程強，戴俊彥，柯俊臣，梁竟程，王思然

（1. 東南大學(xué)，江蘇 南京 210007；2. 香港城市大學(xué)，香港 999077）

1 引言

未來的通信系統(tǒng)對時延、吞吐量以及可靠性等方面提出了更高的要求，特別是在未來的大規(guī)模工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，大量需求還未得到滿足。在當(dāng)下5G系統(tǒng)部署中，成本、能耗以及系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度還存在諸多不足，其在實際應(yīng)用中還存在許多問題。面向6G超大規(guī)模MIMO和太赫茲無線通信，傳統(tǒng)無線收/發(fā)機硬件架構(gòu)面臨高復(fù)雜度、高成本、高能耗等挑戰(zhàn)，因此探索新體制收/發(fā)機架構(gòu)具有重要意義。傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)無法主動控制無線信道環(huán)境，只能通過信道測量建立信道模型并設(shè)計收/發(fā)機算法。探索突破傳統(tǒng)無線信道不可控特性，重塑無線傳播環(huán)境，進(jìn)而大幅提升無線通信系統(tǒng)性能，將為無線通信的發(fā)展提供新的可能。

智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）是一種在亞波長尺度上設(shè)計結(jié)構(gòu)單元，并安排單元的排列組合以實現(xiàn)操控電磁波的幅度、相位、極化和頻率等信息的二維人工表面。通過使用二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”對智能超表面的單元編碼，其中“0”或“1”可代表單元不同的電磁參數(shù)，如反/透射幅度、相位、極化等，從而將電磁波在智能超表面的電磁響應(yīng)數(shù)字化，以便于智能超表面的優(yōu)化和設(shè)計[1]。智能超表面單元上通常加載有高速電響應(yīng)器件（如PIN管、變?nèi)莨芎蚆EMS開關(guān)等），因此可以簡單、靈活、快速地控制智能超表面單元在“0”或“1”狀態(tài)間切換，且損耗極低。在此基礎(chǔ)上，通常還會利用 FPGA、單片機等成熟的數(shù)控手段，將相應(yīng)的編碼序列輸送給智能超表面用以調(diào)控智能超表面各單元的編碼狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)遠(yuǎn)場方向圖的實時現(xiàn)場可編程操作，或是直接對入射電磁波進(jìn)行幅度、相位調(diào)制，從而構(gòu)成新型的發(fā)射機系統(tǒng)，這樣的發(fā)射機系統(tǒng)無須混頻器和濾波器，降低了對功放帶寬性能要求。

通過在智能超表面形成特定的編碼序列，可以使入射智能超表面的電磁波發(fā)生異常反射和異常折射等電磁現(xiàn)象。基于傅里葉變換理論中的時移特性，將智能超表面的控制信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r，可實現(xiàn)獨立調(diào)控諧波幅度/相位的方法，與傳統(tǒng)空間編碼相結(jié)合后，可以實現(xiàn)電磁波特定的諧波方向圖與強度的獨立調(diào)控（圖1（a））[2]。若在不同時間序列上快速切換智能超表面上的編碼，使得其反射相位線性變化，可以實現(xiàn)對入射智能超表面電磁波的特定諧波的高效生成，從而實現(xiàn)非線性調(diào)制（圖1（b））[3]。加入了時間維度的智能超表面的功能得到了極大的提升，這不僅使得部署有智能超表面的無線通信系統(tǒng)可以動態(tài)地改變無線通信信道，提高無線通信的性能，構(gòu)成低損耗多終端的無線中繼（圖1（c））[4]，還可以構(gòu)建基于智能超表面的無線通信發(fā)射機（圖1（d））[5]，為下一代無線通信提供新方案。

圖1 智能超表面的應(yīng)用場景

智能超表面可以用標(biāo)準(zhǔn)的PCB工藝加工制造，其背面是一塊完整的金屬層，用來反射電磁波；中間是一層低損耗的介質(zhì)板，用來隔離金屬背板和表層金屬貼片；其表面上的單元加載了高速電響應(yīng)元器件，用以調(diào)控入射到智能超表面上的電磁波的幅度、相位等物理信息。智能超表面會利用PIN管的斷開和導(dǎo)通兩個狀態(tài)分別實現(xiàn)單元的“0”和“1”相位狀態(tài)，或是利用變?nèi)莨艿碾娙蓦S反向電壓變化的特性連續(xù)地改變單元的相位響應(yīng)，從而構(gòu)成多比特的相位編碼智能超表面，也可以利用PIN管在半導(dǎo)通狀態(tài)下電阻隨電壓連續(xù)變化的特性改變單元的幅度響應(yīng)，從而構(gòu)成多比特的幅度編碼智能超表面。相較于傳統(tǒng)的電磁超表面，智能超表面的優(yōu)點在于可以利用其中的高速電響應(yīng)元器件實現(xiàn)智能超表面單元電磁響應(yīng)的實時變化，從而可以快速改變通信信道環(huán)境，提高通信系統(tǒng)的性能和能效。

2 基于時空調(diào)制的波束調(diào)控方法

在智能超表面中，可以將反射相位相差180°的兩個狀態(tài)分別編碼為“0”和“1”（以1 bit編碼為例）。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，不同的空間編碼序列（如01010101/1110001）可以形成不同的電磁波波前，即空間電磁波束。

智能超表面除了可以定義在空間域，即使超表面單元的狀態(tài)在一個調(diào)制周期內(nèi)保持不變。也可以進(jìn)一步擴展到時間域，即通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），引入周期性的控制信號，使超表面單元的狀態(tài)在一個調(diào)制周期內(nèi)產(chǎn)生多次變化。具體而言，在平面波垂直入射下，時間調(diào)制的智能超表面散射場可以表示為[3,7]：

其中，Ei表示入射電磁場，Γ(t)表示超表面單元時變的反射系數(shù)。這里僅對反射系數(shù)的相位進(jìn)行調(diào)制，假設(shè)其幅度不變。對式（1）做傅里葉變換，智能超表面的散射場在頻域內(nèi)可以表示為：

其中，δ表示沖擊函數(shù)，*表示卷積操作符，fc表示入射電磁波頻率，f0表示周期調(diào)制頻率，ka表示k階諧波對應(yīng)的傅里葉系數(shù)。一般而言，入射電磁波頻率遠(yuǎn)大于單元的周期調(diào)制頻率。此外，第k階諧波幅度可以通過傅里葉變換得到：

其中，T表示調(diào)制頻率周期。根據(jù)式（2）和式（3），通過設(shè)計單元反射系數(shù)，可以對電磁波譜進(jìn)行調(diào)控，這說明智能超表面已經(jīng)將對電磁波的控制能力從空間域擴展到了頻域。

同時在空間域和頻域?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行調(diào)控的智能超表面，即時空調(diào)制的智能超表面[8]。以包含M×N個編碼單元的時空調(diào)制智能超表面為例，如圖2所示，在平面電磁波垂直入射的條件下，時空調(diào)制的智能超表面電磁波散射方向圖，可表示為：

圖2 時空調(diào)制的智能超表面概念示意圖

其中，θ和φ分別表示俯仰角和方位角，Emn(θ,φ)表示單元的散射方向圖，d表示單元間距，Γmn(t)表示單元的反射系數(shù)，v表示光速。進(jìn)一步，結(jié)合式（3），可以得到時空調(diào)制智能超表面的第k階諧波散射方向圖，可表示為：

其中，表示不同單元在第k階諧波處的傅里葉系數(shù)。

由廣義斯涅耳定律可知，空間散射電磁波波前的方向取決于智能超表面上的相位分布。因此，對于第k階散射諧波的波束控制，根據(jù)式（5），可以通過設(shè)計不同單元在第k階諧波處的傅里葉系數(shù)（）實現(xiàn)。進(jìn)一步地，依據(jù)同樣的流程，配合一定的優(yōu)化算法[8-9]，可以同時設(shè)計在不同階諧波處單元所對應(yīng)的傅里葉系數(shù)，進(jìn)而同時對不同階諧波波束進(jìn)行調(diào)控。時空調(diào)制的智能超表面可以同時在頻域和空域控制電磁波，這不僅增加了對電磁波控制的維度，也相應(yīng)地增加了其處理更復(fù)雜、更多樣信息的能力。

3 基于智能超表面的無線中繼

智能超表面通過調(diào)控其亞波長單元可以實現(xiàn)對電磁波傳播特性的智能控制，從而重新配置無線電磁環(huán)境，成為一種被廣泛討論的新興技術(shù)，在提高移動通信系統(tǒng)傳輸速率、覆蓋范圍以及能量效率方面具有巨大潛力。如圖3所示，通過調(diào)控在無線信道中智能超表面各單元的反射相位，經(jīng)過智能超表面反射與其他路徑傳播的信號最終在用戶端得以同相疊加，以增強接收信號功率，提高信噪比。傳統(tǒng)的無線中繼技術(shù)方案通常在半雙工模式或全雙工模式工作。其中，半雙工模式是指中繼器不同時或在不同頻率處對信號進(jìn)行接收和發(fā)送，該方案的主要缺陷在于需要兩個正交信道進(jìn)行接收和發(fā)送，以及因此造成的頻譜效率的惡化。而在全雙工模式中，中繼器能夠同時接收和發(fā)送信號，并不會惡化頻譜效率。然而，由于發(fā)送端的大功率信號會不可避免地耦合到中繼器的接收端，產(chǎn)生自干擾現(xiàn)象，從而嚴(yán)重限制了中繼器的性能。而基于智能超表面的無線中繼方案既能夠避免自干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生，又能工作在全雙工模式，加之智能超表面具有體積輕、能耗低、成本低、易部署等優(yōu)點，因而在無線中繼中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3 基于智能超表面的無線中繼

關(guān)于智能超表面在無線中繼中的應(yīng)用，已有很多相關(guān)的研究成果。其中，文獻(xiàn)[10]通過研究智能超表面的物理和電磁特性，首次建立了不同場景智能超表面在無線通信鏈路中的自由空間路徑損耗模型。研究者們使用3個不同尺寸的超表面進(jìn)行了實驗測量，分別討論了智能超表面自由空間路徑損耗與智能超表面的物理尺寸、智能超表面的近場/遠(yuǎn)場效應(yīng)、超表面單元散射方向圖，以及超表面與信號發(fā)射/接收端的距離之間的關(guān)系，為智能超表面融入無線通信鏈路框架提供了重要的理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[11]研究了智能超表面輔助中繼的單小區(qū)無線通信系統(tǒng)，通過單個智能超表面改善多天線接入點和多個單天線用戶之間的通信質(zhì)量。在同樣的用戶端接收信噪比條件下，通過聯(lián)合優(yōu)化接入點天線陣列的發(fā)射方向圖與智能超表面的反射方向圖，最小化接入點的總發(fā)射功率。在這一體系架構(gòu)中，智能超表面主要用于增強現(xiàn)有的通信鏈路性能，并不會增加額外信息，原有的直接路徑信號和經(jīng)超表面反射的輔助路徑信號均攜帶相同的信息，可以在接收端進(jìn)行相干增強，從而最大化接收功率。除了通過相干增強接收信號，智能超表面也能利用相干對消抑制不需要的信號，文獻(xiàn)[12]通過調(diào)控智能超表面的反射相位分布，在增強期望信號的同時抑制了不期望信號，可以很大限度地提高通信鏈路的保密性。文獻(xiàn)[13]中提出了智能空間的概念，其特征在于可編程的無線環(huán)境，可以在無線空間中改善所需的鏈路質(zhì)量。通過在建筑物的墻壁中嵌入低成本的超表面器件，在實驗中驗證了改變無線信道的可行性，將原有2×2 MIMO信道的信號強度增強了26 dB。

4 基于智能超表面的通信系統(tǒng)

由數(shù)字可編程超表面發(fā)展、衍生而成的智能超表面，其典型的應(yīng)用之一是構(gòu)建一種全新架構(gòu)的新型無線通信系統(tǒng)。作為智能超表面的一項重要應(yīng)用分支，基于智能超表面的新體制無線通信系統(tǒng)可以直接在超表面上處理數(shù)字信息，即基帶信號可以通過超表面直接調(diào)制到載波上，而無須額外的電路級數(shù)模轉(zhuǎn)換、調(diào)制及混頻過程。理論分析表明，智能超表面通過設(shè)計時變的反/透射系數(shù)，在精確設(shè)計電磁波的幅度譜和相位譜方面具有強大的能力[6]。因此，基于智能超表面的新體制無線通信是通過建立基帶信號和時變的反/透射系數(shù)之間的映射關(guān)系實現(xiàn)的。

靈活設(shè)計具有周期性的時變反/透射系數(shù)，可以實現(xiàn)電磁波譜幾個關(guān)鍵特征參數(shù)的自由調(diào)控，包括電磁波的幅度、相位、頻率、極化等。文獻(xiàn)[3]中提出了一種具有二進(jìn)制頻移鍵控（BFSK）調(diào)制方案的新架構(gòu)無線通信系統(tǒng)，其中智能超表面可以通過改變時間編碼序列將能量從載頻傳輸?shù)健?階諧波頻率，從而實現(xiàn)BFSK通信系統(tǒng)。圖4（a）所示為基于智能超表面的BFSK無線通信系統(tǒng)發(fā)射機的原理。其信息傳輸過程主要包括3個步驟。首先，F(xiàn)PGA基帶模塊生成原始信息（如照片、視頻等）的比特流；其次，將比特流映射到不同的時間編碼序列集，可以產(chǎn)生BFSK方案所需的特定諧波分布；最后，入射波被時間編碼序列調(diào)制，由智能超表面?zhèn)鬏敂y帶數(shù)字信息的調(diào)制電磁波。實驗結(jié)果展示如圖4（b）所示，其中傳輸?shù)男畔⒃矗▓D片）被無線接收機成功接收并完好恢復(fù)，信息的傳輸速率為78.125 kbit/s，頻率為3.6 GHz。

上述BFSK通信系統(tǒng)實驗性地驗證了基于智能超表面的新體制無線通信系統(tǒng)的可行性，但其傳輸速率較低、能量利用率低。為了進(jìn)一步提高傳輸速率，文獻(xiàn)[7]提出了一種正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制方案的無線通信系統(tǒng)。QPSK系統(tǒng)中智能超表面實物圖和不同發(fā)射功率下測量的星座圖結(jié)果如圖4（c）所示，從實測中可以看出系統(tǒng)的4個星座點清晰可分辨。最終，QPSK無線通信系統(tǒng)可以在4 GHz頻率下，以1.6 Mbit/s的信息傳輸速率流暢地傳輸一段高分辨率視頻文件。在此基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)符合理論標(biāo)準(zhǔn)的星座圖分布以及一些高階調(diào)制方案（如8PSK、16QAM等），文獻(xiàn)[5,14,15]相繼提出了一種基于智能超表面的諧波調(diào)制方法：通過調(diào)節(jié)智能超表面的時變反射相位波形，在+1階諧波頻率處合成任意的星座圖。在對不同調(diào)制方案的實驗驗證中，文獻(xiàn)[15]制作了一種工作在4.25 GHz頻率附近的智能超表面，可實現(xiàn)4.25 GHz頻率下反射相位具有360°相位全覆蓋。圖4（d）中分別展示了基于上述智能超表面的無線通信系統(tǒng)所合成的QPSK、8PSK和16QAM的星座圖。此外，為了衡量發(fā)射機的通信性能，該工作還測量了3種調(diào)制方案不同發(fā)射功率對應(yīng)的誤比特率性能。最終，該系統(tǒng)可以在4.25 GHz處以16QAM實現(xiàn)10 Mbit/s的通信速率。從這些測試結(jié)果中可以看出，相比于之前的智能超表面通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳輸速率、星座圖分布和BER特性等無線通信的關(guān)鍵性能上都有了長足的進(jìn)步。

圖4 智能超表面在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

然而，上文所述的基于智能超表面的無線通信系統(tǒng)并未涉及空域調(diào)制。因此，文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步提出了基于空時編碼（STC）的智能超表面，可以在空間域中通過信息編碼來實現(xiàn)可調(diào)控的空間信息分配，提高通信容量?；谠撝悄艹砻鏄?gòu)建的無線通信系統(tǒng)可以在多信道無線通信系統(tǒng)中實現(xiàn)空分和頻分復(fù)用技術(shù)：通過對優(yōu)化的STC矩陣進(jìn)行編碼，不同的數(shù)字消息可以同時獨立直接地傳輸給多個用戶，從而建立了直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗤ǖ罒o線通信系統(tǒng)，如圖4（e）所示。在這種情況下，不同的數(shù)據(jù)流直接發(fā)送到位于不同方向的指定用戶。每個指定用戶通過特定頻率擁有獨立的接收信道，而位于其他方向的不想要的用戶無法恢復(fù)正確的信息。為了進(jìn)行實驗驗證，構(gòu)建了一個雙通道無線通信系統(tǒng)，將兩張不同的圖片傳輸給兩個用戶，如圖4（e）所示。實測結(jié)果表明，兩幅不同的圖像以高傳輸速率同時傳輸給兩個不同用戶，驗證了空間和頻率復(fù)用信息編碼方案的可行性。

總體而言，仿真和實驗結(jié)果均有效證明了新架構(gòu)無線通信系統(tǒng)的良好性能，簡化了傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的架構(gòu)，在未來的6G通信場景中具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

隨著6G的研究在全球范圍內(nèi)逐漸展開，智能超表面因其獨特的電磁調(diào)控特性和簡單的硬件架構(gòu)，成為一種極具潛力的新技術(shù)，可用于改善信道環(huán)境、實現(xiàn)信息調(diào)制、提高系統(tǒng)性能和降低搭建成本，促進(jìn)了新一代無線通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。