智能超表面技術展望與思考分析

韓元圣，車路平

（中國人民武裝警察部隊海警學院，浙江 寧波 315010）

隨著人們對無線網絡容量需求的不斷提升，在接下來的十幾年時間里，無線連接有望朝著無處不在的趨勢發展，甚至于“通信-感知-計算”集成的網絡也極有可能成為現實。然而，網絡的復雜性、硬件的高成本以及能耗的不斷上升，都是未來無線網絡所要面對的主要問題。在很長一段時間內，實現對電磁波的任意調節，一直是人們不懈追求的一個目標，盡管對電磁波的操控能力得到了突飛猛進的提高，但由于物質的電磁參數比較固定，所以對電磁波的控制還僅停留在發射機、接收機上，而智能超表面技術在信道環境下可實現對電磁波的靈活操控也正因為此應用特點，使該項技術備受關注。RIS 一般是由許多精密設計的電磁波元件組合而成，利用RIS 技術，將控制信號輸入各可調部件中，實現對其電磁特性的動態調控，并在此基礎上，利用可編程的方法，實現對空間電磁波的主動性調控，進而形成包含相位、幅值、極化、頻率等多個參數的可控電磁場。

1 智能超表面技術原理

智能超表面技術是依托超材料在移動通訊領域跨學科應用而發展起來的新興技術。智能超表面系統由若干個部件組成，比如，饋電系統、波控網絡、智能超表面輻射結構等。在智能超表面陣列中，通常會包含諸多智能超表面單元，而且結構都是半波長微結構，它們的電磁性能與超材料的結構、尺寸、排列方式密切相關。其中饋電系統有兩種饋電模式，分別為遠場空間、分布式，是以喇叭形輻射器為輻射源，具有結構簡單、饋電損耗小、效率高等優點，但由于其體積龐大，常被應用于以智能超表面為基礎的無線收發器等領域；后者主要是將天線陣面分成若干個子陣，每個子陣都有一套子陣饋電系統來進行信號饋電，最終通過功分網絡對數字信號進行模擬或者合成，如此就能順利得到天線陣面的電磁信號。采用這種饋電方式有助于減小天線的截面高度，增加天線系統的功率容量，同時，還能進一步優化天線的平面共形性能，外加系統體積并不大，可廣泛應用于覆蓋盲點、多流增速等場景。舉例來說，利用可編程控制電路對各智能超材料單元的電磁性質實施動態、獨立的調控，采用可編程邏輯門的方法，利用控制電路對變容二極管和感光器件的光強進行調節，并對其所傳輸的電磁波信號的幅值、相位、頻率和偏振等進行實時調節，從而達到高增益的平面聚焦、大角度快速波束掃描/轉換、靈活波束成形的目的。

2 智能超表面關鍵技術

2.1 硬件結構與調控

RIS 系統不管是應用在新型無線收發機，還是作為無線傳輸中繼節點，其硬件結構包括可重構電磁曲面、饋電系統以及控制系統?？芍貥嬰姶艌霰砻媸怯芍芷谛耘帕谢驍M周期性排列的表面基元構成的陣列，是實現空間波形調控的重要手段?？刂葡到y基于可重構電磁場表面的非線性元件，并利用該元件的低頻控制信號，動態化調控饋電系統中高頻信號。

（1）可重構電磁表面結構設計。RIS 技術最初的目的與核心是可重構的電磁曲面設計，在此基礎上，要從具體的應用要求出發時，對單元體、偏置線路等實施系統化設計，首先，利用電磁模擬軟件，對其進行適當的建模，如周期邊界條件、Floquet 端口激勵、非線性元件的當量RLC 等。接著，選取適當的元件幾何構造，以使其在期望的頻帶中滿足預定的設計需求，例如，1bit的反射元件，其需要接近0dB 的反射振幅，180°的反射相位差；最后，也要考慮聯機控制系統中使用的偏置導線等構造，并檢驗這些構造對元件性能所帶來的影響。

（2）控制系統設計?？刂葡到y主要采用了三種控制方式，分別為機械、模擬信號以及數字信號。第一種機械控制由于響應速度相對較慢，現階段已經很少被應用；第二種模擬信號控制主要是依托控制模塊，生成一個連續分布的電平，并通過對變容二極管等參量不斷變化的元件進行控制，使其產生各種不同的響應；第三種數字控制通過控制模塊生成不同的電壓，并對諸如PIN二極管等切換元件實施控制，進而做出不同的響應。按照可控狀態數據，可以將數字信號控制劃分為為1bit、2bit 以及更多bit 狀態的控制，但是，隨著控制位數的增多，表面結構也會越來越復雜，使得設計、實現的難度顯著增加。在該控制系統中，控制碼的設計是其關鍵所在，也就是按照電磁波束方向來進行可重構電磁曲面的相位分布。對控制碼表的提取主要有兩種方法：其一為離線查表模式，即事先將每個方向的碼表都計算出來并進行存儲，在使用過程中，按照上位機的指令，按照地址逐一提取相應的碼表，并進行賦值；其二為聯機運算方式，即向處理器中插入代碼運算程序，由處理器自動化完成代碼運算。

2.2 基帶算法

（1）信道建模。信道響應矩陣是傳輸信號模型中一個非常重要的組成部分，RIS 是一種極具潛力的可重構電磁環境，對其進行精確、有效的信道建模，是對無線電通信系統、關聯技術展開合理評估的先決條件。目前比較常用的模型有兩種，一種是統計性模型，另一種是確定性模型，統計性建模方法主要是利用專門的測量設備，對某一實際場景下的信道數據進行采集，在此基礎上利用大、小尺度參數，圍繞信道數據中所隱藏的特性展開統計性描述；確定性建模方法是以幾何光學和相容衍射為基礎，利用光線跟蹤技術，實現發射端-接收端、發射端-RIS、RIS-接收端三個鏈路間的多徑射線（傳輸路徑）的準確計算，進而獲得多徑射線的各項信道參數，比如，功率、時延、離開角等。

（2）信道估計。與傳統的多輸入多輸出系統相比，RIS支持下的無線系統特點對信道估計提出了全新挑戰。首先，傳統RIS 多為無源器件，且無復雜信號處理功能，難以準確估計信道狀態信息。帶有部分有源元件的RIS能夠對CSI 進行自主估計，但是它必須對信道估計和復雜性和代價做出綜合考量；其次，RIS 極大化的陣列結構給系統的信道估計帶來了很大的復雜性。另外，由于RIS 技術的引入，使得信道具有了分片化的特點，這也為RIS 技術的信道估計增加了難度。除了能夠結合信道的雙時間尺度特征，以分段的手段展開信道估計，也就是對用戶設備的低維移動信道估計比較頻繁，針對高維準靜態的基站信道，則可以省略頻繁的信道估計環節，簡單對信道信息進行統計即可，有助于減少總體導頻的投入。另外，另外，利用RIS 電磁場元素對數據包進行最優分組，能夠進一步地降低高維RI 信道及多用戶信道的估計難度，在高頻段的情況下，可以充分利用好RIS 信道矩陣低秩特征，搭建聯合稀疏矩陣，同時通過矩陣填充問題的設計，從而達到級聯合信道估計的效果，或者利用多用戶信道在角度域的稀疏性特征，最大程度地減少導頻開銷。RIS 面板可以被分成多個子模塊，每個子模塊使用不同的調節系數矩陣，如此一來，就能按照特定順序逐一對待估信道展開估計，特別是在通感覺一體化技術持續發展的背景下，為基于感知信息的RIS信道估計提供了可能。此外，從工程應用的復雜性角度來看，以碼本為載體的信道估計復雜度并不高，但難點在于RIS 信道分段特征、近場特征對傳統碼本方案提出更高要求。

（3）波束賦形。由于RIS 采用了多通道、超大陣列等技術，這給系統的波束成形設計增加了難度。RIS參考了大規模多輸入多輸出的混合波束賦形技術，從系統建模的觀點出發，將RIS 看作一個外置的仿真光束預編碼裝置，并設計了對應的相移矩陣，即RIS 利用模擬波束賦形技術，對發射端的電磁波反射進行調整。與傳統波束賦形法相比，RIS 波束賦形法具有以下特點：第一，由于RIS 中大量存在大量的電磁元，導致對其進行波束賦形時，電磁控制參數的設計具有很大的復雜性。通過對信道進行降維、電磁單元進行分組，可以很好地平衡波束賦形的性能與復雜性。第二，RIS 傳播信道有著顯著的分段特征，這就要求有源無線電波與RIS 被動無線電波的聯合優化。第三，超大規模天線賦予傳播信道近場特征，已有的波束訓練方案都是在建立了遠場信道模型的基礎上進行的。但是，RIS 具有超大規模天線的孔徑優勢，使得用戶很容易在RIS 近場區。

2.3 組網設計

從通信環境的復雜性以及RIS 的部署與控制的復雜性出發，將RIS 的部署場景劃分為兩種類型：一種是小尺度可控的有限域，另一種是大尺度復雜域。在這兩種場景下，RIS 的部署原理與要求存在很大的不同。在較小的可控空間內，充分利用高密度RIS，有助于實現對電磁環境的精準智能調控。在大尺度、復雜的環境下，RIS 技術以現有和新引入的主傳輸通道/主散射點為控制手段，實現對大規模無線信道特征的半動態或靜態控制，所需要的RIS 結構簡單、易于實現、成本低廉。RIS 技術在無線網絡中的應用，將給網絡的共存帶來新的挑戰。在真實的網絡環境下，發射到RIS 板上的無線電信號包含由RIS 進行最優控制的“目標信號”和其他“非目標信號”。RIS 可以同時調節這兩種類型的信號。通過改變電磁波的振幅、相位和極化模式來強化“目標信號”，也可以針對性調控“非目標信號”的異常。在不可控條件下，RIS 通常會對其他網絡中的“非目標信號”做出異常調節，這樣非常容易引起網絡共存問題，這也充分表明，RIS 的大規模部署必須受到網絡的控制，才能限制其在無線環境中對“非目標信號”的隨機調節，避免造成嚴重的網絡性能退化。

3 智能超表面技術5G 化演進可行性

在智能超表面技術正式出現之前，諸如廣義斯涅爾定律、超材料技術、界面電磁學理論之類的理論技術已經開始走向成熟，并且基于移相器的相控陣列技術已經得到了廣泛的應用。除此之外，智能超表面的陣元設計，主要與信號波長等射頻信號的特性存在緊密關聯，但是同與信號波形、調制編碼、幀結構等絕大部分底層技術體制則不存在任何關系，智能超表面系統的部署還涉及網絡架構。設備之間的松耦合可以通過異構融合或帶外信息交互來實現，而且它對網絡的影響只局限于對無線信道環境的變化。所以，智能超表面技術與BULl 原則是高度適應的，即有技術基礎、與下層協議的關聯性較小、與現有網絡設備的脫耦、對網絡的作用具有本地特性，為6G 技術的5G 化嚴演進奠定了堅實的技術基礎。在5G 層面，擬搭建6G 亞波長智能超表面系統，采取預配置、帶外傳輸等方式，在此基礎上將系統與已有基站及終端進行初步融合，并進一步明確與基站之間的接口及協議格式，將為智能超表在無線信道、干擾等無線環境下的感知計算提供技術支撐，為智能超表面技術在無線中的應用提供一種新的技術手段。

4 結語

綜上所述，移動通信網絡不僅是各個行業領域數字化轉型的重要推動力，同時還起到了促進經濟高質量發展、推動經濟發展動力變革的作用。未來，移動通信網絡可能會面臨無線信道不可控、設備高能耗、芯片集成度高等現實問題，而智能超表面技術作為顯著的優勢在于成本投入低、能耗低、具有可編程性、易于部署，依托此項技術支持搭建智能可控無線環境；將會開啟一種全新的無線網絡范式，并且有望在基礎、原始創新方面有所突破，從而在世界產業鏈的發展中充分發揮引領作用。