智能超表面：助力5G-A无线网络可持续高效演进

        5G网络已经广泛支持高速率、大带宽的应用。预期未来十年通信网络容量将呈千倍增长，无处不在的无线连接将成为现实。但高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线网络面临的关键问题，亟需探索新技术、新工艺、新材料。在候选新技术中，智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）以其独特的可重构、低成本、低能耗和易部署的特点脱颖而出。

        早期的静态超表面在设计完成之后，其电磁波响应及电磁功能就被固化了，无法调整，我们称之为RIS 1.0阶段。因其不支持按需动态调整，应用场景有限，仅适用于技术验证，实际很难进行商用部署。中兴通讯率先研发了动态RIS产品，将RIS技术演进至2.0阶段，并推出了业界首创的5G基站和动态RIS协同波束赋形算法，实现了毫米级的波束动态切换，使得RIS覆盖范围大大提升，并可保证用户移动场景的无缝连接，为RIS这项6G关键技术在5G阶段率先商用打下坚实的技术基础。

多频段多形态适应不同应用场景

        为了实现RIS的动态可调，需要在超表面上集成有源器件（如PIN二极管、变容二极管等）或可调节材料（如液晶），通过改变外部激励，固定物理结构的超表面可以呈现可重构的电磁特性。基于不同材料的特性，中兴通讯研制出了多种形态的RIS，适配不用的应用场景。

        对于毫米波RIS，控制系统采用PIN二极管，通过对PIN管施加不同的偏置电压控制电磁单元的状态，从而实现入射电磁波相位的改变。通过对不同电磁单元的独立控制，叠加所有单元的相位调整的效果，最终实现精准的波束赋形。中兴通讯的毫米波动态RIS包含超过16000个电磁单元，可形成超窄的反射波束，单点RSRP增益超过30dB。此外，在控制精度上，中兴通讯实现了领先业界的2bit双极化控制，相比业界通常采用的1bit方案，覆盖增益可提升3dB。PIN管具备器件成熟度高、插损低、切换速度快（纳秒级）等优势，但也有成本和功耗较高的问题。为此中兴通讯也在积极探索其他的控制材料，如液晶材料。液晶材料具有连续调相（控制精度更高）、更低成本和更低功耗的优势，但对环境要求较高，目前认为适合在室内使用。此外，在透射场景，中兴通讯还研制出了透明透射RIS，通过在玻璃/PC等透明基材上叠加铜网格，在实现电磁波聚焦透射的同时，可实现超高的透光率，非常适合部署在建筑物玻璃表面和高铁窗户表面。

智能波束协同算法实现覆盖灵活重构

        在硬件基础上，真正实现超表面智能化控制电磁波还依赖于精心设计的波束赋形算法。RIS依赖超窄波束实现了超高增益，但超窄波束带来的问题是覆盖范围很小，当UE移动时，很容易离开RIS的覆盖范围。这就要求RIS支持波束扫描实现UE的动态跟踪和更大区域的覆盖。中兴通讯在业界首家实现了基站RIS协同波束赋形算法。该算法通过基站指示RIS实现波束时分扫描/切换的方式，扩大RIS的覆盖范围以及达到UE波束跟踪的效果（见图1）。此外，该算法基于5G口空协议框架，支持5G商用终端，为RIS这项6G技术在5G阶段提前商用打下了坚实的技术基础。

RIS的典型应用场景

        RIS由于其灵活控制电磁波的特性，将在5G-A以及6G阶段具备广泛的应用场景。在5G-A阶段，RIS可应用于室外覆盖补盲、边缘覆盖增强、热点多流增速、室外覆盖室内、车厢覆盖增强等，此外RIS帮助毫米波实现密集城区连续覆盖，使得毫米波业务从FWA到移动业务，充分发挥毫米波大带宽的潜力。在6G阶段，随着太赫兹等更高频段的引入，RIS可帮助高频覆盖提升。此外，依赖RIS在非视距环境中建立虚拟视距链路的能力，以及RIS的超大规模天线阵列可实现更高的定位精度，助力通感融合业务的引入。

推动商用进程

        自2021年以来，中兴通讯联合运营商伙伴进行了丰富的原型验证，探索智能超表面在多个频段多种场景下对覆盖和业务提升的可行性，积极推动其商用进程。

        2022年8月，中兴通讯联合中国移动研究院完成业界首个动态智能超表面技术原型验证。验证结果表明，5G基站和动态RIS协同波束赋形技术不仅可大幅提升基站覆盖范围，还可支持移动场景下的用户无缝连接，为智能超表面未来商用奠定了重要的技术基础。

        此外，早在2021年，中兴通讯联合中国电信完成业界首个5G高频外场智能超表面技术验证；携手中国联通完成全球首个5G中频网络外场下的智能超表面技术验证；联合中国移动北京公司发布了业界首个2.6GHz商用网络下RIS级联技术原型验证。

        尽管目前对RIS在技术研究、工程应用和原型验证方面取得了巨大的进展，但是作为一项前沿技术，RIS仍然面临很多方面的技术挑战。例如成本和功耗更低的新材料的研究，简易部署方案的研究，不同运营商RIS间干扰问题的研究，RIS管理、运维等方面的研究等。中兴通讯将持续进行上述问题的研究，联合产学研共同推进RIS的技术发展和商用进程。