馬紅兵/MA Hongbing，張平/ZHANG Ping，楊帆/YANG Fan，王欣暉/WANG Xinhui，張建華/ZHANG Jianhua，劉秋妍/LIU Qiuyan

（1. 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司，中國北京 100032；2. 北京郵電大學(xué)，中國北京 100876；3. 清華大學(xué)，中國北京 100084；4. 中興通訊股份有限公司，中國深圳 518057）

1 研究背景

隨著無線網(wǎng)絡(luò)容量需求的持續(xù)快速增長，未來十多年，無處不在的無線連接將會成為現(xiàn)實，“通信-感知-計算”一體化的網(wǎng)絡(luò)也將可能實現(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無線網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵問題。

一直以來，隨心所欲地調(diào)控電磁波是人們不斷追尋的夢想。麥克斯韋方程組的出現(xiàn)使得人們對電磁波的掌控能力有了飛速提升，但受限于材料相對固定的電磁參數(shù)，人們對電磁波的控制力僅局限于發(fā)射機和接收機。近年來，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)計的電磁單元排列組成。通過給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號，RIS可以動態(tài)地控制這些電磁單元的電磁性質(zhì)，進而實現(xiàn)以可編程的方式對空間電磁波進行主動的智能調(diào)控，形成相位、幅度、極化和頻率可控制的電磁場。作為超材料的二維實現(xiàn)，RIS天然具有低成本、低復(fù)雜度和易部署的特性，可用于解決未來無線網(wǎng)絡(luò)面臨的問題。RIS的引入使得無線傳播環(huán)境從被動適應(yīng)變?yōu)橹鲃涌煽?，從而?gòu)建了智能無線環(huán)境（SRE）。

從2020 年開始，中國學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合，開展了一系列RIS產(chǎn)業(yè)推進活動，極大地促進了RIS的技術(shù)研究與工程化進程。2020 年6 月，國際移動通信（IMT）-2030 推進組無線技術(shù)組成立了“RIS任務(wù)組”。同年9月，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）TC5-WG6成立“RIS研究項目”。2021年9 月17 日，IMT-2030（6G）推進組在6G 研討會RIS 分論壇上正式發(fā)布業(yè)界首個《智能超表面技術(shù)研究報告》。2021年9月24日，“第一屆智能超表面技術(shù)論壇”大會召開，會議主題為“使能智能無線環(huán)境，重構(gòu)未來移動通信網(wǎng)絡(luò)”。2022年4月7日，智能超表面技術(shù)聯(lián)盟（RISTA）暨第一屆會員大會在北京召開，這標(biāo)志著智能超表面技術(shù)聯(lián)盟正式成立。

目前，中國在RIS的材料工藝、理論研究、實現(xiàn)算法及工程試驗等方面做出了重大貢獻。作為未來通信關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域中一個極具潛力的方向，RIS 有機會在5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)中提前落地，并可能在未來6G 網(wǎng)絡(luò)中使能智能無線環(huán)境，進而帶來全新的網(wǎng)絡(luò)范式。

近期，產(chǎn)業(yè)界在現(xiàn)網(wǎng)中針對RIS技術(shù)進行了一系列的測試驗證工作。眾多測試結(jié)果表明，RIS 的部署可以有效提高無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和覆蓋性能。

作為一種動態(tài)電磁參數(shù)調(diào)控技術(shù)，RIS在多個領(lǐng)域已經(jīng)初步展示了其強大的性能。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)用場景以及趨勢與挑戰(zhàn)等方面對RIS進行探討。

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)展了半個多世紀(jì)，這為RIS理論體系的建立奠定了堅實基礎(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

從廣義上來說，RIS是超材料（也稱為電磁超材料）的一個分支。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)超表面和動態(tài)可調(diào)超表面。RIS一般被認為屬于動態(tài)可調(diào)超表面。當(dāng)然，業(yè)界有時也會把固定參數(shù)超表面作為RIS 研究的一個特例去考慮。超材料最初是以“左手材料”和“雙負媒質(zhì)”的名稱為人所知的。1967 年，V.VESELAGO 教授發(fā)表了一篇俄語論文。1968 年，這篇文章被翻譯成英文后發(fā)表。該文首次提出了“左手材料”的概念，即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負的材料，并系統(tǒng)分析了雙負媒質(zhì)中電磁波的傳播特性，理論預(yù)測了多個新奇的異常調(diào)控現(xiàn)象。1996 年，J.B.PENDRY 爵士實現(xiàn)并驗證了負介電常數(shù)，并于1999 年提出了用周期排布來驗證負磁導(dǎo)率。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）。

傳統(tǒng)等效媒質(zhì)參數(shù)（介電常數(shù)和磁導(dǎo)率）可用來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。針對超表面的二維結(jié)構(gòu)特性，研究人員陸續(xù)提出多種理論進行分析和建模。其中，最具代表性的是2011年由F.CAPASSO教授團隊提出的廣義斯涅耳定律。廣義斯涅爾定律可以很好地刻畫電磁超表面物理特性，如公式（1）和（2）所示：

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，n和n是入射和出射界面折射率，θ和θ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)對超表面的二維結(jié)構(gòu)特性進行分析，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。界面電磁理論旨在通過對二維界面上不同種類電磁現(xiàn)象進行分析與解釋，指導(dǎo)各種電磁表面的設(shè)計與優(yōu)化。

圖1 電磁學(xué)問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（如開關(guān)二極管、變?nèi)荻O管等）或可調(diào)節(jié)材料（如液晶、石墨烯等），通過改變外部激勵，固定物理結(jié)構(gòu)的超表面可以呈現(xiàn)動態(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)崔鐵軍教授團隊提出了“數(shù)字編碼與可編程超材料/超表面”的概念，創(chuàng)新性地利用二進制編碼的形式來表征超表面，這標(biāo)志著超表面從模擬時代進入數(shù)字時代。對可調(diào)超表面的可調(diào)物理特性數(shù)字化編碼后，可以借用在計算機科學(xué)領(lǐng)域中已成熟的編碼理論和軟件算法對超表面的物理參數(shù)的調(diào)控進行優(yōu)化設(shè)計。這樣可以更好地利用人工智能（AI）算法進行智能調(diào)控。2017年，崔鐵軍教授團隊發(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。

除了上述對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，我們需要從信息科學(xué)的角度進行分析。2020 年，崔鐵軍院士團隊從信息論角度，建立碼本幾何信息熵與遠場散射方向圖的物理信息熵之間的關(guān)系：

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。2021年，清華大學(xué)戴凌龍教授團隊提出采用EIT理論來揭示基于RIS 的無線通信系統(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。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控

無論是用于新型的無線收發(fā)機，還是用于無線傳輸?shù)闹欣^節(jié)點，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)?？芍貥?gòu)電磁表面是系統(tǒng)中對空間波進行調(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?？刂葡到y(tǒng)通過對可重構(gòu)電磁表面非線性器件配置低頻控制信號，可改變局部單元的電磁特性，以實現(xiàn)對來自饋電系統(tǒng)的高頻信號進行動態(tài)調(diào)控。

（1） 可重構(gòu)電磁表面結(jié)構(gòu)設(shè)計

可重構(gòu)電磁表面設(shè)計是RIS技術(shù)的初衷和核心，需要根據(jù)實際的應(yīng)用需求來確定單元設(shè)計目標(biāo)，然后對單元主體、偏置線路等進行優(yōu)化設(shè)計。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、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)進行設(shè)計優(yōu)化，使得在所需頻段內(nèi)滿足預(yù)先設(shè)定的設(shè)計要求，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；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)，并驗證其對單元性能的影響。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

控制系統(tǒng)的控制方式主要包括機械控制、模擬信號控制、數(shù)字信號控制3類。機械控制由于其響應(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）等開關(guān)器件產(chǎn)生不同的響應(yīng)。其中，數(shù)字信號控制根據(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，不過更多控制位數(shù)會導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜度急劇增加，設(shè)計和實現(xiàn)更為困難。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心是控制碼表設(shè)計，即根據(jù)電磁波束方向設(shè)計可重構(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)先計算出各個方向碼表并存儲，使用時根據(jù)上位機的指令按地址提取對應(yīng)的碼表并完成賦值；另一種則是在線計算模式，將碼表計算程序植入處理單元，由處理單元完成碼表的計算。

2.2.2 基帶算法

（1） 信道建模在傳輸信號模型中，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)確而高效的無線信道模型是保證無線通信系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)評估合理性的基礎(chǔ)。當(dāng)前主流的信道建模方法包括基于幾何的統(tǒng)計性建模和基于射線追蹤的確定性建模方法兩類。統(tǒng)計性建模方法通過專用測量設(shè)備采集某一真實場景下的信道數(shù)據(jù)，并通過大、小尺度參數(shù)對信道數(shù)據(jù)中隱藏的特性進行統(tǒng)計描述。2021 年，崔鐵軍院士團隊對RIS 輔助無線通信的自由空間路徑損耗進行建模。

基于幾何光學(xué)與一致性繞射理論，射線追蹤方法對發(fā)射機-接收機、發(fā)射機-RIS、RIS-接收機鏈路之間的多徑射線（傳播路徑）進行精確計算，從而確定多徑射線的離開角、到達角、時延、功率等信道參數(shù)。

（2）信道估計

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

一方面，可以利用信道的雙時間尺度特性進行分段信道估計，即用戶設(shè)備（UE）的低維移動信道估計頻繁，而高維準(zhǔn)靜態(tài)的基站（BS）-RIS 信道僅需要信道統(tǒng)計信息，不需要頻繁的信道估計，從而降低了總體導(dǎo)頻開銷。另一方面，可以通過RIS電磁單元優(yōu)化分組來降低估計高維RIS信道和多用戶信道的復(fù)雜度。高頻段場景可以利用RIS 信道矩陣低秩特性，構(gòu)造聯(lián)合稀疏矩陣并設(shè)計矩陣填充問題來實現(xiàn)級聯(lián)信道估計，還可以利用多用戶信道在角度域的稀疏性來降低導(dǎo)頻開銷。可將RIS 面板劃分為不同的子塊，每個子塊在不同的時隙采用不同調(diào)控系數(shù)矩陣，依次估計出待估計信道。通感一體化技術(shù)的發(fā)展使利用感知信息輔助RIS信道估計成為可能。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是一種典型的低復(fù)雜度信道估計方法，但RIS信道分段特性和近場特性會給傳統(tǒng)碼本方案帶來挑戰(zhàn)。

（3） 波束賦形

RIS引入的級聯(lián)信道和超大規(guī)模天線陣子的特點使得系統(tǒng)的波束賦形設(shè)計變得更加復(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可以視為一個外部模擬波束預(yù)編碼單元，對相應(yīng)的相移矩陣進行設(shè)計。也就是說，RIS對來自發(fā)射機的信號采用模擬波束賦形進行電磁波反射調(diào)控。

相對于傳統(tǒng)波束賦，RIS的波束賦形有一些新的特征：

●超大規(guī)模RIS 電磁單元個數(shù)，使得設(shè)計波束賦形的電磁調(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)計基站的有源波束和RIS的無源波束。

●超大天線孔徑帶來傳播信道的近場特性。

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

2.2.3 組網(wǎng)設(shè)計

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。這兩類場景對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)域有機會部署足夠密度的RIS，并實現(xiàn)精確電磁環(huán)境智能調(diào)控。對于大范圍復(fù)雜環(huán)境，RIS主要對已有或新引入的主要傳播路徑/主散射體進行調(diào)控，半動態(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)簡單易部署，且成本較低。

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

2.3 原型驗證

（1）內(nèi)場測試

2018—2021 年，美國普林斯頓大學(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和ScatterMIMO智能超表面原型系統(tǒng)；歐洲研究機構(gòu)也成立了智能超表面研發(fā)領(lǐng)域的VisorSurf 和ARIADNE項目，通過上百次撒點測試，驗證了智能超表面在室內(nèi)場景中的波束賦形、覆蓋增強和多流增速的能力。

中國智能超表面原型系統(tǒng)研發(fā)也與其他國家基本保持同步。東南大學(xué)團隊搭建了智能超表面單輸入單輸出二進制頻移鍵控（SISO BFSK）/正交相移鍵控（QPSK）/八進制相移鍵控（8PSK）/16QAM（包含了16 種符號的正交振幅調(diào)制）/64QAM和MIMO QAM等系列原型系統(tǒng)；清華大學(xué)團隊研發(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)；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)等諸多團隊均開展了智能超表面原型系統(tǒng)研發(fā)創(chuàng)新，并與各大設(shè)備廠商開展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和內(nèi)場典型場景下的測試，持續(xù)驗證智能超表面在覆蓋補盲和多流增速等方面的性能增益。

（2）外場測試

NTT DoCoMo在2018年首次開展28 GHz智能超表面外場測試，驗證智能超表面毫米波覆蓋補盲能力；2020 年，首次開展了毫米波頻段透明動態(tài)超表面驗證測試；2021 年，進一步使用超表面透鏡驗證室外到室內(nèi)的覆蓋增強能力。2022 年，韓國LG 公司針對3.5 GHz 和28 GHz 頻段開展智能超表面外場測試驗證。

中國三大運營商也都已開啟智能超表面外場測試驗證工作。2021年下半年，中國聯(lián)通、中國移動、中國電信分別針對3.5 GHz、2.6 GHz頻段和毫米波頻段開展智能超表面技術(shù)5G外場測試，驗證了智能超表面系統(tǒng)可切實提升5G網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋和擴容提速的能力。近期，北京郵電大學(xué)針對工業(yè)場景開展智能超表面環(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)高效運行。

3 RIS技術(shù)典型場景

近年來，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)用場景。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)RIS技術(shù)的發(fā)展階段以及5G-Advanced和6G網(wǎng)絡(luò)的趨勢，分析了RIS在5G-Advanced和6G網(wǎng)絡(luò)中的典型場景。

3.1 5G-A階段典型場景

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

（1）覆蓋補盲

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

（2）多流增速

對于業(yè)務(wù)密集的熱點區(qū)域，可以通過RIS增加額外的無線通信路徑與信道子空間，從而提高信號傳輸?shù)膹?fù)用增益。尤其在視距傳輸場景中，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)目將會增加，這極大地提升了系統(tǒng)的傳輸性能。

對于小區(qū)邊緣區(qū)域，有用信號電平較弱且缺乏多徑環(huán)境，終端側(cè)的多天線能力無法充分發(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代合作伙伴計劃中的協(xié)議），在同等條件下，28 GHz毫米波信號的路徑傳輸損耗比3.5 GHz信號的路徑損耗增大約18 dB；在穿透損耗方面，對于低頻毫米波信號而言，混凝土和紅外反射玻璃材質(zhì)的障礙物幾乎無法穿透，如表1所示，樹葉、人體、車體等障礙物對低頻毫米波信號的穿透損耗均在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、部署運維成本高的嚴峻形勢。

表1 高頻信號穿透損耗3GPP的理論值及實測值

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或信號質(zhì)量較差的盲區(qū)或小區(qū)邊緣，按需動態(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，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充和延伸。

（2） RIS使能軌道角動量（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、頻段擁塞的問題，因此成為6G 潛在的關(guān)鍵技術(shù)之一。OAM 渦旋電磁場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的生成方法。通過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

未來移動通信系統(tǒng)正朝著更加智能化和軟件化的方向發(fā)展，有望通過融合環(huán)境感知技術(shù)、用戶定位功能和智能無線環(huán)境新范式，進一步拓展其網(wǎng)絡(luò)能力和應(yīng)用場景。在智能超表面輔助的無線通信系統(tǒng)中，利用智能超表面的空時調(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)勢和較高的定位精度，實現(xiàn)高精度感知定位能力。

4 RIS技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢

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

對RIS 理論模型的刻畫，雖然已有一些積累（參見2.1節(jié)），但后續(xù)還需在電磁調(diào)控物理機理、電磁信息學(xué)、信道模型等方面進一步深入探索，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。

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)無線通信中的經(jīng)典問題，例如信道估計、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單的系統(tǒng)模型，提供的機制一般僅適用于較為理想的場景。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 樣機的簡單測試，且在特定場景中展示出了一些性能增益，但距離真正的工程化應(yīng)用依然有很遠的距離。

（1） RIS 標(biāo)準(zhǔn)化。3GPP 5G-A Rel-18 立項了Smart-Repeater，這為RIS 在Rel-19 中的標(biāo)準(zhǔn)化立項，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)計將是全新的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。因此，未來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題，尤其是高頻覆蓋問題；階段2，基于5G-A 標(biāo)準(zhǔn)化機制部署半動態(tài)可調(diào)的RIS，用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋；階段3，未來無線網(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6G帶來一種全新的通信網(wǎng)絡(luò)范式。

5 結(jié)束語

移動通信網(wǎng)絡(luò)是支持百行千業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，推動經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革、動力變革的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。未來移動通信網(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，構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境將會給未來無線網(wǎng)絡(luò)帶來一種全新的范式，并有機會成為基礎(chǔ)原始創(chuàng)新取得突破的領(lǐng)域，同時引領(lǐng)全球產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和發(fā)展。

感謝中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院無線技術(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線研究院算法部趙亞軍總工對本文的指導(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。