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智能超表面（RIS）是一项跨学科基础性创新技术，它具有可编程的人工电磁表面结构，具有低成本、低功耗和易部署的优势，应用场景包括无线网络覆盖扩展、无线系统容量提升、感知定位、高铁车厢内覆盖等，具有广阔的技术发展前景和工程应用前景。近年来，信息超材料技术取得了一些重要突破，基于智能超表面的通信得到学术界和工业界的广泛关注，有望成为未来6G空口的原创性基础技术。本书从信息超材料的特性、多天线通信技术基础、智能超表面中继技术、智能超表面中继的性能仿真评估、初步外场测试验证和分阶段的技术推进等方面对智能超表面技术进行了较为深入、全面的介绍。本书适合移动通信系统广大研发人员、信息超材料领域的研究人员，以及高校相关专业的老师和研究生阅读与参考。

第1章  背景介绍  / 1
1.1  前几代移动通信的演进  / 1
1.2  6G的相关应用场景和关键性能指标  / 5
1.2.1  相关应用场景  / 5
1.2.2  关键性能指标  / 9
1.3  信息超材料的发展简介  / 16
1.4  LTE中继的基本特性  / 20
1.5  本书的目的和篇章结构  / 25
本章参考文献  / 26
第2章  信息超材料的特性  / 27
2.1  基本结构与设计原理  / 27
2.1.1  常用器件/材料类型  / 27
2.1.2  基本结构  / 35
2.1.3  设计原理  / 39
2.2  超材料器件仿真和实际性能验证  / 52
2.2.1  电磁特性仿真  / 52
2.2.2  器件实际性能验证  / 65
2.3  RIS器件的控制  / 69
2.3.1  器件的非理想特性  / 69
2.3.2  器件控制方式和算法  / 70
本章参考文献  / 75
第3章  多天线通信技术基础  / 77
3.1  单用户空间复用  / 77
3.1.1  开环空间复用  / 78
3.1.2  闭环空间复用  / 86
3.2  多用户空间复用  / 90
3.2.1  最优方式  / 90
3.2.2  退化形式  / 95
3.3  空间信道模型与有源天线模型  / 97
3.3.1  空间信道模型  / 97
3.3.2  有源天线模型  / 106
本章参考文献  / 112
第4章  智能超表面中继技术  / 114
4.1  智能超表面中继的系统模型与理论性能分析  / 114
4.1.1  系统模型  / 115
4.1.2  理论性能分析  / 119
4.1.3  简化模型与性能分析  / 125
4.2  波束赋形技术  / 130
4.2.1  基于波束反馈  / 130
4.2.2  基于随机采样  / 140
4.3  小尺度信道估计与反馈  / 145
本章参考文献  / 148
第5章  智能超表面中继的性能仿真评估  / 149
5.1  链路级仿真  / 149
5.1.1  信道模型  / 149
5.1.2  仿真参数和方法  / 151
5.1.3  初步仿真结果  / 153
5.2  系统仿真评估方法  / 157
5.2.1  信道模型与天线单元振子模型  / 157
5.2.2  系统配置与仿真参数假设  / 160
5.3  系统仿真初步结果  / 165
5.4  本章小结  / 173
本章参考文献  / 174
第6章  初步外场测试验证  / 175
6.1  南京测试场景与参数设置  / 175
6.1.1  塔下阴影  / 177
6.1.2  室外覆盖室内  / 179
6.1.3  RIS部署位置  / 181
6.1.4  室外遍历  / 182
6.2  南京测试结果  / 184
6.2.1  塔下阴影测试结果  / 184
6.2.2  室外覆盖室内测试结果  / 186
6.2.3  RSRP位置测试结果  / 187
6.2.4  室外遍历测试结果  / 191
6.3  深圳测试场景与参数设置  / 195
6.3.1  信号增强场景  / 197
6.3.2  外场干扰场景  / 200
6.4  深圳测试结果  / 202
6.4.1  信号增强场景测试结果  / 202
6.4.2  外场干扰场景测试结果  / 213
本章参考文献  / 219
第7章  分阶段的技术推进  / 220
7.1 “三步走”的推进  / 220
7.2  3GPP Rel-18网络控制的直放站  / 222
7.2.1  基本特性  / 222
7.2.2  网络控制的直放站与智能超表面中继的异同  / 230
7.3  未来的研究与标准化  / 235
本章参考文献  / 242
附录A  缩略语表  / 243

序

电磁超材料科学与技术的发展、研究已有几十年的历史，虽然研究人员发现了很多新的物理现象，产生了很多新技术，但大多数以科学研究为主。近年来，随着数字编码和可编程超材料、信息超材料的出现，超材料研究走向数字化和信息化，成为智能超表面（RIS），日渐显现其性能和在移动通信领域中应用的巨大潜力。通过对RIS单元的相位、幅度和极化方向等物理参数进行数字调控，RIS可以主动改善无线信道的传播环境，提高系统容量和覆盖面。RIS与多天线技术密不可分，作为一种动态可编程反射面，RIS能够大幅降低器件功耗和成本，有利于大规模灵活部署。移动通信从3G到4G，再到5G，其系统频谱效率的提升主要归功于多天线技术的突破，但是进一步增加有源天线数从功耗和成本的角度都是不可持续的，因此，近几年RIS技术成为学术界和工业界的一个研究热点，有望能继续担负多天线技术和系统的使命，以满足下一代移动通信系统对频谱效率、网络覆盖等关键性能指标的要求，并且在无线网络能耗降低方面发挥重要作用。
本书的作者团队来自中国移动，在RIS的方案研究、技术标准化和工程实践上已积累了丰富的经验，科研成果卓著，并且与高校和企业开展了广泛的合作，努力打造RIS技术产业，促使中国主导的RIS技术能够在未来移动网络中得到大规模的应用。本书首先从超表面材料、多天线技术基础、RIS中继技术、仿真性能分析、初步外场测试、未来研究和标准化等方面，对RIS技术进行了较为全面和系统的描述，随后分别从性能仿真和实际网络测试方面验证了RIS的应用潜力，最后提出了未来的研究方向和标准化策略。本书的整体篇章架构逻辑清晰，以信息超材料与多天线技术为基础，融合而成RIS技术，既有深入的理论分析，又结合实际网络的特征和限制条件，对学术界和工业界的相关研究都有很好的借鉴和启发作用。

中国科学院院士  催铁军
2023 年10 月

前    言
超材料技术始于20世纪60年代，最初主要用于雷达隐身。近几年超材料的发展有重大突破，尤其在民用领域，通过数字编程的可调器件，改变超表面天线单元的电磁特性，实现对空间电磁波传输特性的改变，具有重塑电磁波传播环境的能力。与传统中继或直放站相比，智能超表面（RIS）不需要功率放大器、射频、馈线和基带处理电路等器件，具有低功耗、低成本、低噪声、易部署等优点，因此，智能超表面技术得到学术界和工业界的广泛关注，有望成为未来6G空口的原创性基础技术，以满足6G移动通信网络的系统频谱效率、功耗、覆盖等的关键性能指标要求。
智能超表面的概念于2014年由东南大学崔铁军院士团队首次提出，并在业界率先完成智能反射面的硬件实现。我国高校和科研机构在智能反射面领域的研究均具有一定的先发优势，并已取得了不少突破性成果。国内的许多企业、高校、研究机构等也都积极进行了产业布局。国家知识产权局提供的专利统计信息显示，在智能超表面领域中，我国专利申请量遥遥领先。国内外有较高影响力的IMT-2030、Future论坛、中国通信标准化协会（CCSA）、IEEE 通信协会（ComSoc）、欧洲电信标准化协会（ETSI）等纷纷成立智能超表面相关的研究  组，智能超表面技术联盟（RISTA）也于2022年成立，目前其成员单位已超过110家。
智能超表面是一项新型颠覆性技术，从总体上讲，对它的研究还很不完善，其标准化和实际工程应用仍面临诸多挑战。本书是作者根据近两年的研究探索和在3GPP的一些标准化经验，对智能超表面技术进行初步探讨。本书共7章，第1章为背景介绍，简要回顾了前几代移动通信的演进，并对6G相关场景和关键性能指标、信息超材料的发展和LTE中继的基本特性做了阐述。第2章为信息超材料的特性，从超材料的基本结构、常用器件/材料类型、设计原理、超材料器件仿真和实际性能验证、超材料器件的控制等方面对智能超表面硬件进行了描述。第3章为多天线通信技术基础，分别从单用户开环和闭环空间复用、多用户空间复用、空间信道模型与有源天线模型等方面介绍了智能超表面相关的天线基础知识。第4章为智能超表面中继技术，包括对智能超表面中继系统模型与理论性能分析、波束赋形技术，以及小尺度信道估计与反馈等。第5章为智能超表面中继的性能仿真评估，包含链路级仿真参数和初步仿真结果，系统仿真的信道模型、天线模型、系统配置、仿真参数，以及初步的系统仿真结果。第6章为初步外场测试验证，较为详细地描述了南京和深圳测试中的各种场景、参数设置和测试结果。第7章为分阶段技术的推进，重点介绍了智能超表面的“三步走”发展策略，3GPP Rel-18网络控制的直放站（NCR），以及未来的研究和标准化方向、重要时间点等。不同于一般的技术白皮书和综述性研究报告，本书在内容深度方面有一定的展开和聚焦，面向的读者包括无线通信工程技术人员，以及科研院校的师生。
本书中有些黑白印刷的测试图可能较难分辨各元素，因此，我们提供了部分彩色图的电子文件，可通过华信教育资源网（https: //www.hxedu.com.cn）下载。
本书由袁弋非、苏鑫、顾琪、李亚和张雁茗编著。在写作过程中，作者得到了中国移动研究院张同须、黄宇红、丁海煜、易芝玲、崔春风、王启星、金婧、王菡凝、孙艺玮等专家的大力支持和协助，以及北京邮电大学王亚峰老师团队、东南大学金石和程强老师团队、中国移动广东深圳分公司许乐飞等在系统级仿真、智能超表面算法/硬件设计、智能超表面外场测试方面的鼎力协作，在此表示衷心感谢。同时，感谢电子工业出版社编辑的专业精神和高效工作，使本书能尽早与读者见面。
本书基于作者的有限视角对智能超表面技术进行了初步梳理，写作时间较短，在技术点的阐述上可能存在不完善之处，观点也难免有欠周全。对书中叙述不当的地方，敬请读者谅解，并提出宝贵意见。

编著者   
2023年10月

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