揭开智能超表面技术的“表面”。
随着5G系统的大规模商用，在5G的下半场，产业界和学术界纷纷启动了6G技术的研究，6G的关键技术确定也成为关注焦点。在6G的研究中，智能超表面技术或可重构的智能表面技术，被广泛提及，被认为是6G的关键技术之一，也是产业链发力的重点。日前，中信科移动成功实现了智能超表面替代传统的相控阵天线、实现高速数据传输的实验，作为原生智能、网络感知、极致连接中的关键支撑，此次试验的成果，引起业界的广泛关注。无线网络容量需求的持续快速增长，让无处不在的无线连接已经成为现实，同时，随着网络容量需求的不断提升，高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线网络面临的关键问题。
长期以来，受限于材料相对固定的电磁参数，人们对电磁波的控制力仅局限于发射机和接收机，然而，智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)技术是一种具有可编程电磁特性的人工电磁表面结构，它包含大量独立的低成本无源亚波长谐振单元。每个RIS单元具备独立的电磁波调控能力，可以通过改变RIS单元的参数、空间分布等来控制每个单元对无线信号的响应，例如相位、幅度、极化等。通过大量RIS单元的无线响应信号的互相叠加，在宏观上形成特定的波束传播特征，从而形成灵活可控的赋形波束。简单理解来看，智能超表面能够灵活操控信道环境中的电磁特性，进而实现以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控，同时，作为超材料的二维实现，RIS天然具有低成本、低能耗和易部署的特性，可用于解决未来无线网络面临的诸多问题。作为多天线技术的一种扩展，智能超表面技术近年来受到了业界越来越高的关注，并引发了针对相关技术理论及应用方案的深入研究与广泛探索。据悉，从2020年开始，中国学术界与产业界联合，开展了一系列RIS产业推进活动，极大地促进了RIS的技术研究与工程化进程。其中，2020年6月，IMT-2030(6G)推进组无线技术组成立了“RIS任务组”。同年9月，中国通信标准化协会(CCSA)TC5 WG6成立“RIS研究项目”。2021年9月17日，IMT-2030 (6G)推进组在6G研讨会RIS分论坛上正式发布业界首个《智能超表面技术研究报告》。2022年4月7日，智能超表面技术联盟(RISTA)暨第一届会员大会在北京召开，这标志着智能超表面技术联盟正式成立。在这之中，作为设备商的代表，华为、中兴、中信科移动等设备商纷纷投入在RIS的研发之中。其中，华为6G研究团队全面投入可重构智能超表面关键技术及原型系统研究工作，在Ku/10GHz中频段、毫米波等6G潜在机会频段，对基础电磁响应、场景化波束赋形、多频段干扰及消除等技术，完成原型系统测试与验证。中兴通讯也与中国联通在上海完成业内首个5G高频基站与智能超表面反射面板联合部署的技术验证测试。而聚焦本次的中信科移动，该次实验实现了智能超表面替代传统的相控阵天线、实现高速数据传输，通过毫米波基站，基于智能超表面的大规模天线阵列构建灵活多流波束赋形发射机，实现多流波束赋形高效传输，在业界首次实现了RIS作为基站发射机天线阵列场景，毫米波手持终端接入的技术实验。经室内环境的实地测试，这一系统可以稳定地实现多流数据传输，手持终端单用户下行数据速率可达5Gbps以上，频谱效率达到8.4bps/Hz，体现了良好的性能。而这一验证结果也初步展现了未来移动通信系统中智能超表面技术在支持多天线维度扩展及传输能力提升方面的巨大潜能，为大规模天线系统的低成本、低功耗与轻量化发展指引了新的方向，为天线规模的进一步扩大、性能的进一步增强以及向着更多应用领域的拓展奠定了基础。无疑，5G作为新一代信息通信技术的发展方向，承载着数字经济发展的关键支撑，当前，我国正积极开展5G融合应用探索，而应用的背后，稳定的网络覆盖需求持续凸显。
当前，大规模天线技术作为提升频谱效率的重要手段，已经在5G网络中得到广泛应用，然而，随着天线数目的不断增大，单基站成本、功耗、体积重量等约束条件对于超大规模天线应用带来明显制约，使得更大规模天线应用受到很多的限制。记者了解到，相比于传统的有源天线阵列，RIS具备低成本、低能耗，并且可编程、易部署、以更大天线规模取得高赋形增益等特点，可以被用来增强覆盖、提高吞吐量、提升能效等，同时，将RIS用在发射机，可以更低的成本与能耗实现超大规模天线阵列，可实现更灵活波束赋形，更大的波束扫描角度，简化发射机结构，特别适宜用在中继补盲，拓展覆盖范围。具体来看，在车联网场景，依托RIS轻量级、小型化、低成本、高效能的特性，可以解决车与车之间或车与基站之间的信号阻塞问题，保障车辆间的动态通信，提升车辆的覆盖范围，为车联网的发展提供了新的解决思路与可行方法，也极大促进了RIS在无人机、通信中的应用与发展;无人机、卫星场景，RIS可以极大减轻的天线阵列自重，减小阵列体积，更易于拓展阵列规模以获得更高的阵列增益，也可以实现空间调制;绿色节能上，将RIS用于能量收集与传输，一方面可以解决RIS自身的能量供给问题，另一方面可以通过RIS反射射频能量来为目标用户提供能量供给，这为绿色通信提供了新的解决思路与可行方法。目前，业界大部分的研究主要集中在中继型智能超表面技术的探索和应用研究，大部分场景主要应用于无线通信系统的中继补盲，实现覆盖的扩展，包括非视距场景增强、解决局部空洞、支持边缘用户等，还有部分在研究基于RIS的高精度定位与感知。但是，中继型智能超表面技术仍然存在级联信道信息获取困难，需要大面积的RIS阵列来保证接收信号能量、无源RIS无法实现高效波束跟踪、异构网络下的互干扰等技术亟待突破。值得一提的是，目前中国在RIS的材料工艺、理论研究、实现算法及工程试验等方面做出了重大贡献，而作为未来通信关键技术领域中一个极具潜力的方向，RIS有机会在5G-Advanced网络中提前落地，并可能在未来6G网络中使能智能无线环境，进而带来全新的网络范式。当前，6G网络关键技术的研究及技术验证吸引了学术界和产业界的极大关注。事实上，当我们在讨论5G技术和6G技术时，如何界定6G技术和5G技术的范畴是一个很重要的问题。
记者了解到，高频毫米波是5G-Advanced和6G潜在工作频段。高频信号存在路径损耗较大，小区半径较小，受障碍物遮挡、雨雪天气、环境吸收影响大等缺点，使得应用场景上存在较大的限制。通过智能超表面技术，可以使得毫米波应用场景取得较大的改善。一方面可在基站和终端用户之间部署智能超表面设备，通过中继型智能超表面能够在视距通信不可达或信号质量较差的盲区或小区边缘，按需动态建立非视距链路，从而提升网络深度覆盖质量，减少覆盖盲区;但是，中继型智能超表面技术仍然存在级联信道信息获取困难，需要大面积的RIS阵列来保证接收信号能量、无源RIS无法实现高效波束跟踪等技术亟待突破。另一方面，将RIS作为发射机，和传统天线阵列相比，利用RIS构建了规模更大的天线阵列形态，从而实现毫米波系统实现更大覆盖和更高容量。在索士强看来，随着智能超表面技术的新型天线阵列技术成熟，也可能用于5G-Advanced系统设备中，实现6G技术的5G化应用。目前，除了基于智能超表面的大规模天线多流传输发射机方案测试验证之外，为了配合IMT-2030(6G)推进组智能超表面技术测试验证工作，中信科移动还开展了针对智能超表面辐射特性与非视距(NLOS)场景及补盲方案等项目的测试，检验了智能超表面的关键性能指标，并验证了智能超表面作为中继的覆盖补充效果。需要指出的是，在RIS推进中，仍存在涉及理论模型、应用技术、工程化研究等方面挑战。首先，理论模型的刻画上，虽业界已有一些积累，但后续还需在电磁调控物理机理、电磁信息学、信道模型等方面进一步深入探索，以尽快构建完善的理论体系，同时，RIS是材料科学、电磁学、信息与电子学、通信工程等多学科交叉融合的技术，需要多学科协同推进。无疑，本次智能超表面技术的推进，验证了智能超表面阵列作为基站发射机天线阵列构建灵活多流波束赋形的技术可行性，拓宽了智能超表面的应用场景，有助于加快智能超表面技术的落地和产业化进程，未来，随着超材料天线的应用推广，智能超表面设备形态将更加丰富多样，而低成本、低功耗、易部署的智能超表面设备将成为基站提供有效的补充和延伸。
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