智能超表面（RIS）技術(shù)具有低成本、低能耗、可編程、易部署等特點(diǎn)。通過(guò)構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境，RIS有機(jī)會(huì)突破傳統(tǒng)無(wú)線通信的約束，給未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一種全新的范式，因此具有廣闊的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)前景。認(rèn)為在當(dāng)前和未來(lái)的落地應(yīng)用中，需要厘清智能超表面技術(shù)在理論模型、應(yīng)用技術(shù)、工程化研究和標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)等方面面臨的諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

1、研究背景

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量需求的持續(xù)快速增長(zhǎng)，未來(lái)十多年，無(wú)處不在的無(wú)線連接將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，“通信-感知-計(jì)算”一體化的網(wǎng)絡(luò)也將可能實(shí)現(xiàn)，但高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成為未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。

一直以來(lái)，隨心所欲地調(diào)控電磁波是人們不斷追尋的夢(mèng)想。麥克斯韋方程組的出現(xiàn)使得人們對(duì)電磁波的掌控能力有了飛速提升，但受限于材料相對(duì)固定的電磁參數(shù)，人們對(duì)電磁波的控制力僅局限于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。近年來(lái)，智能超表面（RIS）能夠靈活操控信道環(huán)境中的電磁特性，一出現(xiàn)就吸引了業(yè)界的廣泛關(guān)注。RIS通常由大量精心設(shè)計(jì)的電磁單元排列組成。通過(guò)給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號(hào)，RIS可以動(dòng)態(tài)地控制這些電磁單元的電磁性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以可編程的方式對(duì)空間電磁波進(jìn)行主動(dòng)的智能調(diào)控，形成相位、幅度、極化和頻率可控制的電磁場(chǎng)。作為超材料的二維實(shí)現(xiàn)，RIS天然具有低成本、低復(fù)雜度和易部署的特性，可用于解決未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題。RIS的引入使得無(wú)線傳播環(huán)境從被動(dòng)適應(yīng)變?yōu)橹鲃?dòng)可控，從而構(gòu)建了智能無(wú)線環(huán)境（SRE）[2]。

從2020年開(kāi)始，中國(guó)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合，開(kāi)展了一系列RIS產(chǎn)業(yè)推進(jìn)活動(dòng)，極大地促進(jìn)了RIS的技術(shù)研究與工程化進(jìn)程。2020 年 6 月，國(guó)際移動(dòng)通信 （IMT） -2030 推進(jìn)組無(wú)線技術(shù)組成立了“RIS任務(wù)組”。同年9月，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）TC5-WG6成立“RIS研究項(xiàng)目”。2021年9月17日，IMT-2030 （6G） 推進(jìn)組在6G研討會(huì)RIS分論壇上正式發(fā)布業(yè)界首個(gè)《智能超表面技術(shù)研究報(bào)告》。2021年9月24日，“第一屆智能超表面技術(shù)論壇”1大會(huì)召開(kāi)，會(huì)議主題為“使能智能無(wú)線環(huán)境，重構(gòu)未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)”[3]。2022年4月7日，智能超表面技術(shù)聯(lián)盟（RISTA）2暨第一屆會(huì)員大會(huì)在北京召開(kāi)，這標(biāo)志著智能超表面技術(shù)聯(lián)盟正式成立[4]。

目前，中國(guó)在RIS的材料工藝、理論研究、實(shí)現(xiàn)算法及工程試驗(yàn)等方面做出了重大貢獻(xiàn)。作為未來(lái)通信關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)極具潛力的方向，RIS有機(jī)會(huì)在5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)中提前落地，并可能在未來(lái) 6G 網(wǎng)絡(luò)中使能智能無(wú)線環(huán)境，進(jìn)而帶來(lái)全新的網(wǎng)絡(luò)范式[5]。

近期，產(chǎn)業(yè)界在現(xiàn)網(wǎng)中針對(duì)RIS技術(shù)進(jìn)行了一系列的測(cè)試驗(yàn)證工作[6-10]。眾多測(cè)試結(jié)果表明，RIS 的部署可以有效提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和覆蓋性能。

作為一種動(dòng)態(tài)電磁參數(shù)調(diào)控技術(shù)，RIS在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)初步展示了其強(qiáng)大的性能。但是，在規(guī)模商用前，RIS仍在技術(shù)研究、工程應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)部署和標(biāo)準(zhǔn)化等方面面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。本文中，我們將從背景、基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)、典型應(yīng)用場(chǎng)景以及趨勢(shì)與挑戰(zhàn)等方面對(duì)RIS進(jìn)行探討。

2、RIS的理論和技術(shù)

RIS是一種多學(xué)科融合技術(shù)。在RIS概念誕生前，超材料相關(guān)基礎(chǔ)理論已發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，這為RIS理論體系的建立奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在關(guān)鍵技術(shù)方面，與RIS相關(guān)的相控陣、可編程邏輯門等技術(shù)均有了應(yīng)用案例。RIS的概念在最近10年才被提出，并被視為一種潛在的6G關(guān)鍵技術(shù)，已有的理論與技術(shù)基礎(chǔ)支撐了其研究的快速發(fā)展。

2.1 基礎(chǔ)理論

從廣義上來(lái)說(shuō)，RIS是超材料 （也稱為電磁超材料） 的一個(gè)分支。超材料可以分為三維超材料和二維超表面，而超表面又分為固定參數(shù)超表面和動(dòng)態(tài)可調(diào)超表面。RIS一般被認(rèn)為屬于動(dòng)態(tài)可調(diào)超表面。當(dāng)然，業(yè)界有時(shí)也會(huì)把固定參數(shù)超表面作為 RIS 研究的一個(gè)特例去考慮。超材料最初是以“左手材料”和“雙負(fù)媒質(zhì)”的名稱為人所知的。1967年，V. VESELAGO教授發(fā)表了一篇俄語(yǔ)論文。1968年，這篇文章被翻譯成英文后發(fā)表[11]。該文首次提出了“左手材料”的概念，即介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ均為負(fù)的材料，并系統(tǒng)分析了雙負(fù)媒質(zhì)中電磁波的傳播特性，理論預(yù)測(cè)了多個(gè)新奇的異常調(diào)控現(xiàn)象。1996 年，J. B. PENDRY 爵士實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了負(fù)介電常數(shù)[12]，并于 1999 年提出了用周期排布來(lái)驗(yàn)證負(fù)磁導(dǎo)率[13]。而最早的人工電磁表面 （即超表面） 的研究為 1999年 D. F. SIEVENPIPER 教授提出的蘑菇型結(jié)構(gòu)高阻抗表面（HIS）[14]。

傳統(tǒng)等效媒質(zhì)參數(shù)（介電常數(shù)和磁導(dǎo)率）可用來(lái)描述三維超材料的電磁特性，但不再適用于分析二維超表面[15]。針對(duì)超表面的二維結(jié)構(gòu)特性，研究人員陸續(xù)提出多種理論進(jìn)行分析和建模。其中，最具代表性的是2011年由F. CAPASSO教授團(tuán)隊(duì)提出的廣義斯涅耳定律[16]。廣義斯涅爾定律可以很好地刻畫(huà)電磁超表面物理特性，如公式（1）和（2）所示：

（1）

（2）

其中，公式（1）是廣義斯涅爾折射定律，公式（2）是廣義斯涅爾反射定律，ni和nt是入射和出射界面折射率，θi和θt是入射角和出射角。

也有學(xué)者提出，采用建立在著名的麥克斯韋方程組上的現(xiàn)代電磁學(xué)對(duì)超表面的二維結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，如圖 1 所示。2016年，楊帆教授及其課題組首次提出了“界面電磁學(xué)”的概念，以分析超表面電磁特性[17]。界面電磁理論旨在通過(guò)對(duì)二維界面上不同種類電磁現(xiàn)象進(jìn)行分析與解釋，指導(dǎo)各種電磁表面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

▲圖1 電磁學(xué)問(wèn)題在空間域上的分類方法[18]

早期的超表面在其物理結(jié)構(gòu)固定后，功能和性能也隨之確定。因其不支持按需動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使用的靈活性受限。之后出現(xiàn)的可調(diào)超表面成為了研究的主流。在超表面上集成有源元件（如開(kāi)關(guān)二極管、變?nèi)?a target="_blank">二極管等）或可調(diào)節(jié)材料（如液晶、石墨烯等），通過(guò)改變外部激勵(lì)，固定物理結(jié)構(gòu)的超表面可以呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)或可重構(gòu)的電磁特性。

初期的超表面通常利用連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的表面極化率、表面阻抗、幅度和相位等參數(shù)來(lái)表征界面上的電磁特性。這些表征方式都是從物理層面出發(fā)的，可以稱之為“模擬超表面”。2014年，東南大學(xué)崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)提出了“數(shù)字編碼與可編程超材料/超表面”的概念，創(chuàng)新性地利用二進(jìn)制編碼的形式來(lái)表征超表面[19]，這標(biāo)志著超表面從模擬時(shí)代進(jìn)入數(shù)字時(shí)代。對(duì)可調(diào)超表面的可調(diào)物理特性數(shù)字化編碼后，可以借用在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中已成熟的編碼理論和軟件算法對(duì)超表面的物理參數(shù)的調(diào)控進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣可以更好地利用人工智能（AI）算法進(jìn)行智能調(diào)控[20]。2017年，崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文歸納、總結(jié)了已有研究，提出了“信息超材料/超表面”的概念體系[21]。

除了上述對(duì)RIS自身物理特性分析的理論外，在RIS用于信息通信領(lǐng)域時(shí)，我們需要從信息科學(xué)的角度進(jìn)行分析。2020年，崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)從信息論角度，建立碼本幾何信息熵I1與遠(yuǎn)場(chǎng)散射方向圖的物理信息熵I2之間的關(guān)系[22]：

（3）

2008 年，F(xiàn). K. GRUBER 教授首先提出了電磁信息論（EIT） 概念，用于分析大規(guī)模多輸入多輸出 （MIMO） 系統(tǒng)的性能[23]。2021年，清華大學(xué)戴凌龍教授團(tuán)隊(duì)提出采用EIT理論來(lái)揭示基于RIS的無(wú)線通信系統(tǒng)容量的基本物理極限。文中指出，EIT可以建立一個(gè)新的分析框架，用于推導(dǎo)通信系統(tǒng)的自由度（DoF）、信道容量和其他重要性能要求[24]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控

無(wú)論是用于新型的無(wú)線收發(fā)機(jī)，還是用于無(wú)線傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，RIS硬件架構(gòu)都包含三大部分：可重構(gòu)電磁表面、饋電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。可重構(gòu)電磁表面是系統(tǒng)中對(duì)空間波進(jìn)行調(diào)控的主體，其結(jié)構(gòu)為周期或準(zhǔn)周期排布的表面單元組成的陣列。控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)可重構(gòu)電磁表面非線性器件配置低頻控制信號(hào)，可改變局部單元的電磁特性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自饋電系統(tǒng)的高頻信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。

（1） 可重構(gòu)電磁表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可重構(gòu)電磁表面設(shè)計(jì)是RIS技術(shù)的初衷和核心，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求來(lái)確定單元設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后對(duì)單元主體、偏置線路等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，需要在電磁仿真軟件中建立合適的主體模型，設(shè)置周期邊界條件、Floquet端口激勵(lì)、非線性元件的等效RLC 模型等；隨后，選擇合適的單元幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得在所需頻段內(nèi)滿足預(yù)先設(shè)定的設(shè)計(jì)要求，如1 bit反射單元要求反射幅度接近0 dB，反射相位差為180°等[25]；最后，還需要考慮用于連接控制系統(tǒng)的偏置線等結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證其對(duì)單元性能的影響。1-bit數(shù)字相控單元及其反射相位示意如圖2所示。

▲圖2 1 bit數(shù)字相控單元及其反射相位[25]

（2） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的控制方式主要包括機(jī)械控制、模擬信號(hào)控制、數(shù)字信號(hào)控制3類。機(jī)械控制由于其響應(yīng)速度較慢，目前已較少采用；在模擬信號(hào)控制中，控制模塊產(chǎn)生連續(xù)分布的電平，控制變?nèi)荻O管等具有連續(xù)變化參數(shù)的器件產(chǎn)生不同的響應(yīng)；在數(shù)字信號(hào)控制中，控制模塊產(chǎn)生不同的電平，控制PIN二極管 （P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管） 等開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生不同的響應(yīng)。其中，數(shù)字信號(hào)控制根據(jù)可控狀態(tài)數(shù)目，可分為1 bit、2 bit或更多bit狀態(tài)的控制，不過(guò)更多控制位數(shù)會(huì)導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜度急劇增加，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更為困難。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心是控制碼表設(shè)計(jì)，即根據(jù)電磁波束方向設(shè)計(jì)可重構(gòu)電磁表面單元相位分布。目前控制碼表的提取有兩種方式：一種是離線查表模式，預(yù)先計(jì)算出各個(gè)方向碼表并存儲(chǔ)，使用時(shí)根據(jù)上位機(jī)的指令按地址提取對(duì)應(yīng)的碼表并完成賦值；另一種則是在線計(jì)算模式，將碼表計(jì)算程序植入處理單元，由處理單元完成碼表的計(jì)算。

2.2.2 基帶算法

（1） 信道建模

在傳輸信號(hào)模型中，信道響應(yīng)矩陣是極為重要的部分。作為一種將環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芸芍貥?gòu)電磁空間的潛在技術(shù)，RIS為其輔助傳輸?shù)南到y(tǒng)建立準(zhǔn)確而高效的無(wú)線信道模型是保證無(wú)線通信系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)評(píng)估合理性的基礎(chǔ)。當(dāng)前主流的信道建模方法包括基于幾何的統(tǒng)計(jì)性建模和基于射線追蹤的確定性建模方法兩類。統(tǒng)計(jì)性建模方法通過(guò)專用測(cè)量設(shè)備采集某一真實(shí)場(chǎng)景下的信道數(shù)據(jù)，并通過(guò)大、小尺度參數(shù)對(duì)信道數(shù)據(jù)中隱藏的特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述。2021年，崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)對(duì) RIS 輔助無(wú)線通信的自由空間路徑損耗進(jìn)行建模[26]。

（4）

基于幾何光學(xué)與一致性繞射理論，射線追蹤方法對(duì)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)、發(fā)射機(jī)-RIS、RIS-接收機(jī)鏈路之間的多徑射線（傳播路徑） 進(jìn)行精確計(jì)算，從而確定多徑射線的離開(kāi)角、到達(dá)角、時(shí)延、功率等信道參數(shù)。

（2）信道估計(jì)

相對(duì)于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)，RIS使能的無(wú)線系統(tǒng)特性給信道估計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。首先，典型 RIS 一般采用全被動(dòng)元素，并不具備復(fù)雜的信號(hào)處理能力，這使得信道狀態(tài)信息（CSI） 的估計(jì)存在困難。設(shè)計(jì)具有部分主動(dòng)元素的RIS可以自主估計(jì) CSI，但需要權(quán)衡信道估計(jì)與復(fù)雜度及成本的需求[27]。其次，RIS超大規(guī)模天線陣子帶來(lái)了高維信道估計(jì)的復(fù)雜度問(wèn)題。此外，引入RIS后帶來(lái)的分段信道特性，也給RIS的信道估計(jì)帶來(lái)新的問(wèn)題。

一方面，可以利用信道的雙時(shí)間尺度特性進(jìn)行分段信道估計(jì)，即用戶設(shè)備 （UE） 的低維移動(dòng)信道估計(jì)頻繁，而高維準(zhǔn)靜態(tài)的基站 （BS） -RIS信道僅需要信道統(tǒng)計(jì)信息，不需要頻繁的信道估計(jì)，從而降低了總體導(dǎo)頻開(kāi)銷[28]。另一方面，可以通過(guò)RIS電磁單元優(yōu)化分組來(lái)降低估計(jì)高維RIS信道[29]和多用戶信道的復(fù)雜度[30]。高頻段場(chǎng)景可以利用RIS信道矩陣低秩特性，構(gòu)造聯(lián)合稀疏矩陣并設(shè)計(jì)矩陣填充問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)信道估計(jì)[31]，還可以利用多用戶信道在角度域的稀疏性來(lái)降低導(dǎo)頻開(kāi)銷[32]。可將RIS面板劃分為不同的子塊，每個(gè)子塊在不同的時(shí)隙采用不同調(diào)控系數(shù)矩陣，依次估計(jì)出待估計(jì)信道[33]。通感一體化技術(shù)的發(fā)展使利用感知信息輔助RIS信道估計(jì)成為可能[34]。另外，考慮到工程化應(yīng)用的復(fù)雜度，基于碼本的信道估計(jì)是一種典型的低復(fù)雜度信道估計(jì)方法，但RIS信道分段特性和近場(chǎng)特性會(huì)給傳統(tǒng)碼本方案帶來(lái)挑戰(zhàn)[35]。

（3） 波束賦形

RIS引入的級(jí)聯(lián)信道和超大規(guī)模天線陣子的特點(diǎn)使得系統(tǒng)的波束賦形設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。RIS借鑒Massive MIMO混合波束賦形的模型架構(gòu)。從系統(tǒng)模型的角度看，RIS可以視為一個(gè)外部模擬波束預(yù)編碼單元，對(duì)相應(yīng)的相移矩陣進(jìn)行設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)，RIS對(duì)來(lái)自發(fā)射機(jī)的信號(hào)采用模擬波束賦形進(jìn)行電磁波反射調(diào)控。

相對(duì)于傳統(tǒng)波束賦，RIS的波束賦形有一些新的特征：

● 超大規(guī)模RIS電磁單元個(gè)數(shù)，使得設(shè)計(jì)波束賦形的電磁調(diào)控參數(shù)有較高的復(fù)雜度。信道降維與電磁單元分組是平衡波束賦形性能和復(fù)雜度的有效方法。

● RIS傳播信道具有分段特性，需要聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)基站的有源波束和RIS的無(wú)源波束。

● 超大天線孔徑帶來(lái)傳播信道的近場(chǎng)特性。

現(xiàn)有的波束訓(xùn)練設(shè)計(jì)依賴于基于遠(yuǎn)場(chǎng)信道模型設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)場(chǎng)碼本。然而，由于RIS超大天線孔徑特點(diǎn)，用戶更可能處于RIS的近場(chǎng)區(qū)域。文獻(xiàn)[35]設(shè)計(jì)與近場(chǎng)信道模型相匹配的近場(chǎng)碼本，并提出了有效的近場(chǎng)波束訓(xùn)練方案。

2.2.3 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

從通信環(huán)境復(fù)雜度和 RIS 部署及調(diào)控復(fù)雜度的角度考慮，我們可以把部署場(chǎng)景分為小范圍可控的受限區(qū)域和大范圍復(fù)雜環(huán)境兩大類。這兩類場(chǎng)景對(duì)RIS網(wǎng)絡(luò)部署原則和需求有著較大差異。小范圍可控的受限區(qū)域有機(jī)會(huì)部署足夠密度的RIS，并實(shí)現(xiàn)精確電磁環(huán)境智能調(diào)控。對(duì)于大范圍復(fù)雜環(huán)境，RIS主要對(duì)已有或新引入的主要傳播路徑/主散射體進(jìn)行調(diào)控，半動(dòng)態(tài)或靜態(tài)地調(diào)控?zé)o線信道的大尺度特性，所需的RIS形態(tài)簡(jiǎn)單易部署，且成本較低。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)引入RIS也會(huì)帶來(lái)新的網(wǎng)絡(luò)共存方面的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[36]分析了RIS網(wǎng)絡(luò)的共存問(wèn)題，并提出了可能的解決思路。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，入射在RIS面板上的無(wú)線信號(hào)既包括RIS優(yōu)化調(diào)控的“目標(biāo)信號(hào)”，也包括其他“非目標(biāo)信號(hào)”。RIS將會(huì)對(duì)這兩類信號(hào)同時(shí)調(diào)控。通過(guò)調(diào)控電磁波的幅度、相位、極化方式等，RIS可以增強(qiáng)“目標(biāo)信號(hào)”，同時(shí)也對(duì)“非目標(biāo)信號(hào)”進(jìn)行非預(yù)期的異常調(diào)控。在非受控情況下，RIS對(duì)來(lái)自其他網(wǎng)絡(luò)的“非目標(biāo)信號(hào)”進(jìn)行非預(yù)期的異常調(diào)控，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)共存問(wèn)題。文獻(xiàn)提出了帶有帶通濾波層的多層 RIS 結(jié)構(gòu)和 RIS 分塊機(jī)制兩種解決方案。另外，此網(wǎng)絡(luò)共存問(wèn)題也表明，規(guī)模部署的RIS需要受控于網(wǎng)絡(luò)，以約束其對(duì)無(wú)線環(huán)境中“非目標(biāo)信號(hào)”隨意的非預(yù)期異常調(diào)控行為，避免導(dǎo)致的嚴(yán)重網(wǎng)絡(luò)性能惡化。

2.3 原型驗(yàn)證

（1）內(nèi)場(chǎng)測(cè)試

2018—2021 年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校分別搭建了 2.4 GHz 頻段 LAIA、RFocus[37]和 ScatterMIMO[38]智能超表面原型系統(tǒng)；歐洲研究機(jī)構(gòu)也成立了智能超表面研發(fā)領(lǐng)域的VisorSurf和ARIADNE項(xiàng)目，通過(guò)上百次撒點(diǎn)測(cè)試，驗(yàn)證了智能超表面在室內(nèi)場(chǎng)景中的波束賦形、覆蓋增強(qiáng)和多流增速的能力。

中國(guó)智能超表面原型系統(tǒng)研發(fā)也與其他國(guó)家基本保持同步。東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)搭建了智能超表面單輸入單輸出二進(jìn)制頻移鍵控 （SISO BFSK）/正交相移鍵控 （QPSK）/八進(jìn)制相移鍵控 （8PSK）/16QAM （包含了 16 種符號(hào)的正交振幅調(diào)制）/64QAM和MIMO QAM等系列原型系統(tǒng)；清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了 2.3 GHz/3.5 GHz/5.8 GHz/26 GHz/28 GHz 頻段 64/100/256/1 024/2 304/4 096陣元等系列原型系統(tǒng)[39-40]；香港中文大學(xué) （深圳）、華中科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等諸多團(tuán)隊(duì)均開(kāi)展了智能超表面原型系統(tǒng)研發(fā)創(chuàng)新，并與各大設(shè)備廠商開(kāi)展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和內(nèi)場(chǎng)典型場(chǎng)景下的測(cè)試，持續(xù)驗(yàn)證智能超表面在覆蓋補(bǔ)盲和多流增速等方面的性能增益。

（2）外場(chǎng)測(cè)試

NTT DoCoMo在2018年首次開(kāi)展28 GHz智能超表面外場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證智能超表面毫米波覆蓋補(bǔ)盲能力；2020年，首次開(kāi)展了毫米波頻段透明動(dòng)態(tài)超表面驗(yàn)證測(cè)試；2021 年，進(jìn)一步使用超表面透鏡驗(yàn)證室外到室內(nèi)的覆蓋增強(qiáng)能力。2022年，韓國(guó)LG公司針對(duì)3.5 GHz和28 GHz頻段開(kāi)展智能超表面外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。

中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商也都已開(kāi)啟智能超表面外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證工作。2021年下半年，中國(guó)聯(lián)通[8]、中國(guó)移動(dòng)[6]、中國(guó)電信[7]分別針對(duì)3.5 GHz、2.6 GHz頻段和毫米波頻段開(kāi)展智能超表面技術(shù)5G外場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了智能超表面系統(tǒng)可切實(shí)提升5G網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋和擴(kuò)容提速的能力。近期，北京郵電大學(xué)針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景開(kāi)展智能超表面環(huán)境適變理論和信道快速重構(gòu)方法研究，以保障工廠在復(fù)雜電磁環(huán)境下的平穩(wěn)高效運(yùn)行。

3、RIS技術(shù)典型場(chǎng)景

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界依據(jù)RIS技術(shù)的特性，分析了其典型的應(yīng)用場(chǎng)景。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)RIS技術(shù)的發(fā)展階段以及5G-Advanced和6G網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)，分析了RIS在5G-Advanced和6G網(wǎng)絡(luò)中的典型場(chǎng)景。

3.1 5G-A階段典型場(chǎng)景

在5G-Advanced階段，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的典型場(chǎng)景中，RIS將側(cè)重支持Sub6GHz和毫米波頻段傳統(tǒng)通信場(chǎng)景的覆蓋或速率增強(qiáng)。

（1）覆蓋補(bǔ)盲

傳統(tǒng)的蜂窩部署可能會(huì)覆蓋空洞區(qū)域，而RIS可部署在基站與信號(hào)盲區(qū)之間，通過(guò)有效地反射/透射傳輸信號(hào)，以增強(qiáng)信號(hào)盲區(qū)用戶的信號(hào)質(zhì)量，保證空洞區(qū)域用戶的覆蓋。

（2）多流增速

對(duì)于業(yè)務(wù)密集的熱點(diǎn)區(qū)域，可以通過(guò)RIS增加額外的無(wú)線通信路徑與信道子空間，從而提高信號(hào)傳輸?shù)膹?fù)用增益。尤其在視距傳輸場(chǎng)景中，引入基于RIS的可控信道，收發(fā)天線陣列間信道的空間相關(guān)特性將會(huì)得到很大改善，可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖涌臻g數(shù)目將會(huì)增加，這極大地提升了系統(tǒng)的傳輸性能。

對(duì)于小區(qū)邊緣區(qū)域，有用信號(hào)電平較弱且缺乏多徑環(huán)境，終端側(cè)的多天線能力無(wú)法充分發(fā)揮作用。在收發(fā)端之間增加RIS設(shè)備，使小區(qū)邊緣用戶按需利用終端多天線能力，極大提升傳輸性能。

3.2 6G階段典型場(chǎng)景

（1）RIS支持高頻通信

高頻毫米波和太赫茲是 5G-Advanced 和 6G 潛在工作頻段。高頻信號(hào)最明顯的特征就是路徑損耗較大，小區(qū)半徑較小，受障礙物遮擋、雨雪天氣、環(huán)境吸收等影響大。依據(jù)3GPP 38.901 （第3代合作伙伴計(jì)劃中的協(xié)議），在同等條件下，28 GHz毫米波信號(hào)的路徑傳輸損耗比3.5 GHz信號(hào)的路徑損耗增大約18 dB；在穿透損耗方面，對(duì)于低頻毫米波信號(hào)而言，混凝土和紅外反射玻璃材質(zhì)的障礙物幾乎無(wú)法穿透，如表1所示，樹(shù)葉、人體、車體等障礙物對(duì)低頻毫米波信號(hào)的穿透損耗均在10 dB以上，這導(dǎo)致覆蓋范圍內(nèi)的大部分區(qū)域通信質(zhì)量從良好變得非常差。因此，高頻通信必將面臨覆蓋半徑小、盲區(qū)多、部署運(yùn)維成本高的嚴(yán)峻形勢(shì)。

▼表1 高頻信號(hào)穿透損耗3GPP的理論值及實(shí)測(cè)值

在基站和終端用戶之間部署智能超表面設(shè)備，能夠在視距通信不可達(dá)或信號(hào)質(zhì)量較差的盲區(qū)或小區(qū)邊緣，按需動(dòng)態(tài)建立非視距鏈路，從而提升網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋質(zhì)量，減少覆蓋盲區(qū)。未來(lái)，隨著超材料天線的應(yīng)用推廣，智能超表面設(shè)備形態(tài)將更加豐富多樣，例如建筑物外墻裝飾層。低成本、低功耗、易部署的智能超表面設(shè)備將成為基站提供有效的補(bǔ)充和延伸。

（2） RIS使能軌道角動(dòng)量（OAM）

OAM技術(shù)有望突破傳統(tǒng)通信中的香農(nóng)極限，緩解現(xiàn)今頻譜資源緊張、頻段擁塞的問(wèn)題，因此成為6G潛在的關(guān)鍵技術(shù)之一。OAM渦旋電磁場(chǎng)的生成方式有很多種，其中一種典型的便是基于智能超表面的渦旋電磁場(chǎng)的生成方法。通過(guò)反射型和投射型智能超表面，既可以產(chǎn)生雙極化雙頻段多模態(tài)OAM渦旋電磁波，也可以實(shí)現(xiàn)OAM渦旋電磁波的線極化和圓極化靈活轉(zhuǎn)換。

（3）RIS使能通信感知一體化

未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)正朝著更加智能化和軟件化的方向發(fā)展，有望通過(guò)融合環(huán)境感知技術(shù)、用戶定位功能和智能無(wú)線環(huán)境新范式，進(jìn)一步拓展其網(wǎng)絡(luò)能力和應(yīng)用場(chǎng)景。在智能超表面輔助的無(wú)線通信系統(tǒng)中，利用智能超表面的空時(shí)調(diào)制能力，不僅可以在非視距環(huán)境中建立虛擬視距鏈路，通過(guò)優(yōu)化智能超表面的反射系數(shù)矩陣提高通信鏈路質(zhì)量，按需動(dòng)態(tài)提供波束賦形增益，而且可以在同等條件下使系統(tǒng)具備較大天線孔徑的優(yōu)勢(shì)和較高的定位精度，實(shí)現(xiàn)高精度感知定位能力。

4、RIS技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢(shì)

RIS 技術(shù)的挑戰(zhàn)與趨勢(shì)主要涉及理論模型、應(yīng)用技術(shù)、工程化研究等方面。

對(duì) RIS 理論模型的刻畫(huà)，雖然已有一些積累 （參見(jiàn) 2.1節(jié)），但后續(xù)還需在電磁調(diào)控物理機(jī)理、電磁信息學(xué)、信道模型等方面進(jìn)一步深入探索，以盡快構(gòu)建完善的理論體系。另外，RIS是材料科學(xué) （主要指超材料）、電磁學(xué)、信息與電子學(xué)、通信工程等多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，需要多學(xué)科協(xié)同推進(jìn)。

在應(yīng)用技術(shù)研究方面，已有的研究主要為了解決傳統(tǒng)無(wú)線通信中的經(jīng)典問(wèn)題，例如信道估計(jì)、波束賦形和信息調(diào)制等，而在基于 RIS 的通感一體化、AI 使能 RIS[41]和基于 RIS的安全通信等新穎的應(yīng)用領(lǐng)域研究投入不足，相關(guān)的研究成果較少。另外，已有的研究大多基于一些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)模型，提供的機(jī)制一般僅適用于較為理想的場(chǎng)景。因此，后續(xù)研究需要關(guān)注RIS的全新應(yīng)用領(lǐng)域，并考慮更為復(fù)雜的模型。

在工程化研究方面，雖然已有一些 RIS 樣機(jī)的簡(jiǎn)單測(cè)試，且在特定場(chǎng)景中展示出了一些性能增益，但距離真正的工程化應(yīng)用依然有很遠(yuǎn)的距離。

（1） RIS 標(biāo) 準(zhǔn) 化 。3GPP 5G-A Rel-18 立 項(xiàng) 了 Smart[1]Repeater，這為RIS在Rel-19中的標(biāo)準(zhǔn)化立項(xiàng)，以及其基于5G網(wǎng)路的標(biāo)準(zhǔn)化工作打下良好的基礎(chǔ)。與5G-A的標(biāo)準(zhǔn)化不同，在RIS的6G標(biāo)準(zhǔn)化工作中，6G標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)將是全新的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。因此，未來(lái)RIS標(biāo)準(zhǔn)化工作將不用考慮與傳統(tǒng)系統(tǒng)兼容性，且屆時(shí)RIS技術(shù)研究也更加成熟。

（2） RIS 網(wǎng)絡(luò)部署。從 RIS 工程應(yīng)用的落地角度來(lái)看，可以采用3階段的網(wǎng)絡(luò)部署方式：階段1，在5G現(xiàn)網(wǎng)中少量部署非標(biāo)準(zhǔn)化靜態(tài)RIS面板，用于解決覆蓋空洞問(wèn)題，尤其是高頻覆蓋問(wèn)題；階段2，基于5G-A標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制部署半動(dòng)態(tài)可調(diào)的RIS，用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋；階段3，未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中泛在部署智能靈活的 RIS，構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境，給未來(lái)6G帶來(lái)一種全新的通信網(wǎng)絡(luò)范式。

5 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是支持百行千業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革、動(dòng)力變革的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將面臨頻譜資源緊缺、芯片集成度要求較高、無(wú)線信道不可控、設(shè)備能耗較大等一系列挑戰(zhàn)。智能超表面具有低成本、低能耗、可編程、易部署等特點(diǎn)，構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境將會(huì)給未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一種全新的范式，并有機(jī)會(huì)成為基礎(chǔ)原始創(chuàng)新取得突破的領(lǐng)域，同時(shí)引領(lǐng)全球產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和發(fā)展。

致謝

感謝中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院無(wú)線技術(shù)研究中心李福昌總監(jiān)、張忠皓博士和中興通訊股份有限公司無(wú)線研究院算法部趙亞軍總工對(duì)本文的指導(dǎo)和支持。感謝智能超表面技術(shù)聯(lián)盟（RISTA）提供了良好的技術(shù)研究與合作平臺(tái)。

審核編輯 ：李倩