問題,即RIS的寬帶調(diào)控與多網(wǎng)絡鄰道泄露抑制需求矛盾。例如運營商A與B鄰頻，RIS_A針對運營商A優(yōu)化電磁波傳播調(diào)控；由于一般RIS調(diào)控響應帶寬較寬(例如幾GHz帶寬)，則RIS_A也同時會對運營商B的無線信號進行調(diào)控。顯然，RIS_A對運營商B信號的調(diào)控是非期望的，因此可能會對運營商B的性能產(chǎn)生嚴重影響。

異頻共存場景的非預期調(diào)控問題，一種可能的解決方案是采用多層超表面結構的RIS。不失一般性，這里以雙層超表面結構為例。其中，第一層為透射表面，一般采用固定權值，用于對入射信號進行限帶處理，僅通過目標帶寬內(nèi)的信號，并抑制帶外信號；而第二層為正常動態(tài)可調(diào)超表面，對濾波后的目標帶寬內(nèi)的信號進行調(diào)控。需要特別說明的是，反射型雙層結構RIS的第一層超表面會對鄰頻帶外信號進行兩次限帶濾波，即在信號入射以及從內(nèi)部出射時均會對鄰頻帶信號進行濾波操作。若采用更多層帶限超表面進行限帶濾波，限帶效果會更好一些，不過需要評估多層結構帶來的層間耦合、對目標信號的衰落以及成本與體積等影響。

需要注意的是，在保證對目標信號調(diào)控性能的前提下，若提升帶限性能指標，會帶來復雜度與成本問題。不過，考慮到RIS本身量化精度要求相對較低，原則上對帶外泄露的影響指標存在降低的可能。需要進一步深入分析與評估，在平衡性能與成本關系的基礎上尋求優(yōu)化方案。

4.3 專網(wǎng)與公網(wǎng)共存

5G網(wǎng)絡一個關鍵的設計目標即為支持垂直行業(yè)的應用，并且可以預期，未來6G也會繼續(xù)加強對垂直行業(yè)的支持。垂直行業(yè)用戶與普通用戶面臨不同的需求，采用專網(wǎng)服務垂直行業(yè)用戶是比較典型的方式。隨著垂直行業(yè)用戶的快速發(fā)展，專網(wǎng)也隨之將普遍存在，因而專網(wǎng)(服務垂直行業(yè))與公網(wǎng)(服務普通用戶)共存問題將不可忽略。雖然專網(wǎng)與公網(wǎng)共存問題也能歸屬于上述同頻/異頻共存問題，不過其具有一些獨特的特性，這里進行探討。

專網(wǎng)覆蓋有兩種實現(xiàn)方式，二者面臨不同的挑戰(zhàn)，需要分別采取不同的解決方案。專網(wǎng)模式一，采用公網(wǎng)實現(xiàn)專網(wǎng)覆蓋需求(一個網(wǎng)絡)，也即一個公網(wǎng)同時用于滿足專網(wǎng)用戶及同覆蓋區(qū)域的其他一般用戶需求。RIS調(diào)控及資源調(diào)度以專網(wǎng)用戶高優(yōu)先級，在專網(wǎng)用戶有業(yè)務需求時，RIS調(diào)控優(yōu)先優(yōu)化專網(wǎng)用戶覆蓋；無專網(wǎng)業(yè)務需求時，則優(yōu)先該網(wǎng)絡覆蓋下的其他用戶需求。專網(wǎng)模式二，獨立的專網(wǎng)覆蓋，與公網(wǎng)分別服務專網(wǎng)和公網(wǎng)用戶，典型的情況是兩者之間為異頻組網(wǎng)，不存在模式一中的同頻共存問題。不過若專網(wǎng)與公網(wǎng)鄰頻，則面臨與4.2節(jié)異頻共存類似的問題，解決方案也是類似。不過考慮到一般專網(wǎng)業(yè)務優(yōu)先級較高，因此在采用異頻共存的解決方案時需要同時兼顧專網(wǎng)業(yè)務具有高優(yōu)先級的優(yōu)化需求。

5 網(wǎng)絡內(nèi)—多用戶復用和多小區(qū)共存(Intra-Networks)

一個蜂窩網(wǎng)絡內(nèi)部存在兩類共存關系，包括小區(qū)內(nèi)多UE共存和小區(qū)間頻率重用/鄰道共存。RIS引入網(wǎng)絡，在理想調(diào)控下，可以實現(xiàn)比較好的干擾控制。不過考慮到實現(xiàn)復雜度及RIS固有的技術特性約束，實際工程應用中對上述兩種共存關系有較大的挑戰(zhàn)。

5.1 多UE復用

對于OFDM系統(tǒng)，蜂窩小區(qū)內(nèi)不同UE采用頻分復用(FDM)方式分配資源是典型的多UE復用方式，即不同UE分配占用不同的頻域子帶(不同頻域資源塊(Resource Block，RB))。如前文所述，RIS進行電磁波調(diào)控時，同時調(diào)控的最小頻域帶寬較寬，一般遠大于蜂窩小區(qū)的系統(tǒng)帶寬。因此，在蜂窩小區(qū)系統(tǒng)帶寬內(nèi)同一時間只能進行某個相位/幅度調(diào)制，不能同時針對頻分復用UE的各自頻域子帶分別采用不同的矩陣加權，也就無法分別最佳匹配不同UE的信道。因此，若采用FDM獲得頻域的自由度增益，則可能沒有辦法同時最優(yōu)化空域的自由度。這意味著，即使采用FDM方式調(diào)度，這些UE也不得不假設RIS只能采用同一個預編碼矩陣，限制了多用戶調(diào)度的靈活性。

對于RIS引入后多用戶FDM與RIS波束約束問題，其中一種解決方案可以借鑒Massive MIMO混合波束賦形的處理機制。多用戶FDM調(diào)度場景受限于波束賦形的靈活性并非RIS引入的新問題，Massive MIMO混合波束賦形的模擬波束賦形也會對多用戶的FDM調(diào)度有類似的約束。Massive MIMO的有源相控陣天線一般在同一時刻只能采用一個預編碼矩陣，也即只能構成一個模擬波束，不同UE可以在同一模擬波束下通過采用不同的數(shù)字波束來適配信道。以下行鏈路為例，參考Massive MIMO混合波束賦形(NB基帶數(shù)字波束+相控陣天線模擬波束)，引入RIS后下行信道構成了NB+RIS的混合波束賦形通信模型。下行鏈路NB和RIS聯(lián)合預編碼優(yōu)化時，RIS同一時間采用一個預編碼矩陣，而NB側對不同UE各自采用不同的預編碼矩陣以更好適配信道。如同Massive MIMO混合波束賦形場景的約束，上述RIS場景也要求同時調(diào)度的UE為可以歸屬同一個RIS模擬波束下的UE組。以公式(4)場景為例，上述機制可以對應表達為公式(5)。上行鏈路為UE+RIS混合波束賦形，可以采用與此類似的機制。

Yue_i=(Hris-ue_iΘrisGnb-ris_ue_i)Fue_iX+W，

(5)

其中，RIS加權矩陣Θris相同，?i；Fue_i為ue_i在NB側的預編碼矩陣；Hris-ue_i和Gnb-ris_i分別為ue_i在NB-RIS和RIS-UE之間經(jīng)歷的信道。

相對于有源相控陣天線，一般無源的RIS具有更大規(guī)模的天線陣子及更大尺寸的天線孔徑。前期的研究[13]中提供了一種RIS分塊的機制，可以把超大尺寸的RIS表面分為多個子塊，不同UE的入射信號分別采用不同的子塊進行波束調(diào)控賦形，提升波束賦形的靈活性。當然，分塊也使得有效天線孔徑尺寸減小，導致RIS增益下降，因此需要權衡波束賦形靈活性與天線孔徑減小之間的增益關系。

若小區(qū)內(nèi)部署了多個RIS面板，可以考慮分別采用不同的RIS調(diào)控不同UE的入射信號。多RIS調(diào)度優(yōu)缺點與RIS分塊類似，這里不再贅述。

進一步地，若FDM復用的多個UE，其傳輸?shù)臉I(yè)務對時延、可靠性及帶寬等QoS要求不同，可以對上述機制進行相應的優(yōu)化。例如，對于RIS分塊機制，高QoS要求的UE優(yōu)先分配更大尺寸的RIS子塊；對于共享多個RIS，給高QoS需求的UE優(yōu)先分配更多數(shù)量的RIS，且選擇分配分布位置較佳的RIS。分配多個RIS時，不同UE分配的RIS可能有重疊和非重疊兩種情況。對于有重疊的情況，根據(jù)業(yè)務優(yōu)先級，對重疊部分的RIS優(yōu)化分塊。

5.2 多小區(qū)共存

與多網(wǎng)絡共存情況類似，網(wǎng)絡內(nèi)多小區(qū)/節(jié)點共存也包括同頻共存(頻率重用)和異頻共存(小區(qū)間采用不同的載波)兩種不同的情況。因此，上述用于多網(wǎng)絡共存的方案也可以用于多小區(qū)共存。不過，相對于多網(wǎng)絡共存，網(wǎng)絡內(nèi)相鄰傳輸節(jié)點之間有機會進行協(xié)作優(yōu)化。即多網(wǎng)絡的節(jié)點之間為非協(xié)作的共存關系，而網(wǎng)絡內(nèi)不同節(jié)點之間為有協(xié)作的共存關系。

對于目標信號而言，網(wǎng)絡內(nèi)不同節(jié)點之間為有協(xié)作的共存關系，其與傳統(tǒng)的多點協(xié)作(CoMP)和無蜂窩網(wǎng)絡(Cell-free)類似，相關協(xié)作干擾抑制和信號協(xié)作收發(fā)機制可以借鑒。不過，RIS提供了新的靈活性：① 不同小區(qū)協(xié)作共享RIS時，僅需要交互低帶寬需求的RIS調(diào)控信令，而不需要交互高帶寬和高實時性要求的數(shù)據(jù)；② 更多部署數(shù)量及更大尺寸的RIS，提供了RIS資源調(diào)度的靈活性；③ RIS既可以通過波束賦形增強信號，也可以抑制幅度吸收信號，并可以對相位/極化非正常調(diào)控，從而為小區(qū)間協(xié)作共享RIS提供了更多可能性。

實時動態(tài)協(xié)作交互信道狀態(tài)信息，RIS可以盡可能隔離同頻相鄰節(jié)點之間的干擾關系。例如，隔離來自相鄰RIS/AP的信號，即抑制來自相鄰節(jié)點入射角度的信號幅度或者完全吸收不散射，僅優(yōu)化調(diào)控本小區(qū)信號入射方向的信號。通過對不同入射角度信號的不同調(diào)控處理，盡可能抑制鄰節(jié)點同頻干擾，提升節(jié)點間的隔離度，從而提升蜂窩網(wǎng)絡頻率重用系數(shù)。

小區(qū)間可以通過緊密協(xié)作，共享使用RIS。方式一，小區(qū)間協(xié)作，半靜態(tài)劃分時隙或者動態(tài)時分共享使用同一個RIS；方式二，對RIS表面進行分塊，不同小區(qū)協(xié)調(diào)使用不同的RIS子塊，機制類似上文中所述的多個UE分塊使用一個RIS。

利用RIS實現(xiàn)小區(qū)覆蓋的靈活縮放(小區(qū)呼吸)。通過靈活調(diào)控小區(qū)內(nèi)的RIS，尤其是部署在小區(qū)邊緣的RIS，對本小區(qū)信號的波束賦形增益、波束的覆蓋區(qū)域等進行控制，從而實現(xiàn)該小區(qū)覆蓋范圍的靈活縮放調(diào)控。不過，一個小區(qū)覆蓋范圍的縮放會對周邊鄰小區(qū)產(chǎn)生影響，因此需要相鄰小區(qū)之間緊密協(xié)作覆蓋關系。

未來6G網(wǎng)絡可能會打破傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡的拓撲結構，引入全新的去蜂窩的結構。文獻[19]探討了典型寬帶場景下的RIS輔助去蜂窩網(wǎng)絡，提出了BS和RIS的聯(lián)合預編碼框架，以最大化網(wǎng)絡容量。對于聯(lián)合預編碼的非凸性和高度復雜性，該文獻作者提出了一種交替優(yōu)化算法來解決這個具有挑戰(zhàn)性的問題。

對于非目標信號而言，存在與前文所述的多UE復用面臨類似的非預期異常調(diào)控的問題，解決思想也基本相同，只是從小區(qū)內(nèi)不同UE之間的關系變?yōu)樾^(qū)間不同UE之間的關系，這里不再贅述。不過，相對小區(qū)內(nèi)不同UE之間，小區(qū)間協(xié)作的實時性及靈活性會受到限制，一般采用其中協(xié)作實時性要求相對較低的機制。

綜上，網(wǎng)絡內(nèi)相鄰傳輸節(jié)點之間有機會采用協(xié)作使用RIS，為實現(xiàn)多小區(qū)間的協(xié)作，不過也會面臨復雜度問題。實際網(wǎng)絡中，需要平衡協(xié)作復雜度與共存性能的關系。

6 RIS網(wǎng)絡部署

RIS以其低成本、低功耗、簡單易部署的特點，有機會泛在部署于網(wǎng)絡中，智能調(diào)控電磁傳播環(huán)境，帶來全新的網(wǎng)絡范式。但作為全新引入的網(wǎng)元，RIS獨特的技術特性及應用場景，對于其在網(wǎng)絡中進行泛在部署面臨著巨大挑戰(zhàn)。不同的應用場景可能需要不同的智能超表面部署策略，需要根據(jù)實際需求進行部署設計，如提升覆蓋、減小電磁干擾、提升定位精度等。另外，RIS的組網(wǎng)設計既需要考慮在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的網(wǎng)絡架構的實現(xiàn)方案，也需要考慮研究探索在未來全新網(wǎng)絡架構網(wǎng)絡中實現(xiàn)方案，例如基于Cell-free架構的組網(wǎng)實現(xiàn)。我們在前期研究中針對高速鐵路特殊場景的RIS部署進行了探討[20]，本節(jié)將嘗試識別出RIS典型部署場景，針對所識別出的典型通信場景，研究其可能存在的問題與挑戰(zhàn)，并提出相應的候選部署方案。

6.1 基本概念

6.1.1 RIS部署場景類型

從通信環(huán)境復雜度和RIS部署及調(diào)控復雜度角度，可以把部署場景分為小范圍可控的受限區(qū)域和大范圍復雜環(huán)境兩大類，此兩類場景對RIS網(wǎng)絡部署原則和需求有較大差異。

小范圍可控的受限區(qū)域，有機會部署足夠密度的RIS并實現(xiàn)精確電磁環(huán)境智能調(diào)控，例如典型的室內(nèi)熱點覆蓋區(qū)域。此類區(qū)域，無線傳播環(huán)境相對獨立，主要散射體數(shù)量有限且方便在相應的表面部署RIS面板；一般為業(yè)務需求的熱點區(qū)域，較多的業(yè)務需求相對集中穩(wěn)定地分布在此地理區(qū)域。對于此類區(qū)域，可以部署足夠數(shù)量及較大尺寸的RIS取代原有自然環(huán)境中的主散射體表面，甚至可以根據(jù)需要在合適的位置部署更多RIS以增加散射表面(即在合適的位置增加部署RIS，人為引入更多散射路徑，并通過靈活RIS選擇及散射調(diào)控，實現(xiàn)傳播路徑重選及信道重構的目的)。在有限的地理區(qū)域里，足夠密度的RIS可以聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度與調(diào)控，按需精準調(diào)控無線傳播環(huán)境，構建一個幾乎可以精確描述、精確控制的無線智能環(huán)境。此場景的拓撲結構，不僅可以抑制大尺度衰落，還可以通過RIS的精確調(diào)控，實現(xiàn)對小尺度多徑信道的相位/幅度、多普勒頻移等動態(tài)跟蹤調(diào)控，從而抑制多徑衰落效應。從RIS的形態(tài)需求角度，為實現(xiàn)精確調(diào)控，需要動態(tài)可調(diào)能力的RIS。因此，此類RIS在結構及控制復雜度、成本、功耗等方面也會更高。不過，此類場景一般為熱點區(qū)域，對成本不敏感，且地理空間范圍受限，RIS部署及優(yōu)化相對簡單。

大范圍復雜環(huán)境，業(yè)務分布相對稀疏，不方便也不必要實現(xiàn)無線傳播環(huán)境的精確控制。對于此類環(huán)境，可以重點對無線傳播信道的大尺度特性進行調(diào)控，包括陰影衰落、自由空間傳播路損等大尺度特性。對于自然傳播信道陰影阻擋嚴重的場景，在合適的位置部署RIS，對散射角度進行調(diào)控，構建NB-RIS-UE新傳播路徑，從而克服陰影阻擋問題。如圖1 (a)所示，基站與UE之間有高樓阻擋，可以在旁邊的樓體表面部署RIS對信號進行散射調(diào)控，構建了新的傳播路徑。另外，通過部署超大規(guī)模陣元RIS以獲得較高的波束賦形增益，可以一定程度克服自由空間傳播路損。如圖1 (b)所示，處于小區(qū)邊緣的UE信號強度受限，RIS可以在小區(qū)邊緣靠近的位置UE部署。大尺寸天線孔徑的RIS提供了較大的天線增益，下行鏈路可以有提高小區(qū)邊緣UE接收信號強度，上行鏈路可以提升UE上行發(fā)射信號的波束賦形增益。對于此類信道大尺度特性調(diào)控的場景，由于信道特性變化較慢或基本不變，RIS調(diào)控的動態(tài)性要求相對較低，可以考慮選擇低響應速率甚至固定權值的RIS?？梢?，對于大范圍復雜環(huán)境，RIS將主要對已有或新引入的主要傳播路徑/主散射體進行調(diào)控，實現(xiàn)半動態(tài)或靜態(tài)地調(diào)控無線信道的大尺度特性，所需的RIS形態(tài)簡單易部署，且成本較低。

(a) NB-RIS-UE新傳播路徑克服陰影阻擋

(b) 小區(qū)邊緣覆蓋增強圖1 RIS部署的典型場景Fig.1 Typical scenarios for RIS deployment

6.1.2 支持多頻段共存

為滿足未來網(wǎng)絡更高吞吐量的需求，需要網(wǎng)絡具備同時支持從6 GHz以下至太赫茲頻段的全頻譜能力。傳統(tǒng)方案需要部署支持多個頻段的多套分布式中射頻單元以同時支持高低頻段，成本和復雜度均是很大的挑戰(zhàn)。RIS具有支持跨頻段的潛力，有機會部署盡量少的RIS實現(xiàn)全頻段的支持，甚至僅采用單套RIS支持全頻段的調(diào)控需求。即以往需要部署分別支持高低頻段的不同基站，而RIS則僅需要部署一套，可以大大降低成本及部署復雜度。需要注意的是，支持全頻段的RIS成本較高，尤其是支持高頻段的RIS。不過一般熱點區(qū)域才需要高頻段覆蓋以支持大帶寬業(yè)務，因此可以僅在這些區(qū)域部署支持高頻段的RIS。另外，不同地區(qū)及運營商可以使用的頻段不同，可以根據(jù)不同地區(qū)及運營商各自的頻段覆蓋需求部署支持不同頻段組合的RIS，從而平衡RIS成本與部署復雜度的關系。

6.1.3 通信場景下RIS部署與優(yōu)化的基本原則與過程

傳統(tǒng)經(jīng)典通信場景的網(wǎng)絡部署可以包括室內(nèi)覆蓋、室外覆蓋、室外覆蓋室內(nèi)等，RIS可以用于支持這些場景的補盲、補弱和增加信道自由度。其網(wǎng)絡部署的基本原則可以包括：① 確保覆蓋區(qū)域內(nèi)信號強度高于預期門限，從而滿足最低傳輸速率；② 確保目標覆蓋區(qū)域信號強度或SINR分布穩(wěn)定，避免非預期的突變。對于后者，可以通過合理的RIS部署及調(diào)控，使得覆蓋區(qū)域內(nèi)始終保持較高的信號強度。或者，調(diào)度RIS動態(tài)波束跟蹤，確保有服務需求的UE的信號強度，但需要考慮空閑態(tài)(idle state)UE隨時隨地的接入需求，也即基礎的覆蓋信號強度需要滿足初始開環(huán)接入。在UE接入后進入閉環(huán)控制，RIS可以動態(tài)調(diào)控波束跟蹤UE，以更強的信號覆蓋連接態(tài)(connected state)UE，實現(xiàn)更高的業(yè)務傳輸速率。需要特別注意的是，對于提升覆蓋能力需求，尤其是室外場景，由于可以部署RIS位置受限，RIS很可能距離基站較遠，RIS所在的位置信號強度較弱，因此，即使有RIS天線增益，可以擴展覆蓋的距離也比較短。此時，不得不通過付出更大復雜度及成本的代價來增大RIS增益(例如，部署更大天線孔徑RIS)，從而盡可能提升擴展覆蓋距離的能力。

圖2給出了典型通信場景下RIS部署與優(yōu)化的基本過程。首先，在復雜度和成本約束下，以典型場景下的自然信道和業(yè)務需求分布作為基礎輸入，設計初始的RIS部署拓撲結構。然后，基于RIS的自適應無線傳輸調(diào)控性能，進一步迭代優(yōu)化RIS的部署拓撲結構，從而構建智能可控無線環(huán)境。也即RIS部署優(yōu)化設計的目標為尋求復雜度、成本及性能的平衡，輸出RIS的拓撲結構，包括部署位置、密度、RIS形態(tài)、調(diào)控/協(xié)作關系等參數(shù)。

圖2 典型通信場景RIS部署與優(yōu)化的基本過程Fig.2 Basic process of RIS deployment and optimization for typical communication scenarios

6.2 一種自適應網(wǎng)絡容量及覆蓋調(diào)整機制

實際場景中，網(wǎng)絡容量/覆蓋需求在地理空間上分布不均衡，且分布動態(tài)或半動態(tài)變化。例如，大型活動、早晚高峰、高鐵通信等場景，需求體現(xiàn)為在不同的地理空間規(guī)律性的半靜態(tài)變化(容量需求在不同的地理空間進行半靜態(tài)遷徙)。此類場景，需要在網(wǎng)絡拓撲結構上能夠自適應實現(xiàn)在地理空間緯度的網(wǎng)絡容量分布遷徙。因此，網(wǎng)絡拓撲結構及調(diào)控設計需要能夠通過半動態(tài)調(diào)整覆蓋和容量網(wǎng)絡資源，即最大化能量效率；而最小化成本開銷，則是以盡量少的基站與小區(qū)數(shù)量來克服覆蓋空洞問題并滿足容量需求。針對上述需求特點，在成本約束下，本文提供一種基于RIS的自適應網(wǎng)絡容量及覆蓋調(diào)整實例。

第一步，針對覆蓋及容量需求在地理區(qū)域的不均衡性及半靜態(tài)變化的特點，對網(wǎng)絡覆蓋進行半靜態(tài)的自適應調(diào)整。具體實現(xiàn)可以包括三類可選方式：① 利用可移動的無人機、高空平臺承載NB，空中平臺大物理范圍容量/覆蓋調(diào)整；② 采用無人/有人車承載NB/Relay等地面平臺，大地理區(qū)域的容量/覆蓋調(diào)整；③ 更高空平臺可以利用衛(wèi)星承載NB，做更大地理范圍的覆蓋調(diào)整。其中，前兩類方式也可以采用RIS取代NB放在無人機、高空平臺或無人車，通過RIS調(diào)控信號控制覆蓋。具體工程實現(xiàn)時，可以優(yōu)化選擇一些固定的候選位置，即對地理空間進行有限量化，從而降低工程實現(xiàn)復雜度。

第二步，采用CoMP/Cell-free機制實現(xiàn)小范圍覆蓋及容量調(diào)整。CoMP/Cell-free可以自適應調(diào)整協(xié)作的AP集合，邏輯蜂窩覆蓋區(qū)域的自適應調(diào)整。一般CoMP協(xié)作的AP集合較小，而Cell-free可以實現(xiàn)更大范圍的AP集合協(xié)作。引入RIS的網(wǎng)絡，采用類似CoMP/Cell-free的思想，可以對單小區(qū)多個RIS協(xié)作集的調(diào)控、多個小區(qū)間RIS的協(xié)作共享等，實現(xiàn)覆蓋與容量的小范圍調(diào)控。

第三步，小區(qū)覆蓋范圍的自適應調(diào)整。小區(qū)通過自適應功率調(diào)整或采用RIS調(diào)控覆蓋范圍，實現(xiàn)小區(qū)呼吸。通過基站自適應開關(Cell ON/OFF)或RIS的散射/吸收，控制本小區(qū)覆蓋及對周邊干擾的有或無。

第四步，采用RIS進行局部區(qū)域無線信道的大尺度和小尺度精細調(diào)控。例如，采用RIS半靜態(tài)調(diào)控大尺度特性，實現(xiàn)克服覆蓋空洞及補盲。采用RIS動態(tài)調(diào)控多徑的相位、幅度等，實現(xiàn)多徑效應的抑制。

通過上述基于RIS的自適應網(wǎng)絡容量及覆蓋調(diào)整機制，有機會實現(xiàn)所謂自適應/智能柔性無線網(wǎng)絡拓撲，構建無線網(wǎng)絡拓撲新范式。

為實現(xiàn)上述基于RIS的自適應網(wǎng)絡覆蓋及容量的調(diào)整機制，如下幾方面的問題需要進行特別的研究：

① 覆蓋/容量遷移對頻譜分配與共享的影響。

② 小區(qū)遷移，需要網(wǎng)絡拓撲結構的自適應調(diào)整。

③ Cell ID自適應規(guī)劃。

④ 其他網(wǎng)絡資源的自適應調(diào)制。例如，計算資源。

⑤ NB/RIS移動性對回傳鏈路的需求。例如，可能采用無線回傳鏈路。

⑥ NB/RIS移動性對供電的需求。例如，通過部署合適位置及密度的無人機基站充電站址平臺，提供充電支撐能力?；蛘撸峁┳銐虻呐R時?？科脚_(移動平臺驛站)，作為固定的一些覆蓋需求站點。這些平臺具有?？繜o人機基站的空間，可以提供供電/充電能力，可以提供回傳能力等。

7 結束語

RIS作為一種極具潛力的5G-Adv和6G關鍵技術之一，近幾年在學術研究方面發(fā)展非常迅速。RIS通過構建智能可控無線環(huán)境，將給未來6G帶來一種全新的通信網(wǎng)絡范式，滿足未來移動通信需求。而簡化版本的RIS將有機會在5G/5G-Adv階段初步商業(yè)部署及標準化，尤其可以用于改善5G毫米波覆蓋問題。RIS使能未來6G網(wǎng)絡仍然面臨諸多技術問題、部署問題和標準化進程的挑戰(zhàn)，需要對RIS關鍵技術和方案展開深入研究和全面評估，尤其需要在信道降秩、網(wǎng)絡間共存、網(wǎng)絡內(nèi)共存、網(wǎng)絡部署等幾方面的關鍵技術挑戰(zhàn)進行重點深入研究與突破。限于篇幅及研究深度，本文僅對RIS工程技術研究及工程化應用面臨的挑戰(zhàn)作了初步的分析，給出的解決方案也僅僅作了一些定性分析討論。相關問題還需要后續(xù)繼續(xù)深入地進行理論分析及仿真評估，進一步驗證方案的可行性及性能上限，為RIS最終產(chǎn)業(yè)落地打下基礎。