無線通信發(fā)展范式與RIS的賦能作用

金梁/JIN Liang，孫小麗/SUN Xiaoli，鐘州/ZHONG Zhou，許曉明/XU Xiaoming，陳如翰/CHEN Ruhan，張劍/ZHANG Jian，鄔江興/WU Jiangxing

（戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué)，中國鄭州 450002）

范式（Paradigm）的概念和理論最初由美國著名科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫恩在1962年提出并在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中系統(tǒng)闡述[1]。范式從本質(zhì)上講是一種理論體系、理論框架，是開展科學(xué)研究、建立科學(xué)體系、運用科學(xué)思想的坐標、參照系和基本方式。范式有3個基本特點：第一，在一定的范圍內(nèi)含有普適性；第二，是一種以基本的定理、原理、應(yīng)用及相關(guān)裝備等集成的綜合體；第三，為科研與技術(shù)開發(fā)提供了可重現(xiàn)的成功模板。

2007 年1 月11 日，圖靈獎得主吉姆·格雷發(fā)表了一個名為“科學(xué)方法的革命”的演講[2]，將科學(xué)研究分為4 類范式：實驗/測量、理論分析、數(shù)值模擬/仿真和數(shù)據(jù)驅(qū)動。18 世紀以前，人類的科學(xué)研究主要以記錄和描述自然現(xiàn)象為特征，稱為“實驗科學(xué)”（第1 范式）。以“現(xiàn)代科學(xué)之父”伽利略的物理學(xué)、動力學(xué)為代表的科學(xué)發(fā)展開啟了現(xiàn)代科學(xué)之門。然而，由于實驗/經(jīng)驗科學(xué)經(jīng)常從主觀的感覺經(jīng)驗出發(fā)并且受到實驗條件的限制，因此結(jié)論會帶有盲目性。18—19 世紀，研究者開始在已有經(jīng)驗、事實、認知的基礎(chǔ)上嘗試盡量簡化實驗?zāi)Ｐ?，通過去除復(fù)雜干擾盡可能抓住關(guān)鍵因素，并經(jīng)過演繹推理，歸納出新的理論或模型，這稱為“理論科學(xué)”（第2 范式）。在該范式的指導(dǎo)下，數(shù)學(xué)中的集合論、圖論、數(shù)論和概率論，物理學(xué)中的牛頓三大定律、量子理論、相對論，電磁學(xué)中的麥克斯韋理論，生物學(xué)中的達爾文進化論等應(yīng)運而生。該范式存在的挑戰(zhàn)是：隨著理論驗證的難度和代價越來越高，科學(xué)研究面臨瓶頸。20 世紀中期以后，電子計算機的發(fā)明使得研究者們能夠利用計算機對復(fù)雜的現(xiàn)象進行模擬仿真和相關(guān)計算。簡言之就是用計算機來做實驗，這稱為“計算科學(xué)”（第3 范式）。該范式主要包括數(shù)值模擬、模型擬合與數(shù)據(jù)分析、計算優(yōu)化三大領(lǐng)域。21 世紀以后，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈爆炸式增長。此外，計算機處理和存儲能力也在不斷提升，這使得計算機不僅能做模擬仿真，還能對海量數(shù)據(jù)進行處理和分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律，揭示新機制，從而產(chǎn)生“數(shù)據(jù)驅(qū)動科學(xué)”（第4 范式）。該范式是在大數(shù)據(jù)驅(qū)動下科學(xué)知識發(fā)現(xiàn)模式的新變革，而前3 種科學(xué)范式則以假設(shè)為驅(qū)動，數(shù)據(jù)只是用來驗證假設(shè)的支撐?？梢钥闯?，科學(xué)研究范式是一個歷史階段的思維視角和方法論，不是一種范式取代另外一種范式，他們之間存在繼承發(fā)展的關(guān)系。其中，經(jīng)驗科學(xué)是理論科學(xué)的實踐基礎(chǔ)，理論科學(xué)能夠?qū)?jīng)驗科學(xué)提供理論指導(dǎo)，計算科學(xué)是對經(jīng)驗科學(xué)和理論科學(xué)方法的進一步優(yōu)化，而數(shù)據(jù)驅(qū)動科學(xué)是對前3 類范式的補充。此外，范式的變革往往在現(xiàn)有問題無法解決、科學(xué)研究面臨瓶頸時才會應(yīng)運而生。

無線電應(yīng)用始于1897 年“無線電通信之父”馬可尼的無線電報通信實驗。100多年來，無線通信的飛速發(fā)展對于人類生活和社會進步有著重大的意義。本文根據(jù)范式的定義，回顧和總結(jié)無線通信發(fā)展歷程，給出無線通信發(fā)展范式的思考與展望。由于任何發(fā)展范式總有其適用范圍和階段性特點，原有無線通信范式無法解決目前無線通信中一些瓶頸問題，本文從世界觀和方法論的角度提出無線通信演進中可預(yù)見的新范式及其實踐規(guī)范，為未來無線通信變革性發(fā)展提供理念參考。

1 無線通信發(fā)展范式回顧與分析

無線通信發(fā)展范式是與無線通信技術(shù)演進相關(guān)的自然規(guī)律、理論基礎(chǔ)和實踐規(guī)范，如同一般科學(xué)發(fā)展范式一樣，也是階躍式發(fā)展的。

無線通信是通過電磁波在無線環(huán)境中傳遞信息的過程，同時也是對抗與無線環(huán)境密不可分的廣義不確定擾動的過程。其中，無線通信中的廣義不確定擾動是指直接或間接利用無線環(huán)境的不確定性和不可操控性引發(fā)的非期望事件，包括自然因素和人為因素引發(fā)的擾動。如圖1所示，自然擾動因素包括地形/地貌/地物、天氣、衰落、傳播媒質(zhì)、電磁彌散等，人為擾動因素包括無意干擾、有意干擾、接入攻擊等。

圖1 無線廣義不確定擾動

從電磁波與無線環(huán)境相互作用規(guī)律的認知過程來看，無線通信的發(fā)展歷程就是一部對抗廣義不確定擾動的歷史?；谑澜缬^和方法論的視角，無線通信的發(fā)展過程可分為3種范式：發(fā)現(xiàn)與使用電磁波、被動適應(yīng)無線環(huán)境、主動利用無線環(huán)境。下面我們對無線通信發(fā)展已有的3種范式進行簡要闡述，歸納各種范式實踐規(guī)范的特點，并從科學(xué)范式的視角探討無線通信的發(fā)展與困局。

1.1 無線通信發(fā)展范式1：發(fā)現(xiàn)與使用電磁波

1873 年麥克斯韋在《電學(xué)和磁學(xué)論》中提出了電磁波的傳播機理。1887 年赫茲通過實驗驗證了電磁波的存在，從而為無線電通信的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，并為1897 年馬可尼使用電磁波首次實現(xiàn)跨洋的無線電報通信奠定基礎(chǔ)。這便形成了無線通信發(fā)展的最初范式。該范式所蘊含的世界觀為：在麥克斯韋、赫茲等人的工作基礎(chǔ)上，首次發(fā)現(xiàn)電磁波的存在及傳播的科學(xué)規(guī)律，認識到人類可以擺脫有線通信的束縛、開啟無線電通信的新時代；對應(yīng)的方法論為：如何利用電磁波承載信息實現(xiàn)遠距離通信，解決無線通信的有無問題，其中標志性技術(shù)是無線電報。無線通信發(fā)展的最初范式僅采用增加發(fā)射功率、簡單編碼、重復(fù)發(fā)送等方式（如摩爾斯碼）來對抗自然擾動，還沒有涉及復(fù)雜無線環(huán)境中存在的人為擾動及安全等問題。

1.2 無線通信發(fā)展范式2：被動適應(yīng)無線環(huán)境

隨著無線通信的發(fā)展，廣義不確定擾動逐漸成為發(fā)展中的主要矛盾。在香農(nóng)提出信息論之前，人們普遍認為固定速率信息發(fā)送的誤差概率是不可忽略的，而香農(nóng)從理論上證明了當(dāng)通信速率低于信道容量時，總能找到一種編碼方式，以任意低的錯誤率傳送信息[3]，即給出了特定信道上的無差錯最大傳輸速率，為有效的信息傳輸提供了上界，為數(shù)字通信奠定了基礎(chǔ)。因此，第2范式所蘊含的世界觀以香農(nóng)信息論和香農(nóng)信道容量為代表。它闡明了無線環(huán)境帶來的擾動與無線通信質(zhì)量之間存在內(nèi)在聯(lián)系，即要在不可靠的信道上進行可靠的信息傳輸，必須要有與之匹配的傳輸方式。為實現(xiàn)上述目標，該范式的方法論是如何適應(yīng)復(fù)雜無線環(huán)境，尋找逼近無線通信能力極限的方法。

在對抗自然擾動方面，該范式主要經(jīng)歷了模擬與數(shù)字通信兩個階段，利用編碼、調(diào)制、濾波以及波形設(shè)計等把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道上傳輸?shù)男问?，從而提高信息傳輸?shù)目煽啃?。其中，預(yù)編碼技術(shù)通過在發(fā)射端對信號進行設(shè)計使得發(fā)送信號與信道匹配，從而降低符號間干擾，提高傳輸性能，同時能夠有效降低接收機處理復(fù)雜度；均衡技術(shù)在接收端對經(jīng)過信道畸變的信號進行均衡處理，通常用濾波器來校正和補償失真的脈沖，減少碼間干擾的影響；自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)根據(jù)終端反饋的信道狀況來確定信道容量，從而自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制方式和編碼速率，以便數(shù)據(jù)傳輸適合信道變化，實現(xiàn)更高的通信速率。

在對抗人為擾動方面，最初是主要通過對時、頻等無線公共資源進行劃分與管理來實現(xiàn)的。世界各國都對時頻等無線公共資源進行科學(xué)合理的規(guī)劃，結(jié)合不同應(yīng)用領(lǐng)域或場景的特點，給各類無線電業(yè)務(wù)劃分專用頻段并成立有關(guān)部門進行嚴格監(jiān)督管理[4]。隨后，頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）技術(shù)也相繼在移動通信中得以應(yīng)用，通過給不同用戶分配正交的頻率、時間和碼塊資源來抵抗用戶間干擾。然而，無線電頻譜等資源是有限的資源，無線通信對頻譜的依賴性越來越大。因此，業(yè)界不斷開發(fā)新的頻率資源，例如，毫米波與太赫茲通信等[5]，用來有效解決日益緊張的頻譜資源和當(dāng)前無線系統(tǒng)容量限制的問題。另外，為了提高頻譜利用率，認知無線電技術(shù)近年來得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。通過從環(huán)境中感知可用頻譜，認知無線電技術(shù)自適應(yīng)改變通信參數(shù)，可實現(xiàn)動態(tài)頻譜分配和頻譜共享。

在對抗無線安全威脅方面，該范式主要采用了擴譜、加密、認證、完整性保護等標志性技術(shù)。以移動通信為例，1G基本上是沒有采用安全防護機制的，但2G數(shù)字通信系統(tǒng)開始增加了空口信息加密、身份認證鑒權(quán)和身份標識碼等安全防護手段并不斷更迭演進。例如，為彌補加密算法的缺陷，移動通信加密算法已由2G A51/A52、3G KASUMI演變?yōu)?G、5G的高級加密標準（AES）、SNOW3G、祖沖之密碼算法（ZUC）等加密強度較高的組密鑰或流密鑰加密算法[6]，密鑰長度也由2G的64 bit不斷增加到5G的256 bit。為解決2G因單向鑒權(quán)機制引起的偽基站問題，3G 時代引入了能夠同時鑒別用戶和移動通信網(wǎng)絡(luò)的合法性的雙向鑒權(quán)機制；為應(yīng)對不法用戶截獲明文傳輸?shù)挠脩粲谰蒙矸輼俗R進行識別、定位和跟蹤等問題，5G利用基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）機制的公鑰加密方法對用戶永久身份標識（SUPI）進行加密后傳輸[7]。

該范式提升了應(yīng)對無線擾動的能力，但是存在以下幾方面的不足：（1）適應(yīng)無線環(huán)境的能力受限于對無線環(huán)境的感知，缺乏對“差異化”無線環(huán)境的“精細化”感知能力；（2）因存在頻譜資源有限、用戶間干擾等問題，通過動態(tài)頻譜分配、頻譜共享等方法提高頻譜利用率和系統(tǒng)容量會受到“頻譜墻”的制約；（3）無線通信中時/頻/碼域資源是公共資源，本質(zhì)上具有不可調(diào)和性，無法根本阻斷干擾、消除安全威脅，缺乏對無線環(huán)境“個性化”資源的開發(fā)利用；（4）采用打補丁、外掛式的技術(shù)路線，基于密碼學(xué)的安全手段來增強信息層面的安全，缺乏從安全與通信共有的本源屬性來探索安全與通信一體化的內(nèi)生安全機制。

1.3 無線通信發(fā)展范式3：主動利用無線環(huán)境

隨著通信業(yè)務(wù)的不斷擴展，被動適應(yīng)無線通信中時/頻/碼域的公共資源對抗擾動的方式無法滿足日益增長的需求，亟待挖掘和利用新的無線環(huán)境資源。由于電磁波傳播機理可用麥克斯韋方程及其邊界條件來刻畫，而差異化的無線環(huán)境對應(yīng)的邊界條件決定了差異化的方程解，因此可以利用空域資源的差異性來突破時/頻/碼等無線資源公共屬性的束縛。第3 范式中所蘊含的理論觀點是：相比于時/頻/碼域等公共資源，空域資源是無線個性化資源，可以利用天然的、內(nèi)在的空域資源差異應(yīng)對無線擾動。

在對抗自然擾動方面，該范式主要通過收發(fā)分集、空域均衡/預(yù)均衡、空時編碼等手段來減小衰落和噪聲的影響。標志性技術(shù)包括分集發(fā)送/接收、波束賦形、集中式與分布式多輸入多輸出（MIMO）、大規(guī)模MIMO等。其中，分集技術(shù)通過在無線信道傳輸同一信號的多個副本（同時在接收端合并接收）來補償衰落信道損耗，可有效提高通信質(zhì)量，降低發(fā)射功率；多天線技術(shù)是近年來無線通信發(fā)展較快的熱點技術(shù)之一，從3G 的智能天線到5G 的大規(guī)模MIMO，天線規(guī)模不斷增加，獲得的功率增益、空間分集增益、空間復(fù)用增益和陣列增益也在不斷提升；空時編碼是通過空間和時間二維聯(lián)合構(gòu)造碼字的信號編碼技術(shù)，能夠獲得分集增益和編碼增益，有效抵消衰落。

在對抗人為擾動方面，該范式主要通過定向發(fā)送與空域濾波來實現(xiàn)干擾抑制。以蜂窩化小區(qū)、空域抗干擾技術(shù)為例：蜂窩系統(tǒng)在移動通信中廣泛應(yīng)用，即相鄰小區(qū)采用不同頻率而距離較遠的蜂窩則復(fù)用相同的頻率，在對抗干擾的同時可提高頻譜利用率；空域抗干擾通過自適應(yīng)天線設(shè)計使得陣列接收方向圖在干擾方向上形成零陷以規(guī)避干擾。

在對抗無線安全威脅方面，該范式主要利用無線信道的隨機性、多樣性、時變性等內(nèi)生安全屬性，在物理層對抗安全威脅，如圖2 所示。標志性技術(shù)是無線物理層安全技術(shù)，例如，信道指紋加密[8-11]、信道指紋認證[12-14]、物理層安全傳輸[15-18]等。其中，信道指紋加密和認證技術(shù)分別通過提取收發(fā)雙方的唯一、互易的無線信道指紋并將其用于密鑰生成和數(shù)據(jù)認證，在信號層面抵御無線主被動攻擊；物理層安全傳輸根據(jù)信道指紋的差異設(shè)計與位置強關(guān)聯(lián)的信號傳輸和處理機制，使得只有在期望位置上的用戶才能正確解調(diào)信號，而在其他位置上的信號是置亂加擾且不可恢復(fù)的。

圖2 基于信道指紋的物理層安全技術(shù)原理

該范式選擇“個性化空域資源”，挖掘并利用無線環(huán)境的差異性對抗無線擾動，但沒有從根本上改變受限于無線環(huán)境的狀況。擴大空域資源自由度的解決思路是通過增加天線陣元單位規(guī)模來提升通信容量等性能指標，但因天線孔徑受限等現(xiàn)實問題導(dǎo)致受到“空譜墻”的制約，對抗無線擾動的能力還處于“靠天吃飯”的階段。

2 無線通信發(fā)展新范式及理論探索

2.1 無線通信發(fā)展范式4：改造定制無線環(huán)境

“空譜墻”的制約使得范式3 無法應(yīng)對無線通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的爆發(fā)式增長和終端的多樣化服務(wù)質(zhì)量需求，因此需要探索“改造定制無線環(huán)境”的無線通信發(fā)展新范式。該范式的核心觀點是：無線廣義不確定擾動可歸因于無線環(huán)境操控性的缺失，要徹底解決這一問題必須提高無線環(huán)境操控的自由度；通過改造定制環(huán)境約束條件，實現(xiàn)通信的優(yōu)化目標，而要改造定制無線環(huán)境就必須從無線內(nèi)生屬性出發(fā)。因此，該范式對應(yīng)的方法論是如何挖掘無線內(nèi)生屬性，基于內(nèi)生屬性實現(xiàn)內(nèi)生構(gòu)造，創(chuàng)造對抗無線擾動的最優(yōu)環(huán)境。具體表現(xiàn)包括以下幾個方面：（1）通過對無線環(huán)境進行動態(tài)編程和按需重構(gòu)來對抗自然擾動；（2）通過塑造、拉大無線環(huán)境的差異性來對抗人為擾動；（3）通過塑造、強化無線環(huán)境的內(nèi)生安全屬性來對抗無線安全威脅。該范式由無線信道“不可操控”向“改造定制”進化，實現(xiàn)從“靠天吃飯”向“天人合一”的技術(shù)變革。

2.2 無線通信的廣義魯棒控制機制——動態(tài)異構(gòu)冗余（DHR）構(gòu)造

內(nèi)生安全DHR 構(gòu)造為無線通信發(fā)展新范式提供了一種解決廣義不確定擾動問題的機制。理論與實踐已經(jīng)證明內(nèi)生安全DHR 構(gòu)造可以同時應(yīng)對可靠性失效和安全攻擊等廣義不確定擾動[19]，即能實現(xiàn)功能安全與信息安全一體化的廣義魯棒控制功能。內(nèi)生安全DHR 構(gòu)造提供了對抗廣義不確定擾動的實踐規(guī)范。因此，如果能在無線通信中找到一種符合DHR 屬性規(guī)范的構(gòu)造，則也可以應(yīng)對無線廣義不確定擾動[20]。

無線通信的發(fā)展也是抵抗無線廣義不確定擾動方法的演進過程。用數(shù)學(xué)模型刻畫廣義不確定擾動可分為兩類：一類是與自然擾動相對應(yīng)的，可以用概率表述的隨機過程，即已知的未知；另一類是與人為擾動相對應(yīng)的，無法用概率精確刻畫的不確定事件，即未知的未知。作為新范式的一大標志性技術(shù)，無線內(nèi)生安全技術(shù)[20]從電磁波及網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)源性缺陷產(chǎn)生的共性和本源問題出發(fā)，探索無線網(wǎng)絡(luò)自身構(gòu)造或運行機理中的內(nèi)生安全效應(yīng)及其科學(xué)規(guī)律，并基于無線環(huán)境內(nèi)生屬性的利用和改造，解決無線環(huán)境中的自然擾動和人為擾動帶來的問題，提供抵御“已知的未知”和“未知的未知”的能力。

無線內(nèi)生安全理論是內(nèi)生安全普遍原理和DHR 構(gòu)造實踐規(guī)范在無線通信中的拓展，為“改造定制無線環(huán)境”這一無線通信新發(fā)展范式提供理論探索。如圖3所示，內(nèi)生安全DHR構(gòu)造[21-23]包含輸入代理、功能等價異構(gòu)執(zhí)行體集合、多模裁決、輸出代理和負反饋控制器。其中，輸入代理將輸入序列分發(fā)到多個功能等價的異構(gòu)執(zhí)行體，對經(jīng)過執(zhí)行體處理后的輸出矢量進行多模裁決；多模裁決器對多模輸出矢量內(nèi)容的合規(guī)性進行判決，一旦發(fā)現(xiàn)非期望裁決狀態(tài)就將激活負反饋控制器，對差模輸出執(zhí)行體進行替換和清洗。異構(gòu)冗余構(gòu)造是“相對正確公理”的邏輯表達與實現(xiàn)方式，能夠發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對不確定攻擊與隨機擾動，保證系統(tǒng)安全/穩(wěn)定運行?；谏鲜鲈砜梢詷?gòu)造出基于迭代裁決的、多維動態(tài)重構(gòu)反饋的運行環(huán)境，能夠形成“測不準”效應(yīng)，變確定性為動態(tài)性，破壞“試錯攻擊”的前提（即破壞擾動的時空一致性）。內(nèi)生安全DHR 構(gòu)造是在“構(gòu)造決定論”指導(dǎo)下的網(wǎng)絡(luò)安全利劍[24-25]。

圖3 動態(tài)異構(gòu)冗余構(gòu)造抽象模型

從電磁波的傳播機理來看，無線環(huán)境（信道）是無線通信的內(nèi)生屬性。信道源于電磁波傳播過程中的直射、反射、散射、折射等各種效應(yīng)組合，是自然界中一種天然的隨機源，其產(chǎn)生機理決定了信道指紋具有各點異性、隨機時變性和第三方測不準特性。這就導(dǎo)致通信雙方的信道是不可測量、不可復(fù)制的，在其他時空坐標上發(fā)起攻擊產(chǎn)生的擾動，必然會破壞原有信道物理結(jié)構(gòu)的完整性。因此，無線信道是天然的DHR 異構(gòu)執(zhí)行體，可以作為新質(zhì)內(nèi)生安全屬性，在電磁波傳輸過程中抵御已知和未知的自然擾動和人為擾動。

如圖4 所示，典型無線通信系統(tǒng)天生具有DHR 構(gòu)造的基本屬性。其中，無線信道是功能等價的異構(gòu)執(zhí)行體，發(fā)信機端的編碼、調(diào)制、多天線發(fā)送等可起到代理作用，接收機端的解碼、解調(diào)、多天線接收等可起到裁決作用，收發(fā)鏈路間的導(dǎo)頻、功控、碼本等為反饋機制。無線信道作為無線通信的DHR 異構(gòu)執(zhí)行體，具有不可操控性。如何改造并定制無線環(huán)境、異構(gòu)執(zhí)行體，即差異化信道的構(gòu)造，成為無線通信DHR構(gòu)造的關(guān)鍵。然而，無線通信范式2和范式3分別為“適應(yīng)”和“利用”自然改變的無線環(huán)境，導(dǎo)致異構(gòu)執(zhí)行體不可控，使得無線通信的DHR 構(gòu)造受無線環(huán)境限制，通信性能受限。為解決上述問題，無線通信新范式在“利用”自然無線環(huán)境和挖掘內(nèi)生安全屬性的同時，能夠通過“塑造定制”無線環(huán)境來主動改造內(nèi)生安全屬性，為實現(xiàn)可控的異構(gòu)執(zhí)行體構(gòu)造提供技術(shù)途徑。

圖4 無線通信系統(tǒng)的動態(tài)異構(gòu)冗余構(gòu)造模型

3 RIS對無線通信新范式的作用

“改造定制無線環(huán)境”的無線通信新范式指導(dǎo)下的DHR構(gòu)造通過對信道環(huán)境進行人工塑造，可使異構(gòu)執(zhí)行體構(gòu)造更加可控，能夠?qū)篃o線廣義不確定擾動。近年來各類新興技術(shù)的出現(xiàn)為改造定制無線環(huán)境提供了有效支撐。智能超表面（RIS）作為下一代移動通信技術(shù)潛在的關(guān)鍵候選技術(shù)之一[26-29]，由超材料技術(shù)發(fā)展而來，是一種由大量可編程超材料單元排布構(gòu)成的新型電磁器件。該技術(shù)能夠?qū)崟r控制和改變每個粒子單元的狀態(tài)，進而控制電磁波的傳播方向、相位、幅度、頻率和極化等特性，具有功耗低、體積小、成本低、布設(shè)方式靈活等優(yōu)點。目前關(guān)于RIS 的研究通常是將其作為反射/透射面，布設(shè)在通信雙方間，以擴大信號的覆蓋范圍，提升系統(tǒng)容量。另外，也有研究將RIS 與射頻器件合并，形成RIS天線或稱為動態(tài)超材料天線（DMA）[30]。RIS 天線利用超材料在模擬域?qū)﹄姶挪ㄟM行調(diào)控，增強了射頻最前端的信號處理能力，能夠增加對無線環(huán)境感知的精細程度，進而實現(xiàn)與多徑相匹配的細粒度編碼、調(diào)制、濾波等信號傳輸技術(shù)，可大大提高通信性能。

3.1 RIS賦能無線DHR構(gòu)造

RIS 對電磁波的操控能力為無線信道的人工塑造提供了可行的技術(shù)手段，使得異構(gòu)執(zhí)行體由不可操控向按需改造轉(zhuǎn)變。無線通信DHR 構(gòu)造將不再受限于自然信道環(huán)境。如圖5所示，新范式下無線通信的DHR 構(gòu)造可通過自然改變的信道環(huán)境和人工塑造的信道環(huán)境來實現(xiàn)。

圖5 智能超表面輔助的無線通信動態(tài)異構(gòu)冗余構(gòu)造模型

RIS 作為材料科學(xué)與信息科學(xué)的交叉融合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對無線環(huán)境的實時重構(gòu)、動態(tài)編程，構(gòu)造無線DHR 中的異構(gòu)執(zhí)行體——差異化信道。優(yōu)化設(shè)計RIS的電磁波調(diào)控參數(shù)可達到人工塑造無線環(huán)境的效果，為差異化的無線信道構(gòu)造提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。基于RIS柔性可重構(gòu)的特性和操控電磁波傳播特性的能力，在無線信道天然內(nèi)生安全的基礎(chǔ)上，進行人為可控的優(yōu)化與改造，最大限度地構(gòu)造內(nèi)生安全屬性的安全增量，強化賦能無線內(nèi)生安全。這將促使無線內(nèi)生安全技術(shù)由被動利用無線內(nèi)生安全屬性向改造定制內(nèi)生安全屬性的方向發(fā)展。RIS技術(shù)的出現(xiàn)使無線通信DHR 構(gòu)造不再受限于自然信道，為無線通信新范式的實現(xiàn)與落地提供實踐規(guī)范。

3.2 RIS推動無線通信計算架構(gòu)演進

從無線通信計算架構(gòu)發(fā)展來看，在模擬通信階段，當(dāng)采用模擬器件的物理特性來實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算時，形成的模擬計算架構(gòu)是固化的。在數(shù)字通信階段，人們主要采用高速數(shù)字處理集成電路完成信號處理。此時在軟件化/虛擬化技術(shù)的帶動下，基站射頻拉遠單元（RRU）與基帶單元（BBU）分離，形成了模擬計算、采樣和數(shù)字相結(jié)合的計算架構(gòu)。由于沒有改變模擬電路固化的問題，模擬計算能力受限，計算能力提升主要靠后端的數(shù)字處理增強。該階段進入一個以“大算力、大數(shù)據(jù)”為特點，以規(guī)模決定論為指導(dǎo)的“數(shù)字化大時代”。

從解決模擬電路固化問題入手，基于RIS 的智能化模擬計算能力，可為移動通信提供新的模數(shù)混合柔性計算結(jié)構(gòu)。從哲學(xué)角度看，RIS推動移動通信計算架構(gòu)按照“模擬”到“數(shù)字”再到“增強模擬+數(shù)字”的方式螺旋式上升；從信息論角度看，數(shù)控模擬計算前端最大限度地保真了信息量。RIS的模擬計算能力在現(xiàn)有的研究中已得到證明[27]。在東南大學(xué)所提出的新型無線通信發(fā)射系統(tǒng)中，RIS能直接對單音信號進行調(diào)制，簡化了傳統(tǒng)發(fā)射機構(gòu)架。另外，對RIS面板的單元狀態(tài)進行設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字卷積定理的頻譜搬移能力，使得復(fù)雜的波束調(diào)控設(shè)計大大簡化。

表1 無線通信計算結(jié)構(gòu)發(fā)展

3.3 RIS促進無線通信陣列變革

眾所周知，陣列天線技術(shù)在移動通信的演進中發(fā)揮了重要作用。為提高移動通信速率和通信容量，4G、5G采用了MIMO、Massive MIMO 技術(shù)來挖掘和利用空域資源，提高空間自由度。然而，當(dāng)前陣列形態(tài)屬于同構(gòu)陣列，依賴于規(guī)模性增益。受限于天線陣列孔徑，實際系統(tǒng)會出現(xiàn)MIMO 信道矩陣秩損的現(xiàn)象，實際自由度遠小于理論自由度，系統(tǒng)性能受到限制。如果依然遵循“規(guī)模決定論”的技術(shù)路線，通過簡單地增加陣列規(guī)模來實現(xiàn)每秒太比特的峰值速率、20 GHz 的大寬帶等性能，那么6G 將面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

實現(xiàn)從“規(guī)模決定論”向“構(gòu)造決定論”轉(zhuǎn)型是應(yīng)對現(xiàn)有挑戰(zhàn)的全新技術(shù)路線[31]。利用具有時空二維敏捷可重構(gòu)特性的DHR陣列是該路線的一種可行實現(xiàn)方式。如圖6所示，對于同一時刻，不同的陣元能夠形成異構(gòu)的方向圖；對于同一陣元，不同時刻也具有異構(gòu)的方向圖。DHR 陣列與同構(gòu)陣列的本質(zhì)區(qū)別在于，天線陣元具有實時可重構(gòu)、動態(tài)可編程的能力，可帶來自由度的提升。

圖6 動態(tài)異構(gòu)冗余陣列

與當(dāng)前以5G 超大規(guī)模天線為代表的同構(gòu)陣列相比，DHR 陣列通過動態(tài)捷變與異構(gòu)構(gòu)造，為改造無線環(huán)境提供技術(shù)手段，在通信和安全性能方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性[32]，具體表現(xiàn)包括3 個方面：一是在感知無線環(huán)境方面，利用差異化的手段解析差異化的無線環(huán)境，可以精確感知到每條多徑，進而實現(xiàn)與每條多徑匹配的細粒度編碼、調(diào)制、濾波等信號傳輸技術(shù)；二是在改造無線環(huán)境方面，利用空域和時域提供的自由度，可以拉大多流信號間的差異性，實現(xiàn)單RIS 陣元的DHR 陣列接收和發(fā)送多流信號，在提高通信容量的同時提升波束方向的分辨率；三是在安全方面，利用動態(tài)捷變改造信道的隨機性和時變性“基因”，借助異構(gòu)改造不同信道的差異性“基因”，提升無線信道指紋的安全能力。因此，這為有效對抗無線擾動，保障信息可靠和安全傳輸?shù)募毩６取⒕毣盘杺鬏敾蛱幚砑夹g(shù)的設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

3.4 RIS驅(qū)動電磁信息理論發(fā)展

香農(nóng)信息論基于信號和統(tǒng)計理論，未考慮涉及信號電磁傳播特性的麥克斯韋電磁理論。單純基于香農(nóng)信息論的系統(tǒng)設(shè)計理念使無線通信性能面臨天花板，難以滿足B5G/6G 對無線通信性能提出的更高要求。香農(nóng)限的理論分析依賴于無線信道的準確建模。在傳統(tǒng)的信道模型中，輸入輸出通常為連續(xù)時間信號，信道則建模為線性時不變系統(tǒng)。其中，線性高斯信道模型被廣泛采納，當(dāng)前無線通信賴以生存的采樣和濾波理論均建立在該模型基礎(chǔ)上。然而，隨著通信頻帶的不斷攀升和大尺寸天線的應(yīng)用，F(xiàn)raunhofer 遠場區(qū)條件將不再滿足，經(jīng)典的信道模型與電磁波近場傳輸?shù)默F(xiàn)實已不再相匹配。因此，為了刻畫實際環(huán)境下無線鏈路的特性，基于場波視角的信息傳輸理論引起了廣泛關(guān)注[33]。

在電磁信息理論中，信道輸入與輸出均為連續(xù)的時空四維信號。由于實際收發(fā)端天線尺寸受限，輸入與輸出信號在空間維度出現(xiàn)緊支撐。信源到信宿間的電磁傳播由格林函數(shù)完全刻畫，因此電磁信道應(yīng)當(dāng)建模為Hilbert 空間上的積分算子。相較于經(jīng)典模型，電磁信息理論不再局限于單純改變電磁波的幅度與相位，而是可以將發(fā)射信號視為空間上不同的電磁分布。

顯而易見，電磁信息理論解鎖了發(fā)射信號的空間維度，也將帶來更大的傳輸自由度。需要注意的是，獲取該自由度增益的前提是發(fā)射天線具有在給定空間區(qū)域產(chǎn)生任意電磁分布的能力。得益于超材料的物理性質(zhì)，RIS能夠同時進行電磁波調(diào)控和數(shù)字信息處理，完成從數(shù)字編碼/比特流信息到電磁信息的映射，建立信息理論和電磁理論的橋梁，使得信息理論和麥克斯韋電磁理論完美結(jié)合，天然地適配于電磁信息理論，為無線通信發(fā)展帶來了新的契機。

東南大學(xué)崔鐵軍團隊首次提出了基于信息超材料的電磁信息論，把香農(nóng)信息理論應(yīng)用到電磁理論中，給出了RIS 數(shù)字編碼與電磁波兩類信息之和的上限[34-36]、數(shù)字編碼完全隨機時的方向圖信息，以及一定面積的信息超材料所能輻射的正交方向圖信息的理論上限值。另外，RIS 能夠?qū)?shù)字信號處理的方法從信號域引入到電磁域[37]，利用不同數(shù)字編碼與其方向圖之間的傅里葉變換關(guān)系實現(xiàn)方向圖搬移，即信息超材料的卷積定理?；谠摱ɡ?，當(dāng)RIS 面積足夠大時，2 bit 數(shù)字編碼即可實現(xiàn)上半空間無死角的波束掃描。為了充分利用RIS 的全息能力從而逼近無線信道容量，需要進一步發(fā)展與完善電磁信息理論，特別是在電磁信號的正交展開、空間采樣、信道測量和天線樣式設(shè)計等方面。

3.5 RIS支撐多模態(tài)無線傳輸環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系發(fā)展經(jīng)歷了從網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)緊耦合、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)相對分離到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系與支撐環(huán)境相分離這一新范式的轉(zhuǎn)變[38]。網(wǎng)絡(luò)發(fā)展新范式下的方法論是建立多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)。多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一種基于全維可定義技術(shù)的可共生共存、動態(tài)并發(fā)、演進變革融合的多元化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)的一體化網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境——網(wǎng)絡(luò)之網(wǎng)絡(luò)，它既能保障各類業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系的可自持發(fā)展，又能實現(xiàn)多元網(wǎng)絡(luò)的智能、高效一體化部署和管理，擁有與具體網(wǎng)絡(luò)體系及相關(guān)業(yè)務(wù)無關(guān)的全維可定義的技術(shù)物理環(huán)境與生態(tài)。

如圖7所示，相比于多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的全維可定義網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境，RIS的柔性可重構(gòu)特性和操控電磁波的能力可使無線通信技術(shù)體制與無線支撐環(huán)境相分離，能夠針對各類無線傳播環(huán)境，構(gòu)建全維可定義無線傳輸支撐環(huán)境，支撐編碼、調(diào)制、多址、組網(wǎng)、安全等多種模態(tài)，形成無線網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)體制的無線支撐環(huán)境，也就是“環(huán)境之環(huán)境”。如圖8所示，以5G 三大應(yīng)用場景為例，針對增強型移動寬帶（eMBB）、大規(guī)模機器類通信（mMTC）、超可靠低時延通信（URLLC）不同的傳播環(huán)境和通信需求，利用RIS反射面、DHR陣列構(gòu)建任何通信體制的無線支撐環(huán)境，形成可匹配任何無線環(huán)境的柔性適配層，能夠屏蔽各類傳播環(huán)境的差異性，使得無線業(yè)務(wù)與自然環(huán)境解耦。

圖7 多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)通信與多模態(tài)無線通信

3.6 RIS助力人工智能發(fā)展

人工智能技術(shù)誕生于20 世紀中葉，近年來由于算力、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)量的大幅提升以及網(wǎng)絡(luò)模型與算法的不斷突破，得以再次復(fù)興。人工智能特別是深度學(xué)習(xí)在計算機視覺、自然語言處理、語音識別等領(lǐng)域已獲得巨大成功。無線通信與人工智能技術(shù)的有機融合也將大幅度提升無線通信系統(tǒng)的效能。

人工智能的研究主要集中在基于計算機的機器學(xué)習(xí)方法，如深度學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)。與傳統(tǒng)使用計算機平臺來實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法不同，基于波的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用3D 打印光學(xué)透鏡陣列形成全光學(xué)衍射深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[39]，利用光子的波動特性實現(xiàn)并行計算，成為一類新型的人工智能方法。但這種基于波的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一旦產(chǎn)生，自身的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)就會固定下來，這限制了它的功能和應(yīng)用。RIS的可編程特性為建立可重新訓(xùn)練的基于波的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了可能。如圖9 所示，文獻[40]提出了一種可編程和現(xiàn)場訓(xùn)練的人工智能機（PAIM）。PAIM采用RIS透射面作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層，進行波傳感和通信，可以在波空間進行計算和光速處理，通過切換超表面狀態(tài)來實現(xiàn)圖像識別、自動聚焦、無線通信等不同功能和應(yīng)用?；赗IS的可編程人工智能機為人工智能在無線通信不同場景的應(yīng)用提供了新的可行技術(shù)路徑。

圖9 基于智能超表面的可編程人工智能機器[40]

4 結(jié)束語

本文從思維視角和方法論的層面對無線通信發(fā)展進行思考，將現(xiàn)有無線通信發(fā)展歸納為三大范式，并給出了每個范式的適用范圍、階段性特點和關(guān)鍵技術(shù)。針對目前發(fā)展范式“受限于”無線環(huán)境、對抗無線擾動的能力處于“靠天吃飯”階段等問題，提出了“改造定制無線環(huán)境”的無線通信發(fā)展新范式，并給出對于新范式的理論探索。文中以無線通信發(fā)展新范式為指導(dǎo)，利用RIS 構(gòu)建物理（模擬）世界和信息（數(shù)字）空間的橋梁，賦能無線環(huán)境的內(nèi)生構(gòu)造，將被動適應(yīng)無線環(huán)境的“信道編碼”向主動改變無線環(huán)境的“編碼信道”轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)改造定制無線環(huán)境的無線通信新范式。

致謝

特別感謝東南大學(xué)崔鐵軍院士、程強教授、金石教授和中興通訊股份有限公司趙亞軍總工等專家對本文的貢獻！