跨学科创新,中国移动联合崔铁军院士团队率先完成智能超表面技术试验

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智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces,简称RIS)是当前6G的研究热点技术之一。近日,中国移动联合东南大学崔铁军院士团队、杭州钱塘信息有限公司,率先在南京现网完成电磁单元器件可调、波束方向可灵活控制的智能超表面技术验证。

智能超表面典型应用场景示意图

初步测试结果表明,智能超表面可根据用户分布,灵活地调整无线环境中的信号波束,显著改善现网弱覆盖区域的信号强度、网络容量和用户速率。在室外测试场景下,小区边缘覆盖平均提升3~4 dB,边缘用户吞吐量提升约10倍以上;在室外覆盖室内测试场景下,室内覆盖提升约10 dB,用户吞吐量提升至2倍左右。

智能超表面测试现场

智能超表面是信息超材料在移动通信领域的重要应用,其基本原理是通过数字编程的方式控制超材料的电磁特性,改变普通墙面对空间电磁波的漫反射,实现对空间电磁波的智能调控与波束赋形,并且具有低功耗、低成本等特点,有望成为未来移动通信网络的重要基础设施。

智能超表面(RIS)技术原理

东南大学崔铁军院士是信息超材料领域的创始人,从2004年开始研究电磁超材料,在超材料的创新机理、理论和方法上实现了业内领先。2014年,崔铁军院士团队业界率先实现了智能超表面的硬件系统,为推动信息超材料的应用开创了先河。

中国移动和崔铁军院士团队在信息超材料领域深度合作,共同探究信息超材料的电磁传播特性,在IMT-2030(6G)推进组和未来移动通信论坛(Future Forum)联合牵头相关项目,探索智能超表面的两大应用方向,包括智能反射面和超材料基站。针对技术及产业成熟度相对较高的智能反射面,中国移动结合网络运营经验提出了三阶段的发展思路。第一阶段实现无源静态反射面,可快速部署并满足弱覆盖场景中扩展网络覆盖和补盲的需求;第二阶段实现半静态可控反射面,通过器件单元调控实现波束选择,扩展超表面波束覆盖范围、提升小区容量和速率;第三阶段实现动态智能反射面,通过编码算法动态跟踪用户位置、匹配信道环境,从而实现6G的电磁波传播智能调控。其中,前两个阶段产品经技术验证成熟后有望在5G网络部分场景进行部署。

前期试验测试结果初步验证了智能超表面的可行性,但距离标准化和实际工程应用仍面临四方面挑战。一是基础理论不完善,智能超表面的反射和透射特性有待明确,信道传输模型不完善,缺少在实际传输环境下的建模;二是关键技术亟需突破,同频和邻频干扰特性、运营商之间干扰协调、波束赋形和信道估计算法等有待研究和标准化;三是器件成熟度和可靠性较低,目前业界的智能超表面为原型样机,可调角度受限、器件调控速率不高,单元结构数量庞大且难以快速定位和识别单元故障;四是应用部署受限,智能超表面尺寸和面积较大,有源及有线控制都会限制其应用场景,需进一步优化工程设计,提升部署灵活度。

针对上述挑战,中国移动自2019年开始着力智能超表面的基础理论和关键技术研究,针对智能超表面的电磁调控特性与信道模型、基站与智能反射面的联合波束赋形与信道估计算法、智能反射面无线控制等提出了系列解决方案,并积极开展智能超表面的硬件架构攻关。后续,将联合崔铁军院士团队继续完善智能超表面的系统方案设计,面向更丰富的部署场景以及更高频段开展更全面的技术试验,推动智能超表面技术及早在移动通信网络中应用。

崔铁军院士表示,信息超材料开创了超材料新方向,其最大特征是在超材料物理空间上构建了数字空间,将物理特征调控和信息调控统一起来,目前,信息超材料已在新架构无线通信和微波成像获得应用,未来在新一代电子信息系统仍将发挥重要作用。我们期待与中国移动齐心协力推动这项技术从理论走向应用。

中国移动研究院副院长黄宇红表示,中国移动高度重视应用基础研究,积极发挥央企作为创新主体的作用,持续加强科研投入力度,不断深化与学术界、产业界的合作。这次技术试验的成功,是研究院前期与崔院士密切合作的重要成果,后续将依托东南大学-中国移动联合创新中心,携手更多产业伙伴,深度攻关解决信息超材料理论、关键技术及工程化问题,牵引信息超材料技术的创新和应用,携手共创“万物智联,数字孪生”的美好6G未来。


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