超大规模MIMO与智能超表面波束反射协同及6G频谱效率与覆盖能力提升
发布时间：2026-07-23 10:37:00
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
第六代移动通信系统的频谱效率与覆盖能力提升依赖于超大规模天线阵列与智能超表面的协同工作。超大规模阵列在基站侧通过空间复用同时服务多个用户，每个用户获得独立的空间流，系统容量随天线数量增加而扩展。智能超表面部署在建筑物外墙上，对入射的基站波束进行相位重构，将反射波束指向被遮挡或处于小区边缘的用户。两种技术的协同在于阵列提供空间复用的基础自由度，超表面提供额外的传播路径以覆盖阵列波束无法直接到达的区域。空间自由度与反射路径的增加使系统在不增加发射功率的前提下提升接收信号质量，频谱效率在覆盖扩展后的区域中增长。协同方案的实际增益取决于超表面反射效率与阵列波束对准精度的匹配，失配部分的能量损耗降低系统整体性能。
超大规模阵列的空间复用能力由信道矩阵的秩决定，散射环境较丰富时信道矩阵趋于满秩。满秩矩阵的奇异值分解产生相互正交的特征模式，每个模式对应一个独立的数据流。阵列单元数量的增加使特征模式的数目增大，可供调度的空间流数量增加。在室外开阔场景中散射体较少，信道矩阵的秩不足，阵列的增加不能完全转化为空间复用增益。智能超表面在开阔场景中人为增加反射路径数量，使原来缺少散射的区域获得足够的空间自由度。超表面单元将基站信号反射至不同方向，在空间中产生额外的传播路径，等效于增加信道矩阵的秩。秩的提升量由超表面反射的方向数量与角度间隔决定，方向数量较多时信道矩阵的列相关性降低。
超表面的反射效率与单元相位控制精度影响反射波束的功率。单元结构的介质损耗与导体损耗将部分入射能量转换为热量，反射效率通常在百分之八十至九十之间。未反射的功率被超表面吸收或透射至背面，形成路径损耗。反射波束的方向由单元间的相位梯度控制，相位量化误差使波束指向偏离设计方向，偏离量导致用户接收功率下降。相位控制精度较高的超表面采用更多的相位状态，但单元控制电路的面积与功耗随之增加。单元数量的扩展在物理尺寸不变的情况下需要缩小单元间距，缩小后的间距在制造工艺上增加难度。超表面的反射效率与相位精度的联合优化使反射波束在指向精度与功率水平之间保持平衡。
阵列波束对准超表面的过程需要基站获取超表面的位置信息。超表面固定安装后，其位置与朝向通过测量或录入数据库的方式存储在网络规划数据中。基站的波束赋形算法根据超表面的位置坐标计算指向角，指向角的精度由位置测量误差与波束宽度共同决定。波束宽度较窄时指向角误差需要控制在较小的范围内，否则阵列波束的主瓣偏离超表面，入射功率下降。闭环对准机制通过超表面上的传感器检测入射功率并将检测值反馈至基站，基站根据反馈值调整波束指向。传感器的数量与位置影响反馈信息的空间分辨率，传感器数量较多时反馈信息更详细但增加超表面的硬件复杂度。
协同方案中的干扰管理需要同时考虑阵列波束与反射波束之间的交互。阵列波束直接指向用户时与反射波束在用户处叠加，叠加结果的幅度与相位取决于两段路径的长度差。路径长度差导致的相位差在频率变化时变化较快，宽带信号的叠加效果在不同频率上不同。相位差控制通过调整阵列波束的相位或超表面反射相位来实现，使两种分量在用户处同相相加。同相相加的条件需要精确的路径长度测量，测量误差导致相加不完全，部分能量相互抵消。干扰管理的另一个方面是超表面反射波束可能指向非目标用户方向，对该方向的用户造成干扰。波束指向调度将非目标用户安排在反射波束旁瓣位置，旁瓣增益较低的区域内干扰程度较轻。
协同系统的链路预算评估通过仿真与实测结合的方式进行。仿真平台构建包含阵列、超表面与用户的空间模型，计算各传播路径的功率与相位。实测在选定频段与场景下进行，测量接收信号强度与误差向量幅度。仿真与实测结果的差异主要由超表面单元的一致性偏差与阵列通道的幅相误差引起。链路预算的余量需覆盖这些误差的统计范围，余量较小时系统在极端误差条件下可能无法维持连接。误差的统计通过批量生产的器件测试获得，测试结果的分布用于设定链路预算的安全系数。从阵列复用到超表面反射再到干扰管理，超大规模天线阵列与智能超表面的协同正在将第六代移动通信系统的频谱效率与覆盖能力推向新的水平，这一推进依赖于阵列波束与反射波束在空间与相位两个维度上的精确配合。
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