潘存華智能反射表面技術(shù)講座演講人：日期:01技術(shù)概述02物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)03信道建模方法04波束賦形算法05典型應(yīng)用場(chǎng)景06實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)目錄CATALOGUE技術(shù)概述01PART智能反射表面基本定義智能反射表面（IRS）是由大量亞波長(zhǎng)尺寸的可編程電磁單元組成的二維人工結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)控單元電磁特性實(shí)現(xiàn)入射波束的相位/幅度重構(gòu)。電磁波調(diào)控人工結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)中繼器，IRS以無(wú)源方式重構(gòu)無(wú)線信道，通過(guò)智能反射而非信號(hào)放大來(lái)增強(qiáng)覆蓋，典型單元包含PIN二極管、變?nèi)荻O管等可調(diào)元件。環(huán)境交互式通信中繼其核心特征在于軟件可編程性，基站通過(guò)控制信號(hào)動(dòng)態(tài)配置表面阻抗分布，實(shí)現(xiàn)波束賦形、異常折射等復(fù)雜電磁調(diào)控功能。軟件定義電磁環(huán)境03核心工作原理簡(jiǎn)述02實(shí)時(shí)信道匹配算法基站通過(guò)信道估計(jì)獲取用戶位置信息，利用凸優(yōu)化或深度學(xué)習(xí)算法計(jì)算最優(yōu)相位矩陣，最小化多徑干擾并最大化接收信噪比。聯(lián)合波束賦形技術(shù)與MIMO系統(tǒng)協(xié)同工作時(shí)，需聯(lián)合優(yōu)化基站主動(dòng)波束和IRS被動(dòng)波束，解決耦合信道狀態(tài)信息獲取與預(yù)編碼設(shè)計(jì)難題。01相位梯度超表面原理基于廣義斯涅爾定律，通過(guò)設(shè)計(jì)相鄰單元間相位突變構(gòu)建等效波前，實(shí)現(xiàn)入射波的任意角度反射或異常波束偏折。第一階段（2012-2016）第二階段（2017-2019）第三階段（2020至今）技術(shù)演進(jìn)歷程基于靜態(tài)超材料的電磁調(diào)控，代表成果為哈佛大學(xué)Capasso團(tuán)隊(duì)研發(fā)的平面光學(xué)器件，尚不具備實(shí)時(shí)可調(diào)能力?？芍貥?gòu)超表面突破，如清華大學(xué)崔鐵軍團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)1-bit數(shù)字編碼超表面，響應(yīng)速度達(dá)毫秒級(jí)，支持簡(jiǎn)單波束操控。智能反射面系統(tǒng)集成，華為6G研究團(tuán)隊(duì)完成256單元IRS原型驗(yàn)證，支持多用戶動(dòng)態(tài)追蹤和三維波束賦形，頻譜效率提升8倍。物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)02PART單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案02

03

機(jī)械可調(diào)諧結(jié)構(gòu)01

可重構(gòu)超表面設(shè)計(jì)采用MEMS驅(qū)動(dòng)或液晶材料填充方案，通過(guò)物理形變或介電常數(shù)變化調(diào)整單元諧振頻率，適用于高頻段低損耗場(chǎng)景。半導(dǎo)體集成調(diào)控模塊嵌入PIN二極管或變?nèi)荻O管等主動(dòng)元件，結(jié)合偏置電路實(shí)現(xiàn)單元反射特性的實(shí)時(shí)電控切換，提升響應(yīng)速度與能效比。通過(guò)微納加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度單元結(jié)構(gòu)，支持動(dòng)態(tài)調(diào)控電磁波相位、振幅及極化特性，覆蓋微波至太赫茲頻段。陣列布局優(yōu)化策略非均勻陣列排布基于遺傳算法或梯度下降法優(yōu)化單元間距與排布方式，抑制柵瓣效應(yīng)并提升波束成形精度，適用于多用戶通信場(chǎng)景。子陣列分區(qū)控制針對(duì)復(fù)雜載體表面（如無(wú)人機(jī)機(jī)翼），采用共形陣列布局算法，確保電磁波反射方向與目標(biāo)區(qū)域精準(zhǔn)匹配。將大規(guī)模陣列劃分為獨(dú)立可控的子區(qū)塊，通過(guò)稀疏化設(shè)計(jì)降低硬件復(fù)雜度，同時(shí)保持波束掃描的靈活性與覆蓋范圍。共形曲面適配技術(shù)封裝與集成技術(shù)通過(guò)LTCC或硅基工藝實(shí)現(xiàn)射頻饋電網(wǎng)絡(luò)與調(diào)控電路的垂直集成，減少互連損耗并提高系統(tǒng)集成度。多層堆疊封裝采用氮化硅或聚酰亞胺材料封裝單元結(jié)構(gòu)，抵御濕度、溫度及機(jī)械應(yīng)力影響，確保戶外長(zhǎng)期穩(wěn)定性。環(huán)境防護(hù)涂層集成微型熱管或石墨烯散熱層，解決高密度陣列的局部過(guò)熱問(wèn)題，保障連續(xù)工作可靠性。熱管理方案信道建模方法03PART無(wú)線傳輸模型構(gòu)建多徑效應(yīng)建?；陔姶挪ǚ瓷?、衍射和散射特性，構(gòu)建包含直射徑、多徑分量的信道沖激響應(yīng)模型，量化時(shí)延擴(kuò)展與多普勒頻移對(duì)信號(hào)的影響。01空域相關(guān)性分析通過(guò)天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)與空間角度分布，建立信道矩陣的空域相關(guān)性模型，優(yōu)化大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的波束成形設(shè)計(jì)。02動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性針對(duì)移動(dòng)場(chǎng)景（如車輛、無(wú)人機(jī)通信），引入時(shí)變參數(shù)與馬爾可夫鏈模型，實(shí)時(shí)更新信道狀態(tài)信息以支持動(dòng)態(tài)資源分配。03路徑損耗分析框架頻段依賴性建模針對(duì)毫米波、太赫茲等高頻段通信，引入頻率相關(guān)的路徑損耗指數(shù)，反映不同頻段下大氣吸收與雨衰的影響。03智能反射面輔助損耗優(yōu)化通過(guò)部署可編程超表面，動(dòng)態(tài)調(diào)整反射波相位與幅度，重構(gòu)信號(hào)傳播路徑以降低路徑損耗并擴(kuò)展覆蓋范圍。0201自由空間與陰影衰落結(jié)合Friis傳輸公式與對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型，分別計(jì)算自由空間路徑損耗和由障礙物遮擋引起的陰影衰落效應(yīng)。信道互易性校準(zhǔn)硬件失衡補(bǔ)償針對(duì)收發(fā)鏈路中放大器、混頻器等器件的幅相誤差，設(shè)計(jì)閉環(huán)校準(zhǔn)算法，消除TDD系統(tǒng)因硬件不對(duì)稱導(dǎo)致的互易性偏差。環(huán)境擾動(dòng)抑制利用卡爾曼濾波或深度學(xué)習(xí)模型，跟蹤環(huán)境變化（如溫度、濕度）對(duì)信道互易性的影響，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差修正。雙向信道估計(jì)基于導(dǎo)頻信號(hào)的雙向傳輸，聯(lián)合估計(jì)上下行信道響應(yīng)，通過(guò)最小二乘或壓縮感知方法提升互易性校準(zhǔn)精度。波束賦形算法04PART相位調(diào)控優(yōu)化算法遺傳算法輔助相位搜索利用遺傳算法的全局搜索能力，解決高維相位空間優(yōu)化問(wèn)題，特別適用于多徑復(fù)雜場(chǎng)景下的波束賦形需求。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)相位控制結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架，實(shí)現(xiàn)智能反射表面相位參數(shù)的自主決策，適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線傳播環(huán)境?；谔荻认陆档南辔粌?yōu)化通過(guò)迭代計(jì)算相位梯度，逐步調(diào)整反射單元相位，實(shí)現(xiàn)信號(hào)聚焦精度的提升，適用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信道環(huán)境。多用戶干擾抑制干擾對(duì)齊與信號(hào)分離利用智能反射表面的空間自由度，將多用戶干擾信號(hào)對(duì)齊至特定維度，同時(shí)增強(qiáng)目標(biāo)用戶信號(hào)強(qiáng)度。03聯(lián)合優(yōu)化基站預(yù)編碼矩陣與反射表面相位，最小化多用戶接收信號(hào)間的均方誤差，提升系統(tǒng)總?cè)萘俊?2加權(quán)最小均方誤差預(yù)編碼空域零陷生成技術(shù)通過(guò)精確控制反射單元相位分布，在干擾用戶方向形成輻射波束零陷，有效降低共信道用戶間干擾。01實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制邊緣計(jì)算輔助決策信道狀態(tài)感知反饋系統(tǒng)前向預(yù)測(cè)模塊預(yù)判信道變化趨勢(shì)，校正模塊基于實(shí)時(shí)測(cè)量進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)亞秒級(jí)動(dòng)態(tài)跟蹤性能。部署分布式信道探測(cè)參考信號(hào)，建立毫秒級(jí)信道狀態(tài)信息反饋鏈路，支撐反射單元參數(shù)的快速刷新。在基站側(cè)部署輕量化邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，就近處理反射表面控制參數(shù)計(jì)算任務(wù)，滿足低時(shí)延調(diào)整需求。123預(yù)測(cè)-校正雙環(huán)控制架構(gòu)典型應(yīng)用場(chǎng)景05PART復(fù)雜建筑信號(hào)優(yōu)化通過(guò)智能反射表面（IRS）動(dòng)態(tài)調(diào)整電磁波傳播路徑，有效解決高層建筑、地下空間等復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)盲區(qū)問(wèn)題，提升室內(nèi)5G/6G網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量。多用戶干擾抑制利用IRS的波束賦形能力，在商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等高密度場(chǎng)景中精準(zhǔn)分配信號(hào)資源，降低多用戶間同頻干擾，實(shí)現(xiàn)吞吐量提升30%以上。能耗協(xié)同管理結(jié)合基站休眠策略，IRS可替代傳統(tǒng)中繼設(shè)備進(jìn)行信號(hào)接力，減少有源設(shè)備部署數(shù)量，典型場(chǎng)景下能耗降低45%且覆蓋半徑擴(kuò)展2倍。室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)方案毫米波通信擴(kuò)展動(dòng)態(tài)波束跟蹤在車聯(lián)網(wǎng)V2X場(chǎng)景中，IRS可實(shí)時(shí)追蹤高速移動(dòng)終端（時(shí)速120km/h），保持波束對(duì)準(zhǔn)誤差小于3度，確保毫米波通信的連續(xù)穩(wěn)定性。多跳中繼組網(wǎng)通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)IRS節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無(wú)源中繼網(wǎng)絡(luò)，突破毫米波非視距傳輸限制，在智慧工廠中實(shí)現(xiàn)設(shè)備間微秒級(jí)時(shí)延的可靠連接。高頻段路徑損耗補(bǔ)償針對(duì)毫米波28GHz/60GHz頻段傳播損耗大的特性，IRS通過(guò)相控陣單元重構(gòu)入射波前向性，實(shí)現(xiàn)500米距離內(nèi)鏈路預(yù)算提升18dB。應(yīng)急通信部署采用無(wú)人機(jī)搭載可折疊IRS面板，在72小時(shí)內(nèi)構(gòu)建臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，支持災(zāi)區(qū)5km2范圍內(nèi)同時(shí)接入2000個(gè)終端，滿足語(yǔ)音/視頻傳輸需求?？焖贋?zāi)后網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)IRS可兼容4G/5G/WiFi等多種制式，在電力中斷場(chǎng)景下通過(guò)太陽(yáng)能供電維持72小時(shí)不間斷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮系統(tǒng)的多制式冗余備份。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合針對(duì)山體滑坡等地形變化場(chǎng)景，IRS通過(guò)邊緣計(jì)算實(shí)時(shí)優(yōu)化反射參數(shù)，在30秒內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥灾貥?gòu)，保證救援通信鏈路99.9%可用性。動(dòng)態(tài)拓?fù)溥m配010203實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)06PART原型系統(tǒng)架構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)采用分層模塊化架構(gòu)，包括射頻前端、相位控制單元、基帶處理模塊和上位機(jī)交互界面，確保系統(tǒng)可擴(kuò)展性與靈活性。硬件集成方案基于FPGA和高速DAC實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波束成形，集成高精度移相器與天線陣列，支持動(dòng)態(tài)反射參數(shù)配置。軟件控制框架開(kāi)發(fā)多線程控制算法，實(shí)現(xiàn)反射單元相位、幅度及極化狀態(tài)的協(xié)同優(yōu)化，并通過(guò)API接口與外部系統(tǒng)交互。性能測(cè)試指標(biāo)反射效率通過(guò)測(cè)量入射波與反射波的能量比，評(píng)估表面材料損耗及相位調(diào)制精度，典型值需達(dá)到85%以上。時(shí)延特性量化信號(hào)從入射到反射的端到端時(shí)延，確保滿足實(shí)時(shí)通信需求，目標(biāo)時(shí)延控制在微秒級(jí)以內(nèi)。多頻段兼容性驗(yàn)證系統(tǒng)在Sub-6GHz、毫米波等頻段的適應(yīng)性，包括帶寬支持范圍與頻率