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双提升
发布时间：2026-08-03 10:37:00
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
第六代移动通信系统对频谱效率和覆盖能力的要求远超当前技术体系所能支撑的极限，超大规模天线阵列和智能超表面作为两种关键的物理层使能技术，分别从增加空间自由度和调控电磁传播环境的角度提供了突破路径。超大规模天线阵列通过在基站侧部署远超现有规模的天线单元，将空间分辨率提升至新的量级，能够在相同的时频资源上同时服务更多用户，并通过极窄的波束将能量精确聚焦于目标方向。智能超表面则是一种由大量可调电磁单元构成的平面结构，每个单元能够独立调整入射电磁波的相位和幅度，从而对传播环境进行主动重构。两者的协同并非各自能力的简单叠加，而是形成了从信号生成到传播调控的完整链路，超大规模阵列负责高精度波束成形，智能超表面则解决复杂环境中信号遮挡和覆盖空洞的问题，两者在系统层面实现功能互补。
超大规模天线阵列的波束成形能力依赖于对信道状态信息的精确获取，在阵列规模大幅扩展后，信道矩阵的维度急剧增长，传统基于导频的信道估计方法面临反馈开销和计算复杂度的双重压力。系统采用角度域稀疏表示来降低信道估计的维度，利用毫米波和太赫兹频段信道的角度稀疏特性，将信道估计从天线域转换至角度域，大幅减少需要估计的参数数量。在波束扫描过程中，超大规模阵列产生的极窄波束需要对目标方向进行精细对准，任何对准偏差都会导致显著的增益损失。系统引入分层波束训练架构，先通过宽波束进行粗扫定位目标大致方向，再在锁定区域内使用窄波束进行精扫，这种分层策略在保证对准精度的同时缩短了波束训练时间。波束追踪机制在终端移动时持续更新波束指向，利用卡尔曼滤波或粒子滤波预测下一时刻的最优波束方向，减少周期性全空间扫描所需的开销。
智能超表面的引入改变了传统无线通信中传播环境被视为不可控外部条件的固有认知。超表面单元阵列通过控制每个单元的反射系数，能够将来自基站的入射信号重新定向至目标区域，或在障碍物边缘建立绕射路径，有效消除覆盖盲区。在超大规模阵列与智能超表面协同的场景中，基站发射的极窄波束并非直达终端，而是先入射至智能超表面，由超表面完成波束方向的二次调控后反射至终端。这种级联链路结构意味着系统需要同时优化基站波束方向和超表面的反射相位分布，两者构成一个联合赋形问题。由于超表面本身不具备信号处理能力，其相位配置由基站通过低速控制链路下发，控制命令包含每个超表面单元的相位状态指示。联合优化的目标是在基站发射功率约束和超表面相位离散取值约束下，最大化终端接收信号功率或最小化干扰泄漏。
频谱效率的提升在协同架构中体现为空间复用增益和干扰抑制能力的双重增强。超大规模阵列的极窄波束在空间上实现了用户信号的高度隔离，使得同一时频资源可被多个用户复用。然而在实际部署中，基站与用户之间的直射路径可能被建筑物遮挡，此时单一依靠基站阵列形成的波束无法有效到达用户，系统吞吐量受到严重制约。智能超表面部署在遮挡区域附近，通过重构反射路径将基站信号引导至被遮挡用户，使原本无法获得服务的用户重新接入系统。在用户密集区域，多个超表面协同工作，每个超表面服务特定的用户集群，基站阵列则将不同用户的信号波束指向不同的超表面。这种基站-超表面-用户的三段式传输架构将空间复用的维度从基站侧延伸至整个传播环境，突破了传统多天线系统受限于基站周围散射条件的瓶颈。
覆盖能力的提升是协同架构的另一核心贡献，尤其针对高频段通信的覆盖脆弱性问题。在毫米波和太赫兹频段，电磁波的绕射能力弱，穿透损耗大，建筑物的遮挡会形成明显的阴影区域。智能超表面通过密集部署在城市街区和室内环境，构建分布式的反射网络，使信号能够绕过障碍物到达传统覆盖盲区。超大规模阵列的极窄波束在这一过程中解决了智能超表面激励功率不足的问题，阵列增益保证了入射至超表面的信号具有足够的功率水平，使超表面反射后的信号仍能满足终端接收灵敏度要求。在覆盖增强的具体实现中，系统需要确定超表面的最佳部署位置和反射方向，这涉及对目标区域的三维建模和射线追踪计算。部署方案根据建筑结构和预计用户分布预先规划，运行期间根据实际测量数据调整超表面相位配置，以应对临时遮挡或用户位置变化。
协同系统的工程实现面临多个层面的挑战。超大规模阵列的硬件复杂度和功耗随天线数量线性增长，系统采用混合波束成形架构，将信号处理分为数字域基带预编码和模拟域射频移相两部分，减少射频链路数量以控制成本和功耗。智能超表面的单元调控需要低功耗和高响应速度的可调器件，当前技术路线包括基于变容二极管、微机电系统或液晶材料的可调单元，不同方案在调控速度、相位分辨率和插入损耗方面各具特点。基站与超表面之间的控制信令传输需要可靠的低时延链路，由于控制信息量较小，可利用Sub-6GHz频段作为独立承载通道，避免对主要数据传输频段造成资源竞争。在网络规划层面，超表面的引入使得网络覆盖的设计维度从纯粹的位置规划扩展至传播方向调控规划，运营商需要将超表面作为可配置的网络元素纳入规划工具链。
协同系统的整体性能增益通过系统级仿真和原型验证进行量化评估，评估场景需涵盖城市微蜂窝、室内热点和工业厂区等典型部署环境。仿真结果表明协同架构在覆盖概率和区域吞吐量两项核心指标上均有显著改善，其中覆盖概率在视距受阻场景中提升尤为明显。系统级优化的关键是建立基站波束赋形与超表面相位分布的联合求解框架，该框架需要处理基站阵列和超表面之间耦合约束，包括功率匹配约束和相位一致性约束。算法设计遵循分步迭代原则，首先固定超表面相位优化基站波束，再固定基站波束优化超表面相位，交替进行至收敛。这种交替优化方法避免了联合求解的高维搜索问题，在计算复杂度和优化性能之间取得了可行平衡。超大规模阵列与智能超表面的协同代表了无线通信从被动适应环境向主动控制环境的范式转换，这种转换不仅改变了链路预算的构成方式，也为解决高频段通信的覆盖瓶颈提供了实际可行的技术路径。
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