專題：面向5G-Advanced與6G的智能超表面

特邀策劃人

趙亞軍

技術(shù)預(yù)研總工，于2010年11月加入中興通訊，就職于無(wú)線研究院算法部(北京)。在進(jìn)入中興通訊之前，就職于華為(北研所)無(wú)線預(yù)研部。具有十多年無(wú)線通信技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，先后從事3G/4G/5G移動(dòng)通信技術(shù)相關(guān)的研究與開發(fā)，目前主要從事未來移動(dòng)通信(5G-Advanced/6G)技術(shù)研究。主要研究技術(shù)方向：智能超表面(RIS)、Unlicensed Spectrum、Flexible Duplex、CoMP等。申請(qǐng)4G LTE和5G NR移動(dòng)通信技術(shù)相關(guān)國(guó)內(nèi)、國(guó)際發(fā)明專利200多項(xiàng)，其中有20多項(xiàng)發(fā)明專利被寫入4G/5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，成為標(biāo)準(zhǔn)核心基本專利。

內(nèi)容導(dǎo)讀

預(yù)期未來十年通信網(wǎng)絡(luò)容量千倍增長(zhǎng)，無(wú)處不在的無(wú)線連接成為現(xiàn)實(shí)，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(wú)線通信面臨的關(guān)鍵問題。研究創(chuàng)新、高效、節(jié)約頻譜和資源的解決方案以滿足5G-Advanced和6G的需求勢(shì)在必行。

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)能夠突破傳統(tǒng)無(wú)線信道不可控特性，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)地控制無(wú)線傳播環(huán)境，在三維空間中實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳播方向調(diào)控及增強(qiáng)或消除，抑制干擾并增強(qiáng)信號(hào)，構(gòu)建智能可編程無(wú)線環(huán)境新范式。作為一種極具潛力的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)，RIS具有低成本、低功耗、易部署等特點(diǎn)，將能夠支持綠色通信，使能智能無(wú)線環(huán)境。其通過構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境，將有機(jī)會(huì)增強(qiáng)5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)，并為6G帶來一種全新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)范式。不過，盡管近幾年RIS研究進(jìn)展迅速，但依然存在諸多技術(shù)難點(diǎn)亟待突破。

鑒于上述情況，為了將RIS的最新研究成果介紹給讀者，進(jìn)一步推進(jìn)5G-Advanced/6G研究，探索面向未來無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)規(guī)律、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用，我們組織了本專題。

本期專題收錄了來自國(guó)內(nèi)高校、電信運(yùn)營(yíng)商、科研院所、設(shè)備制造商等單位的RIS領(lǐng)域優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)的12篇文章，分別從RIS的硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控機(jī)制、基帶信號(hào)處理算法、工程化應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)安全等方面進(jìn)行了系統(tǒng)探討。

? 硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控機(jī)制

RIS硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控機(jī)制研究的突破是RIS研究得以推進(jìn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，本專題收錄了5篇此研究分支的文章。

其中，有3篇文章探討太赫茲頻段的智能超表面。《可重構(gòu)太赫茲石墨烯極化轉(zhuǎn)換超表面》提出了一種基于石墨烯的太赫茲超表面單元，該單元能夠通過調(diào)節(jié)石墨烯的化學(xué)勢(shì)能，對(duì)超表面單元的反射特性進(jìn)行調(diào)控?！短掌澲悄芸芍貥?gòu)超表面》中提出了一種智能可重構(gòu)超表面單元結(jié)構(gòu)，其通過加載PIN二極管作為有源器件對(duì)太赫茲頻段電磁波動(dòng)態(tài)調(diào)控，根據(jù)二極管的通和斷兩種狀態(tài)進(jìn)行編碼排列，可以實(shí)現(xiàn)波束掃描、波束卷積和RCS縮減等功能。針對(duì)目前太赫茲頻段的動(dòng)態(tài)超表面調(diào)控器件普遍存在的問題，《多功能動(dòng)態(tài)波束調(diào)控的太赫茲編碼超表面》基于高電子遷移率晶體管電控調(diào)節(jié)編碼單元與太赫茲波互作用引起的非對(duì)稱諧振，在低開關(guān)比下實(shí)現(xiàn)了一種太赫茲1 bit編碼相移單元。

《基于有源微波器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控型智能超表面設(shè)計(jì)》采用HFSS電磁仿真軟件對(duì)智能超表面的動(dòng)態(tài)可調(diào)性能進(jìn)行仿真，并分析其動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)理及吸波特性，揭示了可變電阻調(diào)控對(duì)超表面吸波性能的作用規(guī)律，提出了基于有源微波器件PIN二極管加載的智能超表面的設(shè)計(jì)方案。

另外，《可重構(gòu)智能超表面設(shè)計(jì)及其無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)用》闡述了RIS硬件系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計(jì)方法，對(duì)RIS發(fā)展的歷程及其通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹與分析，并給出了RIS未來發(fā)展方向。

? 基帶信號(hào)處理算法

RIS基帶信號(hào)算法研究的突破是RIS實(shí)現(xiàn)電磁波智能調(diào)控的關(guān)鍵，本專題收錄了3篇此研究分支的文章。

《基于雙IRS輔助的毫米波MIMO通信信道估計(jì)》探討了基于雙智能反射面輔助的毫米波單用戶MIMO無(wú)線通信新場(chǎng)景下的基于壓縮感知的信道估計(jì)方案。

為提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和能效，《基于AO-CCP的雙智能反射面輔助的魯棒性波束設(shè)計(jì)》在非完美的信道狀態(tài)信息(CSI)前提下提出了雙IRS輔助的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)毫米波 (mmWave) 無(wú)線通信算法，建立了一個(gè)在用戶服務(wù)質(zhì)量(QoS)、IRS相移約束下的功耗最小化優(yōu)化模型。

基于智能反射面的調(diào)制技術(shù)被認(rèn)為是一種新的調(diào)制架構(gòu)，但是調(diào)制星座點(diǎn)分布往往不均勻，《基于星座點(diǎn)聚類和變換模式匹配的定時(shí)同步算法》提出了基于星座點(diǎn)聚類和變換模式匹配的定時(shí)同步算法。

? 工程應(yīng)用研究

從學(xué)術(shù)研究走向工程應(yīng)用，同樣有諸多挑戰(zhàn)需要克服，本專題收錄了來自運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商研究團(tuán)隊(duì)的3篇文章。

《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中智能超表面部署研究》介紹了其在智能超表面技術(shù)的波束設(shè)計(jì)、部署特征、部署性能等關(guān)鍵技術(shù)研究成果，并且進(jìn)一步剖析了其未來應(yīng)用特性，從覆蓋效率等方面進(jìn)行了定義，通過仿真定量地分析了面板部署的性能和方案?！吨悄艹砻嫘阅芊抡媾c測(cè)試》全面地提供了RIS輔助通信系統(tǒng)在不同場(chǎng)景和系統(tǒng)參數(shù)配置條件下的性能數(shù)值仿真、系統(tǒng)級(jí)仿真和外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，為后續(xù)RIS部署策略提供有益思路。

針對(duì)基于RIS的無(wú)線收發(fā)機(jī)和基于RIS的反射面兩種形態(tài)，《可重構(gòu)智能表面技術(shù)：研究進(jìn)展、原型機(jī)及挑戰(zhàn)》分別對(duì)二者的研究進(jìn)展、國(guó)內(nèi)外原型機(jī)測(cè)試情況以及面臨的主要挑戰(zhàn)進(jìn)行了全面闡述及分析。

? 網(wǎng)絡(luò)安全研究

安全內(nèi)生被認(rèn)為是6G網(wǎng)絡(luò)的基本特征，RIS網(wǎng)絡(luò)安全同樣需要重點(diǎn)關(guān)注，本專題也收錄了1篇RIS網(wǎng)絡(luò)安全的文章。

為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的新特征，《面向多智能反射表面的物聯(lián)網(wǎng)安全傳輸算法》系統(tǒng)研究了基于物理層安全的物聯(lián)網(wǎng)安全傳輸技術(shù)，提出了一種高效的智能反射表面選擇算法。

綜上所述，本專題較為全面地探討了智能超表面研究面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，介紹了相關(guān)團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。期望本專題能夠?qū)V大讀者了解和研究智能超表面技術(shù)提供有益的啟示和借鑒，引發(fā)更多關(guān)注和討論，從而推動(dòng)業(yè)界共識(shí)的形成和技術(shù)的成熟。最后，感謝編輯部各位老師在征稿通知發(fā)布、論文評(píng)審與意見匯總、論文定稿、編輯修改及出版所付出的努力和汗水；感謝專題評(píng)審專家及時(shí)、耐心、細(xì)致的評(píng)審工作；衷心感謝各位作者的辛勤工作和精心撰稿！