透射式RIS在未来6G无线通信的应用场景

IEEE Trans. Commun.日前刊发了清华大学电子工程系微波与天线研究所、通信研究所相关专家的“Transmissive RIS for B5G Communications: Design, Prototyping, and Experimental Demonstrations,”《面向B5G通信的透射式RIS：设计、原型和实验演示》。

智能超表面技术（RIS）因其具有调控无线信道的能力，为通信系统的设计提供了一种新的范式，成为公认的6G潜在关键技术之一。

当前针对RIS的研究研究主要集中于反射式RIS，即利用反射式波束赋形建立基站与用户之间的额外通信链路，从而提升系统性能。然而，反射式RIS要求基站与用户位于RIS的同侧，该拓扑约束限制了RIS的应用范围，比如装载在玻璃窗上的反射式RIS难以用于室外基站对于室内用户的覆盖增强。

透射式RIS能较好地解决上述问题，因而近期得到了业界的广泛关注。如图1所示，透射式RIS允许信号穿透RIS表面，并能够在无线信号穿透RIS时调控其相位或幅度，实现透射式波束赋形，从而填补反射式RIS的覆盖盲区，对未来6G实现无缝覆盖具有重要价值。

图1 （a）反射式RIS，（b）透射式RIS

论文首先研制了2-bit相位调控的256单元毫米波透射式RIS。每个透射式RIS单元由三部分组成：接收偶极子、90°数字移相器、发射偶极子。发射偶极子上加载两个PIN二极管用于控制电流方向，采用电流反转的方法，得到工作频带内稳定的180°相位差，实现1-bit相位控制。另外，90°数字移相器上加载两个PIN二极管实现0°/90°相位选择。最终，单元可以实现0°/90°/180°/270°四个相位状态选择，即2-bit相位控制。

图2  16×16 毫米波透射式RIS

在此基础上，搭建了透射式RIS辅助的毫米波通信系统。如图3所示，系统由发射端上位机、发端喇叭天线、遮挡物、透射式RIS、收端喇叭天线、接收端上位机组成。发射端使用喇叭天线对准透射式RIS， RIS对接收到的信号做基于2-bit移相的波束赋形，将穿透过RIS的信号辐射给接收端喇叭天线。在测试系统中，RIS和发端之间放置了一块大理石板，用于测试验证投射式RIS的抗遮挡能力。系统的工作频点为28 GHz，工作带宽为800 MHz，使用CP-OFDM调制，16-QAM星座图映射。

图3  透射式RIS辅助的毫米波通信系统

实测结果

首先，在发射端天线前面不放置大理石，根据是否部署透射式RIS进行实验，测量透射式RIS的波束赋形增益，结果如表1所示。在没有部署RIS的情况下，发射功率需要达到13.6 dBm才可实现1024 Mbps的传输速率，而在部署RIS的情况下，仅需5.4 dBm的发射功率即可实现1121 Mbps的传输速率。因此可以得到结论，在保证传输速率尽可能相同的情况下，透射式RIS可提供8.2 dB的透射波束赋形增益。

表1  阵列增益性能

其次，根据在发射端天线前面是否放置大理石作为遮挡物，以及是否部署透射式RIS，测量透射式RIS的抗遮挡能力，实测结果如表2所示。当无遮挡、无RIS时，传输速率约为1024 Mbps。当有遮挡物、无RIS时，传输速率为0 Mbps，通信链路被完全遮挡。当有遮挡物、有RIS时，传输速率为1683 Mbps，通信链路被恢复。可见，透射式RIS提供的波束赋形增益要高于遮挡物对信号的衰减，因而可有效地克服遮挡，改善通信环境，提升信号覆盖质量。

表2  克服遮挡能力

总结

该工作研制了2-bit相位调控的256单元毫米波透射式RIS，基于此搭建了透射式RIS辅助的毫米波通信原型机，实际测试验证了透射式RIS可显著提高无线通信系统的抗遮挡能力，提升无线信号的覆盖效果，说明了透射式RIS在未来6G无线通信中具有一定的应用前景。该工作由清华大学电子工程系微波与天线研究所的博士生唐隽文、许慎恒副研究员、杨帆教授、李懋坤副教授与通信研究所硕士生崔铭尧、戴凌龙教授合作完成。

审核编辑：黄飞