智能超表面，6G時代的顛覆式技術(shù)揭秘

‍“一個理智的人，應(yīng)該改變自己去適應(yīng)環(huán)境。只有那些不理智的人，才會想去改變環(huán)境適應(yīng)自己，但歷史是后一種人創(chuàng)造的。”

——  蕭伯納

在無線通信領(lǐng)域，也有一種不理智的技術(shù)，以“雖千萬人吾往矣”的勇氣，改變環(huán)境適應(yīng)自己，硬是從一片荊棘的絕望中開辟出一條康莊大道。

下面，就讓我們對這種技術(shù)一探究竟。

為什么要改變環(huán)境 ？

在無線通信的發(fā)展史上，我們一直重點關(guān)注的是通信的主體，也就是信源和信宿。迄今為止，所有技術(shù)的技術(shù)革新，都是在增強信源和信宿的能力上下功夫。

然而，對于信源和信宿之間的無線傳播環(huán)境，會使信號經(jīng)歷復(fù)雜的反射、折射、散射、繞射、穿透、干擾等一系列復(fù)雜的過程，我們一直對此束手無策，只能被動地去適應(yīng)。

適應(yīng)無線傳播環(huán)境手段，就是增強基站和終端的能力，或者優(yōu)化組網(wǎng)架構(gòu)。比如高低頻協(xié)同、增大發(fā)射功率、增加收發(fā)天線數(shù)、頻選調(diào)度、多點協(xié)作、微站補盲等措施，千方百計地去克服無線信道的不確定性。

這些措施，猶如經(jīng)驗豐富裱糊匠一樣，一路支撐著移動通信從2G發(fā)展到了5G，雖然外表光鮮，但早已力不從心。5G毫米波的引入，更是直接戳破了那華麗而脆弱的外衣，讓高頻的覆蓋難題陰云籠罩。

一叢樹冠，幾個行人，乃至一場陰雨，都會讓毫米波的信號徹底“翻車”，更別提建筑的遮擋，以及巨大的穿透損耗了。枉有巨大的帶寬優(yōu)勢，無線傳播的無力卻成了毫米波規(guī)模商用的桎梏。

改變自身適應(yīng)環(huán)境這條看似理所當然的道路，已然走到了盡頭。唯有正面出擊，主動發(fā)力來重塑無線傳播信道，才是解決問題的不二法門。

改變環(huán)境來適應(yīng)自己，是時候了！

近年來，有一種技術(shù)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，它從外表上看就是一張平平無奇的矩形薄板，卻可以靈活部署在無線通信傳播環(huán)境中，并實現(xiàn)對反射或者折射電磁波的頻率、相位、極化等特征的操控，從而達到重塑無線信道的目的。

這種技術(shù)，將有望在5G-Advanced協(xié)議中開始標準化，也被認為是6G關(guān)鍵技術(shù)之一。

它的名字叫做“可重配智能表面”，也叫“智能反射表面”，英文為RIS（Reconfigurable Intelligence Surface）或者IRS（Intelligent Reflection Surface）。

下文，我們將以RIS來稱呼這項技術(shù)。

RIS是何方神圣 ？

RIS的技術(shù)基礎(chǔ)，則是一種被叫做“信息超材料”的人工材料。下面我們將從“什么是超材料”開始，講述RIS的基本原理。

超材料是指一類自然界中不存在的，具有特殊性質(zhì)的人造材料。它們擁有一些特別的性質(zhì)，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質(zhì)，而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的。

超材料的英文是Metamaterial，看到這里的Meta，大家可能會覺得非常眼熟。沒錯，最近大火的元宇宙Metaverse的前綴也是這個Meta。這個拉丁詞根，正是表示超出、另類之意。

怎么個“超”法呢？

地球上已知的物質(zhì)都是由微觀原子構(gòu)成的，大量的原子按照一定的方式聚集起來，就形成了的宏觀物體，也決定了材料的物理性質(zhì)。

與此類似，如果我們能設(shè)計出亞波長大小的“人工原子”，并按照精密的幾何結(jié)構(gòu)排列，就能實現(xiàn)很多天然材料所不具備的性質(zhì)。這種超越天然材料的人工材料，理所當然地就被稱作“超材料”。

最早提出超材料概念的是前蘇聯(lián)的維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago），他于1965年提出了對“左手媒質(zhì)負折射”材料的物理猜想。

維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）

所謂負折射材料，是指其光學性質(zhì)與常見的玻璃、空氣等透明物質(zhì)的性質(zhì)不同，其入射和折射光位于法線同側(cè)，和常規(guī)折射的方向相反，也就是折射角為負。

1996年，英國的約翰·彭德里（John Pendry）爵士從理論上論證了負折射材料的存在。

約翰·彭德里（John Pendry）

2001年，美國的戴維·R·史密斯（David R. Smith）通過實驗驗證了負折射現(xiàn)象，證實了超材料技術(shù)的可行性。

戴維·R·史密斯（David R. Smith）

2006年，約翰·彭德里和戴維·R·史密斯兩人強強聯(lián)合，提出了變換光學，并成功設(shè)計出了世界上第一款隱身衣。

隱身衣原理示意

隱身衣實際效果

2011年，意大利科學家費德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面廣義定律。

費德里科·卡帕索（Federico Capasso）

2013年，在美國國防部公布的“六大顛覆性基礎(chǔ)技術(shù)”中，超材料赫然位于榜首，這表明美國軍方對該技術(shù)前景的態(tài)度非常樂觀。

隨著相關(guān)理論和技術(shù)的成熟，在過去的十幾年中，超材料被廣泛用于操縱電磁波，實現(xiàn)了許多激動人心的物理現(xiàn)象，如負折射、電磁黑洞和幻覺光學等等。

早期的超材料功能單一，只能按照固化的模式工作，不能實時調(diào)控電磁波，因此我們將其稱之為模擬超材料。后來，超材料可通過數(shù)字編碼實現(xiàn)對里面人工原子狀態(tài)的動態(tài)控制，從而實時操控電磁波，就叫做“信息超材料”。

信息超材料的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，每一個人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏壓二極管的微電路組成，在不同的電壓下可以實現(xiàn)“ON”或者“OFF”等不同狀態(tài)，對電磁波的響應(yīng)也是不同的。

實際實現(xiàn)時，人工原子也可以采用PIN管、三極管、MEMS、石墨烯、溫敏器件、光敏器件等其他材料。

“ON”和“OFF”這兩種狀態(tài)，正好可以對應(yīng)到信息世界的0和1，通過把這些單元配置為0或者1，超材料也就具備了動態(tài)編碼的能力。

如上圖所示，在不同的編碼下，信息超材料可以通過反射形成不同形狀的電磁波束，從而實現(xiàn)動態(tài)操控電磁波的目的。

通過對信息超材料的深度設(shè)計，可以實現(xiàn)對入射電磁波多個維度的操控，包括頻譜、相位、幅度、極化等等，這就為將其在移動通信中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

RIS有何能耐 ？

那么，RIS到底是怎樣重塑無線信道的呢？我們來看看下面這幾個典型的場景。

1.  覆蓋盲區(qū)消除。當基站和終端之間有不可逾越的障礙物時，它們之間就是非視距信道，如果信號傳播環(huán)境單一，缺乏反射徑的話，終端所能接收到的信號是非常微弱的。

有了RIS，可以操控反射波束，對準位于盲區(qū)的終端并動態(tài)跟蹤，這就相當于創(chuàng)建了虛擬的視距路徑，擴展了小區(qū)的覆蓋范圍。

2.  物理層輔助安全通信。當網(wǎng)絡(luò)探測到竊聽者或者非法用戶時，可以利用調(diào)控RIS的反射信號的相位，讓其和直射信號在接收時進行抵消，從而減少信息泄露。

3.  多流傳輸增秩。當信號傳輸的環(huán)境較為簡單時，往往缺乏獨立的多徑，難以實現(xiàn)足夠的多流傳輸。通過RIS的反射，可以人為增加信號傳播路徑，更好地實現(xiàn)多流傳輸，提升熱點用戶的吞吐量。

4.  邊緣覆蓋增強。當終端（下圖中的終端1）位于小區(qū)邊緣時，使用RIS動態(tài)操控服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的反射信號，使服務(wù)小區(qū)的信號同相疊加增強，來自鄰區(qū)的信號則反相疊加抵消，從而有效消除鄰區(qū)干擾。

5.  大規(guī)模D2D通信。RIS可以通過對多路信號的智能反射，可以起到干擾抑制的作用，并同時進行低功率傳輸，有助于實現(xiàn)大規(guī)模的D2D通信。

6.  物聯(lián)網(wǎng)中無線功率和信息的傳輸。無線攜能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技術(shù)可以同時傳輸信號和能量，即在與無線設(shè)備進行信息交互的同時，為無線設(shè)備提供能量。RIS可以起到類似中繼的作用，通過無源波束來補償長距離傳輸帶來的巨大能耗，幫助充電區(qū)域提高無線傳輸功率。

7.  室內(nèi)覆蓋。要解決室內(nèi)覆蓋，可以通過室外基站信號穿透建筑外墻或者窗戶，也可以部署專業(yè)的室分系統(tǒng)（蘑菇頭天線或者有源室分）。這兩種方式都有RIS的用武之地。

對于室外穿透室內(nèi)這種方式，可以在建筑窗戶的玻璃表面部署透明的RIS板，操控信號入射室內(nèi)，并能實現(xiàn)一定的增益。

此外，在室內(nèi)覆蓋場景，可通過RIS來操控室分系統(tǒng)的反射信號，從而增加額外鏈路，提升系統(tǒng)容量及可靠性。

8.  新型收發(fā)信機。除了可重塑無線信道之外，通過RIS還可以實現(xiàn)信號發(fā)射機或者接收機的功能。這是怎么實現(xiàn)的呢？
既然RIS是可實時編碼的，那么我們將基帶信號以編碼的形式導(dǎo)入到RIS控制器，再將目標頻段的射頻載波發(fā)射到RIS上，通過反射就可以將基帶信號調(diào)制到載波之上了。

這種架構(gòu)的發(fā)射機可省去復(fù)雜而低效的射頻鏈，節(jié)省高耗能的混頻器、功放等器件，從而顯著降低發(fā)射機的成本和功耗。

RIS離我們有多遠 ？

RIS這種創(chuàng)新技術(shù)，給我們帶來了諸多激動而心而充滿想象力的應(yīng)用前景。那它目前實際測試的效果如何，技術(shù)是否成熟，研發(fā)處于什么狀態(tài)，我們什么時候可以用上RIS呢？

目前學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界正在積極探索RIS實際部署的性能，以期采用它來解決5G毫米波的覆蓋難題，并在未來也在太赫茲頻段中應(yīng)用。

IEEE ComSoC在2020年8月份成立了獨立的RIS-ETI工作組，IEEE JSAC等權(quán)威期刊已將RIS列為6G潛在技術(shù)加以研究。

今年，3GPP對5G下一階段演進：5G-Advanced的標準化正式提上日程，RIS也正是R18協(xié)議重點的研究課題之一。

大量測試結(jié)果表明，RIS的部署可以將用戶吞吐量提升1~2倍，室外小區(qū)邊緣覆蓋提升3~4倍，室內(nèi)覆蓋提升約10dB?？梢?，RIS可帶來的增益是非常明顯的。

作為通信系統(tǒng)的一部分，RIS的成熟度與不同頻段器件的成熟度密切相關(guān)。目前在較低頻段（Sub-6G，毫米波低頻段）的器件成熟度較高，然而在毫米波高頻段和太赫茲的成熟度較低，RIS的成本和能耗優(yōu)勢還難以充分體現(xiàn)。

此外，當前RIS的硬件架構(gòu)設(shè)計、基帶處理算法、以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計還都處于探索階段，現(xiàn)階段主要以性能驗證為主，其商用部署還需要很長的路要走。

并且，要大規(guī)模應(yīng)用RIS，選址和部署也存在一定的困難。RIS對信號的反射雖然可以做到準無源，但其動態(tài)編碼離不開控制器，而控制器也是需要供電的，由此帶來的成本也不低，也限制了RIS的使用。

因此，建議業(yè)界在驗證RIS技術(shù)時，先從預(yù)先編碼好的無源靜態(tài)RIS板開始，再逐漸過渡到半靜態(tài)可控的RIS，然后再結(jié)合AI技術(shù)，驗證全動態(tài)編碼下的RIS。這也是循序漸進、摸著石頭過河的歷程。

前途是光明的，道路是曲折的。RIS，這項旨在重塑無線傳播環(huán)境的創(chuàng)新技術(shù)，未來必將成為移動通信領(lǐng)域的重大突破。
讓我們在6G時代見證RIS的輝煌。

參考文檔

1. Towards Smart and Reconfigurable Environment: Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Network. By Wu Q, Zhang R. 

2. RIS前沿技術(shù)系列講座，東南大學，金石教授

3. 智能超表面技術(shù)演進報告，6G推進組
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