基于NI USRP搭建的有源RIS原型驗證平臺

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、研制了有源智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS），并基于NI的USRP進行了實測驗證，可實現(xiàn)對入射信號高達25dB的放大，提高接收信號功率10dB以上，有效克服無源RIS“乘性衰落”效應(yīng)。

在剛剛落幕的第十一屆中國國際通信大會（ICCC 2022）上，NI與清華大學(xué)聯(lián)合展示了該項技術(shù)。請跟隨小編一起詳細了解一下。

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智能超表面：6G無線傳輸潛在關(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，從而有望起到增強無線信號覆蓋、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通常是無源RIS。無源RIS能夠?qū)θ肷湫盘栠M行被動反射和移相，從而使得多路反射信號在接收機處同相疊加，以提高用戶接收信號功率。

盡管理論上RIS技術(shù)能夠帶來與表面單元數(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)射機到RIS和RIS到用戶這兩段子鏈路路徑損耗的乘積?！俺诵运ヂ洹毙?yīng)將嚴重“吃掉”RIS帶來的陣列增益，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)團隊提出了有源RIS及其對應(yīng)的信號模型和系統(tǒng)設(shè)計方法［1］。

無源RIS和有源RIS的對比，可以總結(jié)為：

無源RIS：被動反射信號，受“乘性衰落”限制，典型場景下難以獲得明顯增益

有源RIS：放大反射信號，克服“乘性衰落”，可獲得明顯增益

圖2.無源RIS（左）和有源RIS（右）

與現(xiàn)有的無源RIS只能被動地反射信號而不能對其進行放大不同，有源RIS通過在每個（或者部分）RIS單元上額外集成反射式功放，在對反射信號進行調(diào)控的同時，還能對其進行高增益的放大（見圖2），從而能夠補償乘性衰落帶來的路損，有效克服“乘性衰落效應(yīng)”［1］。目前，已有相關(guān)文獻分別表明，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的信號模型及驗證

對于有源RIS，由于其額外引入了反射式功放，故其信號模型與無源RIS也明顯不同。具體而言，不同于無源RIS被動地反射信號時熱噪聲可以忽略不計，有源RIS在放大被反射信號的同時，也將額外引入并放大不可忽略的熱噪聲。

為此，清華大學(xué)團隊提出了有源RIS的信號模型。進一步，為驗證該信號模型的正確性，研制了一個工作于現(xiàn)有5G主流頻段3.5GHz的64單元有源RIS，并搭建了模型測試平臺（見圖3），通過實測數(shù)據(jù)對信號模型進行回歸分析和驗證。

圖3.有源RIS信號模型的測試平臺

測試結(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，實現(xiàn)對入射信號進行高達25dB的進一步放大。同時，有源RIS也在一定程度上額外引入和放大了熱噪聲，這驗證了所提出有源RIS信號模型的正確性。

基于NI USRP搭建的有源RIS原型驗證平臺

為進一步深入驗證有源RIS在實際通信系統(tǒng)中的性能，基于NI的USRP產(chǎn)品，清華大學(xué)團隊搭建了有源RIS輔助的無線通信原型驗證平臺（見圖4）。

圖4.有源RIS輔助的無線通信系統(tǒng)原型驗證

所搭建原型驗證平臺的實測結(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，能夠提高接收信號功率約10dB以上，實現(xiàn)了顯著的接收功率提升，有望在未來6G系統(tǒng)中得到應(yīng)用。