未来瞭望 | 智能超表面：致敬（RISpect）6G

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智能超表面（RIS）故事开始于通信人的

“不疯魔，不成活”……

看到这里，恭喜你，你已经比90%的人更了解智能超表面了。

外行看热闹，内行看门道。这看似是疯言疯语，博君一笑，其实暗藏玄机，智能超表面并不只存在通信人的臆想中，而是一种真正有望成为6G“大腕”的新型技术。下面细细道来其中的奥妙。

“智能”“超材（料）”一相逢，便胜却天线无数

智能超表面是一种智能的、具有特殊功能的超材料表面结构。

那我们展开说说。

话说“超材料”是一种人工设计的周期或准周期结构，能够呈现出天然材料所不具备的超常电磁性质，可以改变电磁波的传播特性。早期的超材料是三维结构，由于其结构复杂、制备困难等问题，故一种超薄的二维形式的超材料应运而生——“超表面”，其具有低损耗，低成本，低剖面等特性，所以“贴在墙上”才不是梦，既控制了成本，又兼顾了美观，妙啊！

那“智能”又体现在哪里呢？

在普通环境中，电磁波遇到障碍物会发生漫反射，向四面八方散射不规则的波束。

那我放一块镜子行不行？

这虽然解决了散射问题，但是，逾越不了“入射角等于反射角”这颠扑不破的真理，说人话就是，需要对环境进行控制……没门！

而智能超表面则能够根据需求来调控其表面结构，并生成特定的波束供用户端使用。具体来讲，智能超表面由大规模单元阵列和阵列控制模块构成。

大规模单元器件阵列是在平面底板上周期排列的大量可调器件单元（成百上千），来实现对波束及信号有效调控。每个单元上都具有可变的器件结构，例如，单元上的PIN二极管开关的状态决定了RIS单元对入射信号的不同响应模式。

阵列控制模块可以控制每个器件单元的工作状态，从而动态或半静态地控制RIS单元对无线信号的响应模式。不同状态RIS单元的无线响应信号互相叠加，从而形成特定的波束传播特征。控制模块相当于整个RIS的“大脑”，根据通信系统的需求来确定无线信号响应波束，对电磁波进行主动的智能调控。智能超表面突破了传统电磁波传播环境不可控的特性，使得原来静态的通信环境变得“智能”、“可控”，成为了电磁世界和信息世界的有效接口。

智能超表面以低成本、低功耗、超大规模器件单元实现智能灵活的波束调控，“诚如”所言，绝非“痴人说梦”。

技术很好，那用在哪呢？

墙里秋千墙外道。墙外行人，墙里佳人笑。笑渐不闻声渐悄，都怪手机没信号。

如果智能反射面穿越回古代，可能会令苏子瞻诗意全消，哪里还有“多情总被无情恼”？不论“墙里墙外”，何惧“山一程，水一程”。而这就是智能超表面应用场景之一——信号覆盖补充与扩展。可将RIS部署在覆盖盲区、弱覆盖区、建筑物表面或室内，通过有益的反射/透射提升传输信号质量。

除此之外，可以通过将智能超表面部署在合适的位置，利用波束赋形，定向增强有用信号接收功率的同时，提升小区边缘用户上下行速率。

话不多说，直接上图。打开你的脑洞，尽情畅想：与无人机、车联网等结合，实现大范围航路信号覆盖、车联网覆盖扩展；利用信号聚焦的特点，利用智能超表面实现感知与高精度定位融合、安全通信、减少电磁污染以及能量收集与传输等功能。

既然智能超表面技术牛，应用广，那6G用起来不就完了。然而，现实却是求索什么呢？话不多说，来点干货。

“6”漫漫其修远兮，“5”将上下而求索

基础理论不完善，智能反射面的反射/透射特性有待明确，信道传输模型不完善，缺少在实际传输环境下的建模。

关键技术亟需突破，同频和邻频干扰特性、运营商之间干扰、预编码和信道估计算法等有待研究突破和标准化。

器件成熟度和可靠性较低，目前业界的智能反射面为原型样机，可调角度受限、器件调控速率不高，单元结构数量庞大且难以快速定位和识别单元故障。

应用部署受限，智能反射面尺寸和面积较大，有源及有线控制都会限制其应用场景，需进一步优化工程设计，提升部署灵活度。

智能超表面技术的兴起标志着下一代移动通信技术将朝着多领域融合的方向高歌猛进。通过控制每个超表面单元上的二极管等器件可以调控电磁波方向、形状和极化等特性，从而达到改善电磁波传播环境，提升无线网络覆盖的目的，而且RIS还能够直接完成相位、幅度和频率等信息的调制。可谓是“智能妙计安天下，补盲扩容样样行”。但是，技术跨界，难在融合。目前，RIS还要直面基础理论不完善、器件成熟和可靠性低和应用部署受限等诸多挑战，产业和学术界还需要继续打怪升级，让RIS真正成为6G场上叱咤风云的“大腕”。

延伸阅读：Y. Huang, X. Su, D. Wu, J. Jin, Q. Wang and J. Wang, "Robust Transmission Design for IRS Aided Distributed MISO with Imperfect Cascaded CSIT," 2021 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), Nanjing, China, 2021, pp. 1-7.Gu, Q., Wu, D., Su, X., Jin, J., Yuan, Y., & Wang, J. (2021). Performance Comparison between Reconfigurable Intelligent Surface and Relays: Theoretical Methods and a Perspective from Operator. ArXiv Preprint ArXiv:2101.12091.

参考文献

[1] Q. Wu and R. Zhang, “Towards smart and reconfigurable environment: Intelligent reflecting surface aided wireless network,” IEEE Commun. Mag., vol. 58, no. 1, pp. 106-112, Jan. 2020

本文作者

中国移动研究院 ：苏鑫，张雁茗，李亚，顾琪，王安娜，金婧，刘建军，潘成康，王启星

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来源：中移智库

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