6G的超材料解決方案

如果使用可重構(gòu)智能表面，將增加大量的可用帶寬。

過去數(shù)十年間，無線技術(shù)革命動蕩喧囂，但有兩點始終未變。一是無線頻段過度擁擠，二是為擺脫這種擁塞狀態(tài)，所用的頻率范圍越來越高。如今，隨著5G的部署和6G無線的規(guī)劃，工程師們發(fā)現(xiàn)自己置身于一個十字路口：他們年復(fù)一年設(shè)計超高效發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、補(bǔ)償無線電信道末端的信號損失，現(xiàn)在，他們開始意識到自己正在接近發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可用效率的極限。從現(xiàn)在開始，隨著我們轉(zhuǎn)向更高頻段，為了獲取高性能，需要對無線信道本身進(jìn)行設(shè)計。但無線環(huán)境由多種因素決定，其中許多因素是隨機(jī)的、難以預(yù)測的，對這樣的環(huán)境，我們應(yīng)如何設(shè)計并控制呢？

可重構(gòu)智能表面（RIS）或許是目前最有希望的解決方案?？芍貥?gòu)智能表面為平面結(jié)構(gòu)，尺寸范圍通常在100平方厘米至5平方米左右或更大，具體取決于頻率和其他因素。這些表面使用被稱為“超材料”的高級材質(zhì)來反射和折射電磁波。這種輕薄的二維超材料被稱為“超表面”，可感應(yīng)局地電磁環(huán)境，當(dāng)表面反射或折射電波時，可調(diào)整波的振幅、相位、極化等關(guān)鍵特性。事實上，這些超表面可以通過編程實現(xiàn)動態(tài)的特性改變，應(yīng)對無線信道的變化，實時重新配置信號。當(dāng)電波落在這樣的表面上時，表面可實時響應(yīng)，改變?nèi)肷洳ǖ姆较?，從而增?qiáng)信道?？芍貥?gòu)智能表面可視為中繼站概念下一步的演變。

這一點很重要，因為隨著我們轉(zhuǎn)向更高頻率，傳播特性對信號更為“不利”。無線信道會根據(jù)周圍的物體不斷變化。與建筑物、車輛、山丘、樹木和下雨相比，5G和6G頻率波長小到可忽略不計。低頻波可圍繞或通過這些障礙物衍射，但高頻信號卻會被吸收、反射或散射。基本上，在這樣的頻率下，你的全部指望只有視距信號。

這些問題有助于解釋為何可重構(gòu)智能表面成為無線研究中最熱門的話題之一。這個話題如此活躍，是有道理的。在大約10年前首次開發(fā)數(shù)字控制超材料的推動下，近幾年來，研發(fā)活動取得突破進(jìn)展，成果不斷涌現(xiàn)。

在全球數(shù)十個實驗室，可重構(gòu)智能表面原型顯示出巨大前景。歐洲出資的Visorsurf是首批重大項目之一，該項目5年前啟動，2020年結(jié)束。2018年下半年，日本的日本電報電話公共公司和加州卡爾斯巴德的Metawave首次公開演示了該技術(shù)。

今天，歐洲、亞洲和美國的數(shù)百名研究人員正致力于應(yīng)用可重構(gòu)智能表面建立可編程的智能無線環(huán)境。華為、愛立信、NEC、諾基亞、三星和中興等廠商則單獨(dú)研發(fā)或與大學(xué)合作。日本電報電話公共公司、Orange、中國移動、中國電信和英國電信等主要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商都正在開展或計劃開展實質(zhì)性的可重構(gòu)智能表面試點。這一工作反復(fù)證明了在5G和6G最困難的頻段，可重構(gòu)智能表面能夠大幅增強(qiáng)信號。

要了解可重構(gòu)智能表面如何改善信號，不妨從電磁環(huán)境講起。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)由分散的基站組成，基站部署在高桿或鐵塔上，以及城市地區(qū)的建筑物和電線桿上。信號傳輸路徑上的物體可能會阻擋信號，在5G的高頻率下，這個問題變得尤其嚴(yán)重，例如24.25至52.6 千兆赫之間的毫米波頻段。若在6G網(wǎng)絡(luò)中，通信公司計劃利用90至300千兆赫的亞太赫茲頻段，情況會更糟。原因如下：對于4G和類似的低頻段，來自表面的反射實際上可增強(qiáng)接收的信號，因為反射的信號會相互疊加。然而，隨著頻率的提高，此種多徑效應(yīng)會變?nèi)趸蛲耆?，對長波信號來說看似光滑的表面，對短波信號來講則相對粗糙。因此，在這樣的表面上，信號并非發(fā)生反射，而是發(fā)生散射。

一個解決辦法是使用更強(qiáng)的基站或在整個區(qū)域安裝更多基站。但這種策略可能會使成本翻番甚至更高。中繼器或轉(zhuǎn)發(fā)器也可提高覆蓋范圍，但其成本也可能令人望而卻步。相反，可重構(gòu)智能表面則有望以略高的成本大大提高覆蓋率。

與其他方案相比，可重構(gòu)智能表面具有吸引力的關(guān)鍵特征是其近乎無源的性質(zhì)。無需放大器提升信號，意味著一個可重構(gòu)智能表面節(jié)點只用一節(jié)電池和一小塊太陽能板即可供電。

可重構(gòu)智能表面的功能好似一面非常復(fù)雜的鏡子，它可以調(diào)整方向和曲率，可在特定方向上對信號進(jìn)行聚焦和重新定向（見本文首頁）。但這并不需要移動鏡子或改變鏡子的形狀，而是通過電控的方式改變其表面，從而改變?nèi)肷潆姶挪ǖ年P(guān)鍵屬性，例如相位。

這就是超材料的作用。這種新興材料表現(xiàn)出超天然材料（“超”源自希臘語meta）的屬性，例如，不規(guī)則的反射或折射。這些材料由普通金屬和電絕緣體或電介質(zhì)制成，當(dāng)電磁波撞擊超材料時，預(yù)定的材料斜度會改變波的相位和其他特性，可根據(jù)需要彎曲波前并重新定向波束。

可重構(gòu)智能表面節(jié)點由成百上千個被稱為“晶胞”的超材料元素組成。每個晶胞由金屬和介電層以及一個或多個開關(guān)或其他可調(diào)諧組件構(gòu)成。典型結(jié)構(gòu)包括帶有開關(guān)的頂部金屬貼片、偏置層和被電介質(zhì)基板隔開的金屬接地層。通過控制偏置（金屬貼片和接地層之間的電壓），可使每個晶胞打開或關(guān)閉，控制各個晶胞改變?nèi)肷洳ǖ南辔缓推渌匦浴?/p>

為控制整個可重構(gòu)智能表面反射的較大波的方向，可以同步所有晶胞，在較大的反射波中建立相長干涉和相消干涉的模式（見下圖）。這種干涉模式可改變?nèi)肷涔馐⑵浒l(fā)送到由該模式確定的方向。順便說一下，此基本工作原理與相控陣?yán)走_(dá)相同。

可重構(gòu)智能表面還有其他有用的功能。即使沒有放大器，可重構(gòu)智能表面也能提供實質(zhì)增益：30到40相對各向同性分貝（dBi），具體取決于表面的大小和頻率。這是因為天線的增益與天線的孔徑面積成正比，可重構(gòu)智能表面相當(dāng)于覆蓋大孔徑區(qū)域的多個天線，因而比傳統(tǒng)天線具有更高的增益。

可重構(gòu)智能表面中的諸多晶胞均由邏輯芯片控制，例如帶有微控制器的現(xiàn)場可編程門陣列，亦可存儲動態(tài)調(diào)整可重構(gòu)智能表面所需的多種編碼序列。控制器向各晶胞發(fā)出相應(yīng)的指令，設(shè)置晶胞狀態(tài)。最常見的編碼機(jī)制是簡單的二進(jìn)制編碼，由控制器切換各個晶胞的開關(guān)。晶胞開關(guān)通常為半導(dǎo)體器件，例如PIN二極管或場效應(yīng)晶體管。

這里的重要因素是功耗、速度和靈活性，控制電路通常是可重構(gòu)智能表面中最耗電的部分之一。當(dāng)今合理有效的可重構(gòu)智能表面在重構(gòu)切換狀態(tài)時的總功耗約為幾瓦到十幾瓦，在空閑狀態(tài)下的功耗則很少。

要在現(xiàn)實世界的網(wǎng)絡(luò)中部署可重構(gòu)智能表面節(jié)點，研究人員必須首先回答3個問題：需要多少個可重構(gòu)智能表面節(jié)點？節(jié)點應(yīng)該放在哪里？表面應(yīng)該多大？如你所想，其中涉及復(fù)雜的計算和權(quán)衡。

工程師可以在設(shè)計基站時規(guī)劃確定可重構(gòu)智能表面的最佳位置，或通過在覆蓋圖中找出信號強(qiáng)度差的區(qū)域來確定位置。至于表面的大小，將取決于頻率（頻率越低，需要的表面越大）以及表面部署的數(shù)量。

研究人員依靠模擬和測量優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。在我工作的華為瑞典公司，我們多次討論可重構(gòu)智能表面單元在城市環(huán)境中的最佳位置。我們正在使用一個名為“咖啡豆研磨機(jī)模擬器”（Coffee Grinder Simulator）的專有平臺，在構(gòu)建和部署可重構(gòu)智能表面前模擬其應(yīng)用效果。我們正在與法國國家科學(xué)研究中心和巴黎中央理工-高等電力學(xué)院等機(jī)構(gòu)開展合作。

在最近的一個項目中，我們使用模擬來量化在典型城市5G網(wǎng)絡(luò)中部署多個可重構(gòu)智能表面的性能改善。據(jù)我們所知，這是首次采用這種方法大規(guī)模、系統(tǒng)級地估測可重構(gòu)智能表面的性能。我們使用自己研發(fā)的有效部署算法優(yōu)化可重構(gòu)智能表面增強(qiáng)的無線覆蓋范圍。給定基站和用戶的位置，算法可幫助從墻壁、屋頂、角落等數(shù)千個可能位置中，選擇可重構(gòu)智能表面節(jié)點的最佳三維位置和大小。軟件的輸出為可重構(gòu)智能表面部署圖，可最大限度增加能夠接收目標(biāo)信號的用戶數(shù)量。

當(dāng)然，需要特別關(guān)注位于蜂窩覆蓋區(qū)域邊緣的用戶，他們的信號接收最差。我們的結(jié)果表明，蜂窩邊緣的覆蓋和數(shù)據(jù)速率有了很大提高，對于信號接收效果更好的用戶也是如此，尤其是在毫米波段。

我們還研究了潛在的可重構(gòu)智能表面硬件權(quán)衡對性能的影響。簡言之，每個可重構(gòu)智能表面設(shè)計都需要折中，例如將每個晶胞的響應(yīng)數(shù)字轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制相位和幅度，構(gòu)建更簡單、成本更低廉的可重構(gòu)智能表面。但重要的是要知道設(shè)計上的折中是否會在不希望的方向產(chǎn)生額外波束或?qū)ζ渌脩粼斐筛蓴_。因此，我們研究了多個基站、可重構(gòu)智能表面的二次輻射波等因素造成的網(wǎng)絡(luò)干擾影響。

毫不奇怪，我們的模擬證實了增大可重構(gòu)智能表面的面積或數(shù)量皆可提高整體性能。但哪個更為合適呢？若將可重構(gòu)智能表面節(jié)點和基站的成本考慮在內(nèi)，我們發(fā)現(xiàn)，較少數(shù)量、較大面積的可重構(gòu)智能表面節(jié)點部署在離基站及其用戶較遠(yuǎn)的地方，可覆蓋更大的區(qū)域，這是非常經(jīng)濟(jì)的解決方案。

可重構(gòu)智能表面的大小和尺寸取決于工作頻率。我們發(fā)現(xiàn)少量的矩形可重構(gòu)智能表面節(jié)點是一個很好的折中方案，此類節(jié)點用于C波段頻率（3.5千兆赫）時每個約為4米寬，用于毫米波段（28千兆赫）時每個約半米寬，在兩個波段中均可顯著提高性能。這可謂一個驚喜：可重構(gòu)智能表面不僅改善了可能存在嚴(yán)重覆蓋問題的毫米波（5G 高頻）段的信號，還改善了C波段（5G 中頻）的信號。

為擴(kuò)大室內(nèi)無線覆蓋，亞洲的研究人員正在研究一種非常有趣的可能性：將透明的可重構(gòu)智能表面節(jié)點覆蓋在屋內(nèi)窗戶上。日本電報電話公共公司以及中國東南大學(xué)和南京大學(xué)都在實驗使用智能薄膜或智能玻璃。這些薄膜由透明導(dǎo)電氧化物（如氧化銦錫）、石墨烯或銀納米線制成，不會明顯降低透光率。將薄膜貼在窗戶上時，進(jìn)入室內(nèi)外部的信號會被折射和增強(qiáng)，可增強(qiáng)室內(nèi)的信號覆蓋。

可重構(gòu)智能表面節(jié)點的規(guī)劃和安裝只是挑戰(zhàn)的一部分。為使可重構(gòu)智能表面節(jié)點以最佳方式工作，需要每時每刻配置節(jié)點，實時適應(yīng)通信信道的狀態(tài)。最佳配置需對信道進(jìn)行準(zhǔn)確的實時估算。技術(shù)人員可以通過測量基站、可重構(gòu)智能表面和用戶之間的“信道脈沖響應(yīng)”來得出估算值?？墒褂脤?dǎo)頻測量該響應(yīng)，導(dǎo)頻是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)預(yù)先已知的參考信號，這是無線通信中的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)?；趯π诺赖墓浪悖捎嬎憧芍貥?gòu)智能表面中每個晶胞的相移。

目前的做法是在基站執(zhí)行此類計算。然而，這需要大量的導(dǎo)頻，因為每個晶胞都需要自己的相位配置。有許多減少這項開支的設(shè)想，但到目前為止，沒有一個真正有望實現(xiàn)。

所有晶胞的總計配置通過無線控制鏈路饋送到各可重構(gòu)智能表面節(jié)點。因此，每個可重構(gòu)智能表面節(jié)點都需要一臺無線接收機(jī)來定期收集指令。這當(dāng)然會消耗電力，而且也意味著可重構(gòu)智能表面節(jié)點完全依賴于基站，帶來不可避免且無法承受的運(yùn)行費(fèi)用，同時需要持續(xù)不斷的控制。這樣一來，整個系統(tǒng)需要通過無線控制信道對基站和多個可重構(gòu)智能表面節(jié)點安排一個完美無暇的復(fù)雜業(yè)務(wù)流程。

我們需要更好的方法?；叵胍幌?，可重構(gòu)智能表面中的“I”代表智能。這個詞暗示節(jié)點內(nèi)部對表面的實時、動態(tài)控制，即學(xué)習(xí)、理解和對變化作出反應(yīng)的能力。我們現(xiàn)在并沒有做到這一點。如今的可重構(gòu)智能表面節(jié)點無法感知、推理或響應(yīng)；它們只執(zhí)行來自基站的遠(yuǎn)程命令。這也是為何我和我在華為的同事開始著手執(zhí)行自治可重構(gòu)智能表面（AutoRIS）項目。該項目旨在令可重構(gòu)智能表面節(jié)點能夠自主控制并配置其晶胞的相移。這將在很大程度上消除基于基站的控制和大量信令（或是限制使用可重構(gòu)智能表面增大數(shù)據(jù)速率，或是需要節(jié)點同步），以及額外的功耗。AutoRIS的成功很可能有助于確定可重構(gòu)智能表面能否實現(xiàn)大規(guī)模商用部署。

當(dāng)然，將必要的接收和處理能力集成到可重構(gòu)智能表面節(jié)點，同時保持節(jié)點的輕量級和低功耗是相當(dāng)艱巨的挑戰(zhàn)。事實上，這將需要大量的研究工作?？芍貥?gòu)智能表面要具有商業(yè)競爭力，就必須保持低功耗的特性。

考慮到這一點，我們正探索在可重構(gòu)智能表面中集成超低功耗人工智能（AI）芯片，同時使用極其高效的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來實現(xiàn)智能化。這些智能模型能夠根據(jù)接收到的信道相關(guān)數(shù)據(jù)生成可重構(gòu)智能表面輸出配置，同時根據(jù)業(yè)務(wù)合同和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商對用戶分類。將人工智能集成到可重構(gòu)智能表面還可增加其他功能，例如動態(tài)預(yù)測即將接收的可重構(gòu)智能表面配置，按位置或影響可重構(gòu)智能表面操作的其他行為特征對用戶進(jìn)行分組。

并非所有情況都需要智能、自主的可重構(gòu)智能表面。對某些偶爾重構(gòu)（可能每天幾次或更少）的區(qū)域，靜態(tài)可重構(gòu)智能表面完全適用。事實上，毫無疑問，從靜態(tài)到完全智能、自主，需要有一系列的部署。成功與否不僅取決于效率和性能，還取決于是否易于集成到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中。

可重構(gòu)智能表面真正的測試用例將是6G。下一代無線技術(shù)有望采用自主網(wǎng)絡(luò)和智能環(huán)境，具有實時、靈活、軟件定義和自適應(yīng)控制。與5G相比，6G有望提供更高的數(shù)據(jù)速率、更大的覆蓋范圍、更低的延遲、更多的智能和更高精度的感知服務(wù)。與此同時，6G的關(guān)鍵驅(qū)動因素是可持續(xù)發(fā)展：我們需要更節(jié)能的解決方案來滿足許多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商正在努力實現(xiàn)的“凈零”排放目標(biāo)?？芍貥?gòu)智能表面符合所有這些要求。

讓我們從大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）說起。這種基礎(chǔ)的5G技術(shù)在無線信道的發(fā)送端和接收端使用多個天線封裝成陣列，一次發(fā)送和接收多個信號，從而明顯提高網(wǎng)絡(luò)容量。然而，6G更高數(shù)據(jù)速率的需求將需要更大規(guī)模的MIMO，這需要更多的射頻鏈工作，耗電大且運(yùn)行成本高。如本文所述，節(jié)能且成本更低的替代方案是在大規(guī)模MIMO基站和用戶之間放置多個低功耗可重構(gòu)智能表面節(jié)點。

毫米波和亞太赫茲6G頻段有望釋放出驚人數(shù)量的帶寬，但前提是克服具有潛在致命性的覆蓋問題，且不能倚靠昂貴的解決方案，例如超密集部署基站或有源中繼器。在我看來，只有可重構(gòu)智能表面能以合理的成本實現(xiàn)這些頻段的商業(yè)可行性。

通信行業(yè)已將感知（高精度定位服務(wù)以及物體檢測和姿勢識別）作為6G的一個重要潛在特性來兜售來。感知也將提升性能。例如，高精度定位用戶將有助于有效引導(dǎo)無線波束。感知亦可以作為一種新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供給垂直行業(yè)，例如智能工廠、自動駕駛等，其中對人或汽車的檢測可用于繪制環(huán)境地圖，也可用于家庭安全系統(tǒng)的監(jiān)視?？芍貥?gòu)智能表面節(jié)點的大孔徑及其帶來的高分辨率意味著此類應(yīng)用不僅可行，而且可能具有成本效益。

天空不是極限?？芍貥?gòu)智能表面可以將衛(wèi)星集成到6G網(wǎng)絡(luò)中。通常，衛(wèi)星的耗電量很高，需要使用大型天線來補(bǔ)償長距離傳播損耗和地球上移動設(shè)備的能力不足?？芍貥?gòu)智能表面可以發(fā)揮重要作用，最大限度地減少此類限制，甚至可能允許衛(wèi)星到6G用戶的直接通信。這樣的方案可能會使得集成衛(wèi)星的6G網(wǎng)絡(luò)更高效。

隨著過渡到新服務(wù)和廣闊的新頻率體系，無線通信將進(jìn)入一個充滿希望和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的時期。在下一個激動人心的階段，需要引入許多技術(shù)。但沒有哪一個比可重構(gòu)智能表面更重要。

審核編輯 ：李倩