［陳學軍］

1 引言

雖然5G 網(wǎng)絡正在世界范圍內(nèi)大規(guī)模建設，但其關鍵的物理層技術主要涉及sub-6G 波段的大規(guī)模MIMO，而最初設想作為5G 網(wǎng)絡三種主要技術之一的毫米波通信[1]仍在努力發(fā)展之中，其中所受制因素可想而知，其應用的關鍵障礙包括其對阻塞的敏感性、嚴重的路徑損耗導致較差的覆蓋范圍等。然而，隨著一些新型應用的不斷涌現(xiàn)，如沉浸式虛擬現(xiàn)實、全息投影、數(shù)字孿生、仿生機器人和腦機接口等，預計在6G 時代進一步得到支持[2]。這些應用需要更高的服務質(zhì)量要求（QoS），如極高的數(shù)據(jù)速率（Tbit/s）、超高的可靠性（99.9999%）和超低的延遲（0.1 ms），在現(xiàn)有5G 系統(tǒng)下難以得到實現(xiàn)。鑒于在較高頻率下有大量可用帶寬，毫米波甚至太赫茲波段的通信將是大勢所趨。一方面基站部署大規(guī)模MIMO 的陣列增益可彌補高頻下的路徑損耗，但卻無法有效解決阻塞問題（如人體、墻體阻擋等），另一方面部署更多的基站盡管可以幫助緩解覆蓋難題，但無論從其基礎設施（包括回傳管道）還是能耗來看，這顯然是一個飲鴆止渴而難以為繼的解決方案。因此，業(yè)界急需一種新的可大幅降低成本的技術來解決這些問題。

最近，一種稱作可重構(gòu)智能表面（Reconfigurable Intelligent Surfaces，RIS）被認為是一種有吸引力的關鍵技術[3]，有效解決上述問題。通過在大型的建筑物平面（例如室內(nèi)墻壁或天花板、建筑物或室外標牌）上安裝RIS，在障礙物的周圍反射射頻能量，重配無線信道，使得可以建立一條在從毫米波源到接收端之間的視距傳播路徑（LOS），當然低成本會是它能否成功的關鍵。

下面我們通過回答關于RIS 的若干關鍵問題：（1）什么是RIS，（2）它可以應用在哪里，使得工程技術人員對該新形態(tài)的多天線技術有個初步的認知，為未來移動網(wǎng)絡的工程建設發(fā)展做認知儲備。

2 RIS 概述

一個RIS 指的是一個平面表面，由一組無源反射元件組成，每個元件都可以獨立地將所需的相位疊加到入射信號上。通過有目的性的調(diào)整相關反射元件的相位等參數(shù)，重新配置無線信道，使得反射信號以向其期望的方向傳播[4]。由于超表面材料的快速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以通過實時重新配置每個器件的反射系數(shù)，來適應動態(tài)變化的無線傳播環(huán)境。

如圖1 所示，典型的RIS 結(jié)構(gòu)主要由平面表面和控制器組成。平面表面可由單個或多層組成。外層有大量的反射元件印在介質(zhì)襯底上直接作用于入射信號，中間層是銅面板，可避免信號/能量泄漏，最后一層是用于調(diào)整RIS 元件反射系數(shù)的電路板，該電路板由智能控制器（如FPGA）操作，在為其應用設想的典型場景中，我們首先在基站處計算RIS 的最佳反射系數(shù)，然后通過一條專用的反饋鏈路下發(fā)到RIS 的控制器中以便進行參數(shù)調(diào)整。而反射系數(shù)的設計則取決于信道狀態(tài)信息（CSI），該信息只有在CSI 變化時才需更新，其時長相比數(shù)據(jù)符號持續(xù)時間可能要長得多。因此，低速率的反饋對于專用控制鏈路是足夠的，如可以使用Cat0 等低速物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)。圖1（b）顯示了每個反射元件的結(jié)構(gòu)，其嵌入了一個PIN 結(jié)二極管，通過偏置線控制電壓，PIN 結(jié)可以在“ON”和“OFF”模式之間切換，如圖1（c）中的等效電路所示。它可以實現(xiàn)π 相位差的調(diào)整，當然為了增加相移水平的階數(shù)，可以在每個元素中集成更多的PIN 組合。

圖1 可重構(gòu)智能表面（RIS）結(jié)構(gòu)

RIS 在低成本實現(xiàn)上有重要的優(yōu)勢。例如，RIS 反射元件只被動地反射傳入信號，而不需要任何復雜的信號處理（SP）操作，因為不需要射頻收發(fā)器件，與傳統(tǒng)的有源發(fā)射機相比，RIS 可以實現(xiàn)低成本和低功耗。此外，由于反射元件的無源被動性質(zhì)，RIS 可以使用輕質(zhì)和有限的厚層制作，使得它們可以很容易地安裝在諸如墻壁、天花板、標牌、路燈等建筑物表面。此時，RIS 自然在全雙工（FD）模式下工作，無自干擾或引入熱噪聲。在表1 中給出了RIS 與各種中繼方案的比較。

表1 RIS 與協(xié)作（中繼）方案對比

3 RIS 應用場景

除了應用在高頻通信場景，RIS 其實是可以在傳統(tǒng)的6 GHz 以下通信中發(fā)揮作用的。具體來說，通過有效地調(diào)整反射元件的相移，反射信號與來自直傳路徑的信號疊加，便可以提高所需的信號功率。反過來說，它們也可以抵消多用戶干擾或竊聽側(cè)的信息泄漏帶來的有害影響。因此，可以說RIS 提供了額外的空間自由度，通過重新配置無線傳播環(huán)境來進一步提高系統(tǒng)性能。

為了闡明RIS 的優(yōu)點，圖2 給出了RIS 系統(tǒng)模型。該模型由單天線源發(fā)射節(jié)點（標記為S）和單天線目的接收節(jié)點（標記為D）組成，同時在S 和D 之間部署一個具有單個反射元件的RIS，其反射系數(shù)為γ。由于RIS 是被動反射的，所以γ 應該滿足|γ|＜1。其中，hSR，hRD和hSD分別表示由S 到RIS、RIS 到D 以及S 到D 的標量信道增益。變量α、β 和ρ 是相應的正信道增益，θ、φ和μ 是信道相位。通過靈活設置反射系數(shù)γ 的值，RIS可實現(xiàn)信號增強和信號抵消的作用。

圖2 RIS 系統(tǒng)模型

實際場景中基站可能配置多天線，而RIS 則由大量的反射元素組成，每個元素都可以配置適當和獨立的相移。一般而言，基站側(cè)的數(shù)字波束賦形（DB）和RIS 的模擬波束賦形（AB）均可同時發(fā)揮作用，但由于基站和RIS波束之間存在相關性，信道緊密耦合，要獲得全局最優(yōu)解復雜度較高。為了解決上述最優(yōu)化問題，可以簡化利用單變量迭代算法，具體求解一組波束賦形向量，同時固定另一組波束賦形向量，反復求解這個過程，直到達到收斂為止。

下節(jié)我們將給出一些典型的甚至可在各種Sub-6 GHz系統(tǒng)中應用的RIS，如多小區(qū)組網(wǎng)、無線攜能通信（SWIPT）、移動邊緣計算（MEC）、多播網(wǎng)絡、保密通信系統(tǒng)和認知無線電等。

3.1 RIS 輔助多小區(qū)組網(wǎng)

為了最大限度地提高頻譜效率，不同小區(qū)的多個基站復用相同的頻率資源，但這會導致小區(qū)間干擾，特別是對于小區(qū)邊緣用戶。具體來看，小區(qū)邊緣用戶從其服務基站接收到的所需信號功率與從其相鄰小區(qū)接收到的干擾相當，此時小區(qū)邊緣用戶的信噪比SINR 很低。為了解決這個問題，可在小區(qū)邊緣部署RIS，如圖3 所示。在此場景下，RIS 能夠同時增強從服務基站接收的信號，同時抵消來自另一個基站的干擾。相關文獻的仿真結(jié)果表明[5]，具有80個反射器件的RIS 系統(tǒng)，其吞吐率是沒有RIS 的兩倍。

圖3 RIS 多小區(qū)組網(wǎng)

3.2 RIS 輔助SWIPT 網(wǎng)絡

無線攜能通信（SWIPT）是一種很有吸引力的技術，是無線充電+無線通信的組合技術。在SWIPT 系統(tǒng)中，具有恒定電源的基站向兩組接收機廣播無線信號。一組稱為信息接收器（IRs），需要解碼接收到的信號，而另一個組稱為能量接收器（ERs），從信號中獲取能量。SWIPT關鍵的挑戰(zhàn)是ERs 和IRs 要在不同的功率等級下工作。顯然，IRs 要求接收功率為-60～-100 dBm，而ERs 只能在最小功率大于-10 dBm 時工作?？紤]到由于信號衰減限制了ERs 的實際使用范圍，所以應將ERs 部署在比IRs 更接近基站的位置，以獲得足夠的功率，如圖4 所示。相關文獻仿真結(jié)果表明[6]，為了確保最小收獲功率為0.2 mW（-7 dBm），當RIS 配備40 個反射元件時，ERs 的工作范圍可以從5.5 m 擴展到9 m。通過在RIS 中配置更多的反射單元，可進一步擴展工作范圍。

圖4 RIS 輔助SWIPT 系統(tǒng)

3.3 RIS 輔助MEC 網(wǎng)絡

在未來擴展虛擬現(xiàn)實等新的應用中，要實時執(zhí)行大計算量的圖像和視頻處理任務。然而，由于終端的電源和硬件能力受限，這些任務無法在本地完成。為了解決這個問題，相關的計算密集型任務可以卸載到部署在網(wǎng)絡邊緣的強大計算節(jié)點上。當設備移動至遠離MEC 節(jié)點的位置時，由于信號衰落，網(wǎng)絡將無法滿足業(yè)務所需速率和時延要求?；赗IS 輔助的MEC 框架，如圖5 所示。相關文獻仿真結(jié)果表明[7]，極端情況下如果采用100 個單元的RIS，則端到端時延可從～100 ms 降低到～50 ms。

圖5 RIS 輔助MEC 網(wǎng)絡

3.4 RIS 輔助多播組播網(wǎng)絡

一些使用組播或者多播傳輸?shù)牡湫屠尤缫曨l會議、視頻游戲和電視廣播等，在多播組播通信中，每個組共享相同的內(nèi)容，而每個組的數(shù)據(jù)速率則受到信道增益最弱的用戶的限制。圖6 顯示了一種RIS 輔助組播組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖所示。通過調(diào)整RIS 相移，可以增強信號較弱用戶的信道狀況。

圖6 RIS 輔助多播組播網(wǎng)絡

3.5 RIS 輔助保密通信網(wǎng)絡

由于無線網(wǎng)絡的廣播性質(zhì)，無線鏈路容易受到干擾攻擊或安全信息泄漏等安全威脅。傳統(tǒng)的安全通信技術依賴于協(xié)議棧上層的加密。然而，此方法帶來復雜的安全密鑰交換和管理，增加了通信延遲和系統(tǒng)復雜性。近年來，物理層保密通信技術受到了廣泛的研究關注，解決如何避免復雜的密鑰交換協(xié)議問題，適合于對延遲敏感的應用。為了最大限度地提高安全通信鏈路的速率，提出了人工噪聲和多天線技術[8]。然而，當合法用戶和竊聽者都有相關渠道或竊聽者比合法用戶更接近基站時，可實現(xiàn)的安全速率仍比較有限。為了解決這個問題，RIS 可部署在安全敏感區(qū)域的網(wǎng)絡中，如圖7 所示，以減少對竊聽者的信息泄漏，同時增加合法用戶的接收信號功率。

圖7 RIS 輔助保密通信網(wǎng)絡

3.6 RIS 輔助認知無線電網(wǎng)絡

認知無線電允許以“機會方式”接入頻譜的次級用戶（Secondary User）通過對頻譜的感知和分析，智能地使用空閑頻譜并避免對擁有授權頻段的主用戶（Primary User）形成干擾，而主用戶以最高的優(yōu)先級使用被授權的頻段。當主用戶要使用授權頻段時，次級用戶需要及時停止使用頻譜，將信道讓給主用戶，那么當前頻譜效率低下的現(xiàn)狀將得以大大的改善。一個普遍的方法是使用波束賦形最大限度地提高次級用戶的吞吐率，同時確保主用戶的接收干擾功率保持在一定門限以下。然而，當SU-TX到SU-RX 鏈路較弱時，波束賦形增益有限，而SU-TX 和PU-RX 之間的信道增益要高得多。此時在PU-RX 附近部署一個RIS，如圖8 所示，通過RIS 的信號消除用于減輕對PU-RXs 的干擾，而其信號增強提高了SU-RXs 的信號功率。相關文獻仿真結(jié)果表明[9]，通過部署具有100 個反射元素的RIS 實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率是沒有RIS 的兩倍。

圖8 RIS 輔助認知無線電網(wǎng)絡

4 小結(jié)

在本文中，我們回答了與RIS 相關的幾個關鍵問題。相關研究結(jié)論表明，RIS 能夠減輕具有挑戰(zhàn)性的毫米波或太赫茲通信帶來的阻塞和覆蓋問題。文章簡要介紹了RIS的基本硬件架構(gòu)及其相比較于協(xié)作（中繼）通信的主要優(yōu)勢，重點展望了未來RIS 可以應用的幾個典型場景，以期能提供給相關工程技術人員關于RIS 的基本概念。