到底什么是智能超表面（RIS）？

Posted 2021-11-22 鲜枣课堂

近年来，智能超表面（RIS）技术逐渐引起了业界的广泛关注。

从外表上看，它就是一张平平无奇的薄板。但是，它可以灵活部署在无线通信传播环境中，并实现对反射或者折射电磁波的频率、相位、极化等特征的操控，从而达到重塑无线信道的目的。

这种技术，被认为是6G关键技术之一。

究竟它有什么神奇之处？让我们通过本文，一探究竟。

     RIS是何方神圣 ？

智能超表面，也叫做“可重配智能表面”，或者“智能反射表面”，英文为RIS（Reconfigurable Intelligence Surface），或者IRS（Intelligent Reflection Surface）。

本文中，我们将以RIS来称呼这项技术。

众所周知，通信的三大主体，分别是信源（发送者）、信道（传输通道）和信宿（接收者）。

无线信道中，信号经历了复杂的反射、折射、散射、绕射、穿透、干扰等一系列复杂的过程，很难做到完美传播。

为了适应无线传播环境，通信专家们最常用的手段，就是增强基站和终端的能力，或者优化组网架构。

比如采用高低频协同、增大发射功率、增加收发天线数、频选调度、多点协作、微站补盲等措施，千方百计地去克服无线信道的不确定性。

而RIS技术，换了一种思路，直接在无线传输信道上做文章。

RIS的技术基础，是一种被叫做“信息超材料”的人工材料。

下面，我们将从“什么是超材料”开始，讲述RIS的基本原理。

超材料是指一类自然界中不存在的，具有特殊性质的人造材料。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。

超材料的英文是Metamaterial。看到这里的Meta，大家可能会觉得非常眼熟。

没错，最近大火的元宇宙Metaverse的前缀也是这个Meta。这个拉丁词根，正是表示超出、另类之意。

怎么个“超”法呢？

地球上已知的物质都是由微观原子构成的，大量的原子按照一定的方式聚集起来，就形成了的宏观物体，也决定了材料的物理性质。

与此类似，如果我们能设计出亚波长大小的“人工原子”，并按照精密的几何结构排列，就能实现很多天然材料所不具备的性质。

这种超越天然材料的人工材料，理所当然地，就被称为“超材料”。

最早提出超材料概念的是前苏联的维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago），他于1965年提出了对“左手媒质负折射”材料的物理猜想。

维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）

所谓负折射材料，是指其光学性质与常见的玻璃、空气等透明物质的性质不同，其入射和折射光位于法线同侧，和常规折射的方向相反，也就是折射角为负。

1996年，英国的约翰·彭德里（John Pendry）爵士从理论上论证了负折射材料的存在。

约翰·彭德里（John Pendry）

2001年，美国的戴维·R·史密斯（David R. Smith）通过实验验证了负折射现象，证实了超材料技术的可行性。

戴维·R·史密斯（David R. Smith）

2006年，约翰·彭德里和戴维·R·史密斯两人强强联合，提出了变换光学，并成功设计出了世界上第一款隐身衣。

隐身衣原理示意

隐身衣实际效果

2011年，意大利科学家费德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面广义定律。

费德里科·卡帕索（Federico Capasso）

2013年，在美国国防部公布的“六大颠覆性基础技术”中，超材料赫然位于榜首。这表明，美国军方对该技术前景的态度非常乐观。

随着相关理论和技术的成熟，在过去的十几年中，超材料被广泛用于操纵电磁波，实现了许多激动人心的物理现象，如负折射、电磁黑洞和幻觉光学等等。

早期的超材料功能单一，只能按照固化的模式工作，不能实时调控电磁波，因此我们将其称之为模拟超材料。

后来，超材料可通过数字编码实现对里面人工原子状态的动态控制，从而实时操控电磁波，就叫做“信息超材料”。

信息超材料的基本结构如下图所示，每一个人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏压二极管的微电路组成，在不同的电压下可以实现“ON”或者“OFF”等不同状态，对电磁波的响应也是不同的。

实际实现时，人工原子也可以采用PIN管、三极管、MEMS、石墨烯、温敏器件、光敏器件等其他材料。

“ON”和“OFF”这两种状态，正好可以对应到信息世界的0和1，通过把这些单元配置为0或者1，超材料也就具备了动态编码的能力。

如上图所示，在不同的编码下，信息超材料可以通过反射形成不同形状的电磁波束，从而实现动态操控电磁波的目的。

通过对信息超材料的深度设计，可以实现对入射电磁波多个维度的操控，包括频谱、相位、幅度、极化等等，这就为将其在移动通信中的应用创造了条件。

     RIS有何能耐 ？

那么，RIS到底是怎样重塑无线信道的呢？我们来看看下面这几个典型的场景。

1.  覆盖盲区消除。

当基站和终端之间有不可逾越的障碍物时，它们之间就是非视距信道，如果信号传播环境单一，缺乏反射径的话，终端所能接收到的信号是非常微弱的。

有了RIS，可以操控反射波束，对准位于盲区的终端并动态跟踪，这就相当于创建了虚拟的视距路径，扩展了小区的覆盖范围。

2.  物理层辅助安全通信。

当网络探测到窃听者或者非法用户时，可以利用调控RIS的反射信号的相位，让其和直射信号在接收时进行抵消，从而减少信息泄露。

3.  多流传输增秩。

当信号传输的环境较为简单时，往往缺乏独立的多径，难以实现足够的多流传输。通过RIS的反射，可以人为增加信号传播路径，更好地实现多流传输，提升热点用户的吞吐量。

4.  边缘覆盖增强。

当终端（下图中的终端1）位于小区边缘时，使用RIS动态操控服务小区和邻区的反射信号，使服务小区的信号同相叠加增强，来自邻区的信号则反相叠加抵消，从而有效消除邻区干扰。

5.  大规模D2D通信。

RIS可以通过对多路信号的智能反射，可以起到干扰抑制的作用，并同时进行低功率传输，有助于实现大规模的D2D通信。

6.  物联网中无线功率和信息的传输。

无线携能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技术可以同时传输信号和能量，即在与无线设备进行信息交互的同时，为无线设备提供能量。RIS可以起到类似中继的作用，通过无源波束来补偿长距离传输带来的巨大能耗，帮助充电区域提高无线传输功率。

7.  室内覆盖。

要解决室内覆盖，可以通过室外基站信号穿透建筑外墙或者窗户，也可以部署专业的室分系统（蘑菇头天线或者有源室分）。这两种方式都有RIS的用武之地。

对于室外穿透室内这种方式，可以在建筑窗户的玻璃表面部署透明的RIS板，操控信号入射室内，并能实现一定的增益。

此外，在室内覆盖场景，可通过RIS来操控室分系统的反射信号，从而增加额外链路，提升系统容量及可靠性。

8.  新型收发信机。

除了可重塑无线信道之外，通过RIS还可以实现信号发射机或者接收机的功能。这是怎么实现的呢？

既然RIS是可实时编码的，那么我们将基带信号以编码的形式导入到RIS控制器，再将目标频段的射频载波发射到RIS上，通过反射就可以将基带信号调制到载波之上了。

这种架构的发射机可省去复杂而低效的射频链，节省高耗能的混频器、功放等器件，从而显著降低发射机的成本和功耗。

     RIS离我们有多远 ？

RIS这种创新技术，给我们带来了诸多激动而心而充满想象力的应用前景。那它目前实际测试的效果如何，技术是否成熟，研发处于什么状态，我们什么时候可以用上RIS呢？

目前学术界和产业界正在积极探索RIS实际部署的性能，以期采用它来解决5G毫米波的覆盖难题，并在未来也在太赫兹频段中应用。

IEEE ComSoC在2020年8月份成立了独立的RIS-ETI工作组，IEEE JSAC等权威期刊已将RIS列为6G潜在技术，加以研究。

今年，3GPP对5G下一阶段演进：5G-Advanced的标准化正式提上日程，RIS也正是R18协议重点的研究课题之一。

大量测试结果表明，RIS的部署可以将用户吞吐量提升1~2倍，室外小区边缘覆盖提升3~4倍，室内覆盖提升约10dB。可见，RIS可带来的增益是非常明显的。

作为通信系统的一部分，RIS的成熟度与不同频段器件的成熟度密切相关。目前在较低频段（Sub-6G，毫米波低频段）的器件成熟度较高，然而在毫米波高频段和太赫兹的成熟度较低，RIS的成本和能耗优势还难以充分体现。

此外，当前RIS的硬件架构设计、基带处理算法、以及网络架构设计还都处于探索阶段，现阶段主要以性能验证为主，其商用部署还需要很长的路要走。

并且，要大规模应用RIS，选址和部署也存在一定的困难。RIS对信号的反射虽然可以做到准无源，但其动态编码离不开控制器，而控制器也是需要供电的，由此带来的成本也不低，也限制了RIS的使用。

因此，建议业界在验证RIS技术时，先从预先编码好的无源静态RIS板开始，再逐渐过渡到半静态可控的RIS，然后再结合AI技术，验证全动态编码下的RIS。这也是循序渐进、摸着石头过河的历程。

前途是光明的，道路是曲折的。RIS，这项旨在重塑无线传播环境的创新技术，未来必将成为移动通信领域的重大突破。

让我们在6G时代见证RIS的辉煌。

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参考文档

1. Towards Smart and Reconfigurable Environment: Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Network. By Wu Q, Zhang R. 

2. RIS前沿技术系列讲座，东南大学，金石教授

3. 智能超表面技术演进报告，6G推进组

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