协同双可重构智能超表面：室内无线覆盖增强的现场试验与信道建模

《IEEE Journal of Microwaves》：Cooperative Dual Reconfigurable Intelligent Surfaces: Indoor Field Trials of Wireless Coverage Enhancement

本文针对室内无线通信中的信号盲区问题，研究了基于协同双可重构智能超表面（RIS）的覆盖增强系统。研究人员设计了高效率1比特反射超表面，通过强化精英遗传算法（SEGA）优化相位编码，在L形走廊、窗边区域和多楼层场景中进行实地测试。结果表明，双RIS系统可实现平均26 dB的功率增益，较单RIS提升超过17 dB，并建立了与实测吻合的信道模型。该研究为未来6G网络中多RIS协同调控电磁环境提供了关键技术支撑。

　　

在5G大规模商用并向6G演进的时代，移动数据流量预计到2030年将达到每月5泽字节的惊人规模。然而，随着载波频率的提升，电磁波在复杂环境中的传播损耗日益凸显，特别是由建筑物、室内隔墙等障碍物引起的阴影衰落。传统解决方案通过增加基站密度或部署中继站来填补信号盲区，但这些方案需要射频电路进行信号放大，导致设备成本、维护费用和能耗居高不下。

可重构智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface， RIS）作为二维可编程人工电磁材料，通过集成PIN二极管、变容二极管等可调元件，能够动态调控反射或透射电磁波的振幅和相位。与传统中继相比，RIS无需射频电路，具有低功耗、易部署等优势，被列为6G网络的关键使能技术。然而，现有研究多集中于单RIS辅助无线通信（SRAWC），在真实室内场景中存在覆盖范围有限、部署灵活性不足等问题。近年来，双RIS辅助无线通信（DRAWC）的理论研究显示其性能优于单RIS系统，但缺乏考虑RIS电磁特性的物理模型和实地验证。

南京大学电子科学与工程学院的研究团队在《IEEE Journal of Microwaves》上发表了题为"Cooperative Dual Reconfigurable Intelligent Surfaces: Indoor Field Trials of Wireless Coverage Enhancement"的研究论文，通过设计高效率1比特RIS、开发强化精英遗传算法（Strengthened Elitist Genetic Algorithm， SEGA）优化策略，并在三种典型室内场景中进行系统级测试，填补了多RIS系统从理论到实践的研究空白。

研究人员主要采用以下关键技术方法：首先设计并制备了工作于2.5-2.7 GHz频段的高效率1比特反射超表面，每个RIS由42×28个单元组成，整体尺寸为1544 mm×936 mm，实测平均效率超过80%；其次开发了SEGA算法对双RIS相位编码进行联合优化，该算法相比简单遗传算法（SGA）在收敛速度和优化效果上均有提升；最后在L形走廊、窗边开阔区域和多楼层场景中部署原型系统，通过矢量网络分析仪（VNA）和频谱分析仪采集数据，并与金属板辅助通信进行对比验证。

设计与分析DRACW系统

研究团队提出的RIS单元采用三层结构：顶层H形铜贴片、相位控制层I形贴片和偏置层。通过引入顶层结构分流PIN二极管电流，显著降低功耗。全波仿真显示，在2.5-2.7 GHz频段内，单元可实现180°相位差，实测结果与仿真高度一致。针对盲信道优化难题，SEGA算法将RIS相位矩阵编码为二进制染色体，通过选择、交叉、变异等操作最大化接收功率。在微波暗室测试中，SEGA相比阵列理论（AAT）和SGA均表现出更优的定向增益和时间效率。

室内场景现场试验

实验系统由发射端（Tx，标准增益喇叭天线）、接收端（Rx，全向天线）、信号发生器、频谱仪和主机组成。双RIS通过FPGA控制，在三种场景下对比单RIS并列放置（R-A）和双RIS对向放置（R-B）的性能。在L形走廊测试中，R-B配置在远距离点（>9.6 m）表现优异，平均功率增益达26 dB，较R-A提升3.69 dB。通过有效孔径理论分析，当Rx与RIS法线夹角超过70.5°时，双RIS布局更具优势。窗边区域测试显示，RIS优化后信号分布均匀性显著提升，但双RIS与单大孔径RIS性能相近，说明在特定环境下分体部署不会牺牲性能。多楼层场景中，RIS将平均接收功率从-86.45 dBm提升至-64.38 dBm，增益达22.07 dB，有效克服楼层遮挡。

DRAWC模型与分析

研究建立了考虑RIS电磁特性的自由空间路径损耗模型，将双RIS系统信道分解为四个射频链路（RFL）：Tx-RIS₁-Rx、Tx-RIS₂-Rx、Tx-RIS₁-RIS₂-Rx和Tx-RIS₂-RIS₁-Rx。通过Friis传输方程量化天线增益、单元方向图与距离的关系，推导出信道矩阵解析表达式。仿真与实测对比显示，该模型能准确预测功率分布，并揭示优化算法会增强有效链路（如RFL 1-3）而抑制无效链路（如RFL 4）的智能选择机制。

该研究通过理论建模、算法优化和实地验证三位一体的工作，证明了协同双RIS系统在复杂室内环境中的显著性能优势。所提出的路径损耗模型为多RIS系统部署提供了理论指导，而SEGA算法解决了盲信道下的实时优化难题。值得注意的是，双RIS布局不仅提升了信号增益，更增加了传输路径的多样性，为未来6G网络中智能电磁环境的构建奠定了关键技术基础。这项研究将推动多RIS协同技术从理论走向实际应用，对实现低成本、高能效的下一代无线通信具有重要意义。