清華大學(xué)戴凌龍老師與楊帆老師課題組聯(lián)合提出設(shè)計(jì)、研制了有源智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface,RIS），并基于NI的USRP進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射信號(hào)高達(dá)25dB的放大，提高接收信號(hào)功率10dB以上，有效克服無(wú)源RIS“乘性衰落”效應(yīng)。

在剛剛落幕的第十一屆中國(guó)國(guó)際通信大會(huì)（ICCC 2022）上，NI與清華大學(xué)聯(lián)合展示了該項(xiàng)技術(shù)。請(qǐng)跟隨小編一起詳細(xì)了解一下。

圖1.參會(huì)人員參觀有源RIS技術(shù)

智能超表面：6G無(wú)線傳輸潛在關(guān)鍵技術(shù)之一

智能超表面技術(shù)（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）能夠提高6G通信能力，通過(guò)在基站和用戶之間部署RIS，可以在原有通信鏈路的基礎(chǔ)上，額外建立起一條“基站-RIS-用戶”之間的可控反射鏈路，從而有望起到增強(qiáng)無(wú)線信號(hào)覆蓋、提升系統(tǒng)頻譜效率、降低基站發(fā)射功率等作用。

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛研究的RIS通常是無(wú)源RIS。無(wú)源RIS能夠?qū)θ肷湫盘?hào)進(jìn)行被動(dòng)反射和移相，從而使得多路反射信號(hào)在接收機(jī)處同相疊加，以提高用戶接收信號(hào)功率。

盡管理論上RIS技術(shù)能夠帶來(lái)與表面單元數(shù)的平方成正比的陣列增益，但該技術(shù)同時(shí)也引入了“乘性衰落”效應(yīng)，即RIS反射鏈路的路徑損耗為發(fā)射機(jī)到RIS和RIS到用戶這兩段子鏈路路徑損耗的乘積?！?span style="color:#03B585;">乘性衰落”效應(yīng)將嚴(yán)重“吃掉”RIS帶來(lái)的陣列增益，使得RIS在基站與用戶之間已有較好通信鏈路（可以是直射徑，也可以是非直射徑）的典型場(chǎng)景下的性能增益十分受限。

為克服RIS“乘性衰落”效應(yīng)這一難題，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了有源RIS及其對(duì)應(yīng)的信號(hào)模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[1]。

無(wú)源RIS和有源RIS的對(duì)比，可以總結(jié)為：

無(wú)源RIS：被動(dòng)反射信號(hào)，受“乘性衰落”限制，典型場(chǎng)景下難以獲得明顯增益

有源RIS：放大反射信號(hào)，克服“乘性衰落”，可獲得明顯增益

圖2.無(wú)源RIS（左）和有源RIS（右）

與現(xiàn)有的無(wú)源RIS只能被動(dòng)地反射信號(hào)而不能對(duì)其進(jìn)行放大不同，有源RIS通過(guò)在每個(gè)（或者部分）RIS單元上額外集成反射式功放，在對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行調(diào)控的同時(shí)，還能對(duì)其進(jìn)行高增益的放大（見(jiàn)圖2），從而能夠補(bǔ)償乘性衰落帶來(lái)的路損，有效克服“乘性衰落效應(yīng)”[1]。目前，已有相關(guān)文獻(xiàn)分別表明，該技術(shù)還可以將RIS的“乘性衰落”有效轉(zhuǎn)化為“加性衰落”[2]。

有源RIS的信號(hào)模型及驗(yàn)證

對(duì)于有源RIS，由于其額外引入了反射式功放，故其信號(hào)模型與無(wú)源RIS也明顯不同。具體而言，不同于無(wú)源RIS被動(dòng)地反射信號(hào)時(shí)熱噪聲可以忽略不計(jì)，有源RIS在放大被反射信號(hào)的同時(shí)，也將額外引入并放大不可忽略的熱噪聲。

為此，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了有源RIS的信號(hào)模型。進(jìn)一步，為驗(yàn)證該信號(hào)模型的正確性，研制了一個(gè)工作于現(xiàn)有5G主流頻段3.5GHz的64單元有源RIS，并搭建了模型測(cè)試平臺(tái)（見(jiàn)圖3），通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)信號(hào)模型進(jìn)行回歸分析和驗(yàn)證。

圖3.有源RIS信號(hào)模型的測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試結(jié)果表明，有源RIS利用其單元集成的反射式功放，能以一定功耗為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射信號(hào)進(jìn)行高達(dá)25dB的進(jìn)一步放大。同時(shí)，有源RIS也在一定程度上額外引入和放大了熱噪聲，這驗(yàn)證了所提出有源RIS信號(hào)模型的正確性。

基于NI USRP搭建的有源RIS原型驗(yàn)證平臺(tái)

為進(jìn)一步深入驗(yàn)證有源RIS在實(shí)際通信系統(tǒng)中的性能，基于NI的USRP產(chǎn)品，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)搭建了有源RIS輔助的無(wú)線通信原型驗(yàn)證平臺(tái)（見(jiàn)圖4）。

圖4.有源RIS輔助的無(wú)線通信系統(tǒng)原型驗(yàn)證

所搭建原型驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，有源RIS產(chǎn)生了高增益的反射波束，相比于金屬板，能夠提高接收信號(hào)功率約10dB以上，實(shí)現(xiàn)了顯著的接收功率提升，有望在未來(lái)6G系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] Z. Zhang, L.Dai, X. Chen, C. Liu, F. Yang, R. Schober, and H. V. Poor, “ActiveRIS vs. passive RIS: Which will prevail in 6G?,” arXiv preprintarXiv:2103.15154, Mar. 2021.

[2] E. Basar and H.V. Poor, “Present and future of reconfigurable intelligentsurface-empowered communications,” IEEE Signal Process. Mag., vol.38, no. 6, pp. 146–152, Nov. 2021.