智能超表面技术白皮书

今天分享的是【智能超表面技术白皮书】 报告出品方：智能超表面技术联盟

智能超表面技术具有低成本、耗、可编程、易部署等特点，通过构建智能可控无线环境，有机会突破传统无线通信的约束，给未来移动通信网络带来一种全新的范式，具有广阔的技术与产业前景。在当前和未来的落地应用中，需要厘清智能超表面技术在理论模型、应用技术、工程化研究和标准化推进等方面的面临诸多问题与挑战，需要包括智能超表面技术联盟（RISTA）、IMT-2030（6G）推进组在内的产业组织联合“产学研用”全产业链，共同推进智能超表面的技术研究、标准化及产业落地。

——移动通信网络发展趋势与挑战

5G商用化进程启动已满三年，在十四五规划纲要的指导下，5G网络的发展速度远超同期的3G网络和4G网络。截至2022年6月，全球已有86个国家和地区部署220多张5G商用网络，为5亿用户提供5G网络服务；截至2022年11月，中国已累计开通5G基站超228.7万个，所有地级市城区、县城城区和96%的乡镇镇区实现5G网络覆盖。5G网络作为“高速泛在、云网融合、智能敏捷、安全可控”的智能化综合性数字信息基础设施，建设运营服务每年直接带动经济总产出超1万亿元，间接带动经济总产出超3万亿元，是经济社会发展畅通信息大动脉和数字新底座。在标准演进方面，3GPP第2版5G国际标准（3GPPRel-16）以及第3版5G国际标准（3GPPRel-17）已陆续于2020年6月和2022年6月冻结，聚焦基础功能的进一步增强、新特性引入、垂直行业扩展等主要方向。

随着5G网络建设的逐步加速，其对社会和生产所带来的改变将逐步明朗，但用户的需求不断演进，更优质的业务体验，更多垂直行业业务的拓展，都将驱动移动通信网络不断向前发展。未来，数字孪生、全息交互、感知互联等新型业务需求对移动网络覆盖深度、泛在接入能力、空口传输速率、端到端时延、设备连接数以及内生智能等级等方面提出了更高要求。与此同时，在国家绿色转型和新发展格局下，“碳达峰、碳中和”等人与自然和谐发展也已经成为移动通信网络发展的新目标。因此，工作频段更高、天线规模更大、设备能耗更低、智能水平更强是下一代未来移动通信网络发展的重要趋势。与此同时，移动通信网络发展也面临诸多挑战。

——移智能超表面概念及发展历程

近年来，智能超表面因其能够灵活操控信道环境的电磁特性，一经出现就吸引了学界和业界广泛的关注。RIS通常由大量精心设计的电磁单元排列组成，通过给电磁单元上的可调元件施加控制信号，可以动态地控制这些电磁单元的电磁性质，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，形成幅度、相位、极化和频率可控制的电磁场，RIS的引入，使得无线传播环境从被动适应变为主动可控，从而构建了智能无线环境。另外，作为超材料的二维实现，RIS天然具有低成本、低复杂度和易部署的特性，有机会用以解决未来移动通信网络发展面临的需求与挑战。

RIS作为一种动态电磁参数调控技术，在多个领域已经初步展示了其强大的性能。但是，RIS在规模商用前仍然在技术研究、工程应用、网络部署和标准化等方面面临诸多问题与挑战，需要包括智能超表面技术联盟（RISTA）、IMT-2030（6G）推进组在内的产业组织联合“产学研用”全产业链，共同推进智能超表面的技术研究、标准化及产业落地。

——移智能超表面应用

智能超表面具备与波形、调制、编码、多址等大多数底层技术解耦的特性，具备6G技术5G阶段应用的可能。由于5G网络已经大规模商用部署，要最小化智能超表面对5G现网的改造需求。因此，在5G-A阶段，面向5G网络精细化运营维护、深度覆盖和提速扩容的需求，基于智能超表面辅助的5G网络覆盖补盲和多流增速将是典型应用方式。面向6G，智能超表面具有与毫米波/太赫兹高频通信、通感一体、全双工等多个前沿技术领域相结合的可能。本白皮书在前期研究的基础上，进一步根据智能超表面技术的发展阶段以及5G和6G网络演进趋势，分析智能超表面在5G和6G网络中的潜在应用。

传统的蜂窝部署可能存在覆盖空洞区域，如在高大建筑物的阴影区域，在密集城区场景下的街道信号覆盖，或者室内外和公共交通工具内外的信号接驳等场景。针对上述场景，可将RIS部署在基站与覆盖盲区之间，通过有效的反射/透射使传输信号到达覆盖盲区，从而提升覆盖性能。

——移6G潜在应用

高频毫米波和太赫兹是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，受障碍物遮挡、雨雪天气、环境吸收等影响大。依据3GPPTR38.901无线信道损耗模型，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，毫米波穿透损耗3GPP理论值及测试值如表1所示，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，过大的穿透损耗将导致覆盖范围内的受遮挡区域通信质量发生显著恶化，只有在普通玻璃和木门等少数材质障碍物条件下，低频毫米波信号的穿透损耗可能会大于5dB小于10dB，仍然会导致覆盖范围内的受遮挡区域通信质量严重下降。而对于高频毫米波和太赫兹频段，障碍物会对无线信号造成数十dB的传播损耗。

为克服高频通信严重的路径损耗，基站和终端用户通常配备大规模天线阵列实现高增益的定向传输。强指向性的波束和高频信道的稀疏性导致信道矩阵存在秩亏问题。在极端的强视距传播场景，信道秩甚至会降至1，无法发挥多天线系统的空间复用增益。为解决高频通信的信道秩亏问题，可在基站和终端用户之间部署分布式智能超表面，利用智能超表面的信道定制能力，灵活塑造秩可调的信道矩阵，提升系统空间复用能力。未来，随着超材料天线的应用推广，智能超表面设备形态更加丰富多样，例如建筑物外墙装饰层，低成本、低功耗、易部署的智能超表面设备将成为高频通信提供有效的补充和延伸。

为了实现5G及6G所具备的低时延星载通信，就需如STARLINK一样构建低轨卫星移动通信与空间互联网系统，这样庞大的低轨卫星星座采用传统航天运载体系显然难以在短周期内实现，必须要采用堆叠式卫星架构，一般单箭需达60星，以最大化地发挥运载效能，海量的卫星部署对低成本、低面密度和超低剖面的相控阵系统之需求愈发强烈。基于现有RIS系统的相控阵天线由于摒弃了传统相控阵中单元相移所需要的T/R组件，可以极大地降低系统的成本及重量，其中，实现馈电调相一体化的集成式超低剖面自激励RIS系统，对推动低轨巨型星座的快速部署具有重要的意义。