智能超表面的設(shè)計及應(yīng)用

柯俊臣/KE Junchen，梁竟程/LIANG Jingcheng，程強/CHENG Qiang

（東南大學(xué)，中國南京 210096）

5G技術(shù)目前正處于快速商用的時期，同時6G技術(shù)也在緊鑼密鼓地研發(fā)之中。萬物互聯(lián)帶來的人與人、人與物、物與物之間的海量數(shù)據(jù)傳輸，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實時性、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量、流量密度等方面提出了全新挑戰(zhàn)。在眾多新興技術(shù)中，具有智能感知、操控能力的智能超表面（RIS）技術(shù)逐漸引起了全球通信領(lǐng)域?qū)W者的密切關(guān)注[1]，成為6G無線通信的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。

超表面是一種由亞波長尺度單元（典型值為1/10～1/3個波長）按特定空間排布形成的人工電磁結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)量、低剖面、易集成、易共形等特點[2]。傳統(tǒng)的超表面在設(shè)計制造完成后，其電磁波響應(yīng)及電磁功能就被固化了，無法再根據(jù)實際需求進行改變。但為應(yīng)對復(fù)雜電磁系統(tǒng)的需求，超表面的電磁特性往往需要靈活調(diào)節(jié)，因此可編程超表面的概念應(yīng)運而生。2014 年崔鐵軍教授首次提出了數(shù)字編碼與可編程超表面的概念[2]，將超表面單元的反射和透射響應(yīng)的不同狀態(tài)用二進制數(shù)值0/1來表示，并將預(yù)先設(shè)計的二進制編碼序列輸入至超表面控制器，實現(xiàn)對整個超表面陣列電磁特性的編程，進而實現(xiàn)特定的電磁功能。數(shù)字編碼與可編程超表面的提出為超表面設(shè)計提供了全新的思路，簡化了超表面設(shè)計與優(yōu)化流程，并可與數(shù)字信號處理器件相結(jié)合形成更為先進的RIS。

通過加載特定的調(diào)控器件，如PIN 管（P-I-N 型二極管）、變?nèi)莨芎臀C電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)等，RIS 可以對電磁波的幅度、相位、頻率、極化等特性進行實時可編程調(diào)控[3-5]，進而控制電磁波在自由空間中的傳播行為，突破傳統(tǒng)無線信道無法主動調(diào)控的局限，構(gòu)建智能可編程無線環(huán)境的新范式[6]。同時，基于RIS 的無線通信收發(fā)機硬件架構(gòu)具有架構(gòu)簡單、功耗低、成本低等特點[7]，僅使用RIS 和基帶模塊即可完成信息調(diào)制與傳輸，省去了信號混頻、上變頻、放大等過程，為下一代無線通信提供了新的解決方案。

1 RIS對電磁波的操控原理

1.1 空間波束賦形

圖1（a）展示了一種由二進制數(shù)字“0”或“1”單元構(gòu)成1 bit 反射式RIS。其中，RIS 在不同工作狀態(tài)下的幅相響應(yīng)如圖1（b）所示：單元在兩種狀態(tài)下的反射相位差為180°。我們規(guī)定0°相位為編碼“0”，180°相位為編碼“1”。通過在RIS上輸入不同的編碼序列，實現(xiàn)對散射波束不同的調(diào)控效果，如圖1（c）和（d）所示。

圖1 RIS的空間波束賦形原理

1.2 非線性諧波調(diào)控

在時間編碼RIS 提出之前，大多數(shù)研究工作只關(guān)注RIS的空間編碼分布[8]，而忽視了其在時間維度上的應(yīng)用。時間編碼RIS是一種利用時態(tài)參數(shù)來實現(xiàn)電磁波頻譜調(diào)控的時變器件。當(dāng)RIS單元的電磁特性是時間函數(shù)時，它將變成一個時變系統(tǒng)，并會產(chǎn)生非線性現(xiàn)象。文獻[4]提出了時域RIS的基礎(chǔ)理論與設(shè)計方法。通過在時間域上對RIS的反射系數(shù)進行周期性調(diào)制，反射波中將會產(chǎn)生非線性諧波分量，如圖2（a）所示。此時，反射波的頻譜相當(dāng)于RIS的反射系數(shù)的頻譜被搬移到入射波頻率處。那么對反射系數(shù)頻譜的調(diào)控即可簡單地等效為對反射波頻譜的調(diào)控。這意味著時間編碼RIS擁有調(diào)控電磁波頻譜的能力。

然而經(jīng)進一步的研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)文獻[4]提出的方法產(chǎn)生的諧波的相位在幅度調(diào)節(jié)的過程中也發(fā)生了變化。為了解除諧波幅度和相位之間的固有耦合，文獻[9]提出了一種簡單高效的方法來實現(xiàn)諧波的幅度和相位的獨立控制，如圖2（b）所示。由傅里葉變換理論可知，時間延遲的引入可以在保持振幅的同時為頻譜分量帶來額外的相移。因此諧波幅度和相位可以通過設(shè)計時間編碼的相位差和時移來實現(xiàn)獨立的控制。

一個nbit的空間編碼RIS包含2n種編碼單元。RIS的比特數(shù)越高，其相位量化誤差就越小，同時對電磁波的操控也更精準(zhǔn)，但是過高的比特數(shù)會造成單元結(jié)構(gòu)和控制線路與系統(tǒng)的設(shè)計非常復(fù)雜。文獻[10]提出了一種基于時間編碼來實現(xiàn)多比特相位的設(shè)計方法，具體如圖2（c）所示。該方法利用一種矢量合成分析法來設(shè)計任意多比特的可編程相位，解決了多比特RIS設(shè)計的難題。通過設(shè)計時間編碼序列，將原向量進行矢量疊加，可以實現(xiàn)任意的新向量。通過不同時間編碼調(diào)制的反射波等效相位和幅度，相位覆蓋率幾乎可以達到預(yù)期的360°。在這種時空編碼策略的支持下，可以用簡單的單元結(jié)構(gòu)和控制線路系統(tǒng)來實現(xiàn)一個任意多比特RIS[11]。

1.3 多諧波聯(lián)合調(diào)控

文獻[12]提出了時空編碼RIS，通過在空間域和時間域?qū)IS 進行編碼，可以實現(xiàn)RIS 在空、時、頻域上對電磁波的多維度調(diào)控[12-13]。如圖2（d）所示，時空編碼RIS 由加載了可調(diào)諧器件的單元構(gòu)成，其中每個單元可由周期性的時間編碼獨立控制。通過將不同的控制信號加載到單元上，時空編碼RIS 的狀態(tài)在空域和時域上共同編碼，實現(xiàn)反射波波前和頻譜的同時操控。由于在空間編碼的基礎(chǔ)上引入了時間調(diào)制，時空編碼RIS 可以在基波頻率和諧波頻率下分別實現(xiàn)高精度的波束成形。

為了實現(xiàn)靈活和連續(xù)的諧波波前控制，參照空間域的卷積定理（即在一個RIS 上進行傅里葉運算），文獻[14]提出了非線性散射方向波束偏轉(zhuǎn)的方法。該方法可以將諧波的散射波束偏折到任意方向，如圖2（e）所示。文中將時間延遲t0引入時變反射系數(shù)Γ(t)中，因此在第k階諧波頻率上將有一個額外的相位因子e-2πkf0t0。通過動態(tài)刷新單元之間的時延梯度，可以實時地調(diào)整RIS上諧波的相位分布。將諧波的初始編碼與預(yù)設(shè)的波束偏轉(zhuǎn)編碼做卷積，就可以將諧波波束偏轉(zhuǎn)到指定的角度。

圖2 RIS在非線性諧波調(diào)控中的應(yīng)用

2 RIS的應(yīng)用

2.1 可編程全息成像系統(tǒng)

全息成像是一種通過對空間中電磁波/光的特征參數(shù)進行編碼來實現(xiàn)成像的技術(shù)?；诔砻娴娜⒊上窬哂懈咝省⒏叻直媛室约暗驮肼暤忍匦?，在過去的十幾年中，科研工作者們相繼提出了適用于各個電磁波頻段的超表面全息技術(shù)。然而，其中大多數(shù)工作都是基于無源超表面實現(xiàn)的，它們對電磁波/光的幅度/相位等特征參數(shù)的編碼是固定的，因此僅能用于重建靜態(tài)的全息圖像，應(yīng)用場景受限。為了打破這一限制，文獻[15]提出了基于1 bit 相位編碼RIS 的可編程微波全息成像系統(tǒng)[15]。

圖3（a）是基于RIS的動態(tài)全息成像示意圖。在不同偏壓下，加載PIN二極管的RIS單元具有不同的電磁性能，因此可以通過改變偏壓來動態(tài)調(diào)控其相位特性：當(dāng)偏壓分別為3.3 V/0 V時，二極管的狀態(tài)為“ON”/“OFF”，單元分別工作在“0”/“1”兩種狀態(tài)（7.8 GHz）。利用改進的Gerchberg-Saxton 算法，可以計算出不同全息圖像所需的編碼圖案，并將其轉(zhuǎn)換為電壓編碼序列預(yù)存在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）中。通過這些電壓序列對20×20的RIS亞胞陣列（每個亞胞包含5×5個單元）進行饋電。在平面波的照射下，RIS形成特定的1 bit相位分布，從而在空間中實現(xiàn)了一組動態(tài)全息圖效果。實測的全息圖像如圖3（a）所示，得到的全息影像清晰，且具有較高的分辨率和信噪比。另外，通過設(shè)計幅度和相位獨立可調(diào)的RIS，可以提高該成像系統(tǒng)的性能。此外，該方法也可以向更高頻段拓展。

圖3 RIS在可編程全息成像和自適應(yīng)智能感知中的應(yīng)用

2.2 自適應(yīng)智能感知

對于大多數(shù)數(shù)字編碼和RIS而言，其豐富的電磁波調(diào)控功能都是依靠預(yù)先編寫好的FPGA控制程序來實現(xiàn)的，因此人工干預(yù)的步驟必不可少。這使得一方面，基于超表面的系統(tǒng)一直是一個開環(huán)系統(tǒng)，不利于復(fù)雜環(huán)境中的多系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作；另一方面，這些系統(tǒng)不包含傳感和反饋組件，難以建立具有自動決策功能的閉環(huán)智能系統(tǒng)。解決這個問題的關(guān)鍵在于將傳感器集成到可編程超表面中，從而構(gòu)建具有自適應(yīng)功能的RIS。

為了具體展示自適應(yīng)RIS 的應(yīng)用，文獻[16]預(yù)設(shè)了一個RIS在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用場景，如圖3（b）所示。當(dāng)飛機繞地球飛行時，其飛行姿態(tài)將發(fā)生變化，RIS可以感知該變化并自適應(yīng)地調(diào)節(jié)波束輻射方向，從始至終聚焦于衛(wèi)星來進行穩(wěn)定的通信。這種自適應(yīng)RIS的特點是在超表面的背面集成一個陀螺儀傳感器、微控制器單元（MCU）和FPGA：傳感器可以檢測RIS及其環(huán)境的空間姿態(tài)和運動狀態(tài)，并將相應(yīng)的角度數(shù)據(jù)信息實時反饋并發(fā)送到FPGA；MCU 和FPGA 處理這些數(shù)據(jù)并按預(yù)設(shè)的反饋算法產(chǎn)生相應(yīng)的RIS波束賦形編碼序列。在這種機制下，RIS無需人工操作即可執(zhí)行自主決策功能，自動實現(xiàn)自適應(yīng)波束轉(zhuǎn)向，其波束隨方位角的變化情況如圖3（b）所示。這種自適應(yīng)智能感知模式在未來可以與人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)相結(jié)合，從而進一步擴展其對周圍環(huán)境的高精度感知、學(xué)習(xí)和記憶等高級功能。

2.3 新體制無線通信系統(tǒng)

在無線通信領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)需要利用數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器、調(diào)制/解調(diào)器、混頻器以及射頻組件等器件將數(shù)字信息調(diào)制和發(fā)射，其系統(tǒng)架構(gòu)繁雜，各組件的成本也比較昂貴。RIS能夠根據(jù)編碼序列形成動態(tài)的遠場輻射方向圖/近場圖案，而不同的方向圖/近場圖案可以表征不同的信息?；谶@一思想，文獻[17]、[18]提出了一種基于RIS 的新體制無線通信架構(gòu)，稱之為直接數(shù)字調(diào)制（DDM）系統(tǒng)。DDM 系統(tǒng)主要由FPGA、RIS和接收器組成，圖4（a）展示了信息調(diào)制在遠場輻射方向上的DDM系統(tǒng)的通信機制示意圖；圖4（b）展示了待傳輸?shù)脑紙D像和接收到的圖像，該結(jié)果證明了該系統(tǒng)的有效性。

圖4 RIS在新體制無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

近幾年，科研人員在時域編碼和時空編碼RIS的理論研究中取得了豐碩的成果[4],[9-14]。時域編碼和時空編碼RIS能夠便捷、精確地控制信號幅度譜和相位譜，這使得基帶信息的調(diào)制可以直接在RIS 界面上進行，無需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、混頻、射頻發(fā)射等過程?；跁r域編碼RIS理論，文獻[4]提出了一個二進制頻移鍵控（BFSK）無線通信系統(tǒng)。圖4（c）為BFSK系統(tǒng)的示意圖，圖4（d）展示了接收端恢復(fù)出來的圖像信息，該結(jié)果證明了BFSK通信系統(tǒng)高效傳輸信息的能力。系統(tǒng)在3.6 GHz的載波頻率下工作，其數(shù)據(jù)傳輸速率為78.125 kbit/s。為了提高通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，文獻[19]進一步提出了基于RIS 的正交相移鍵控（QPSK）無線通信系統(tǒng)[19]，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達到1.6 Mbit/s，實現(xiàn)了流暢、無損的視頻傳輸。圖4（e）展示了電影的無線傳輸場景實物圖。此后，文獻[7]、[20]、[21]基于QPSK通信架構(gòu)進一步地開發(fā)了基于RIS 的八進制相移鍵控（8PSK）、正交幅度調(diào)制16QAM、256QAM的高階調(diào)制體制無線通信方案，其中文獻[21]甚至推廣到了毫米波領(lǐng)域應(yīng)用，使得基于RIS 的新體制無線通信架構(gòu)得到了廣泛推廣。

在5G和6G移動通信中，服務(wù)于多用戶場景的多信道無線通信技術(shù)一直備受重視。解決多信道無線通信的一條重要技術(shù)途徑是信道復(fù)用技術(shù)。文獻[22]提出了一種基于時空編碼RIS 的空間-頻率分集復(fù)用的多通道無線通信系統(tǒng)，它實現(xiàn)了為多個不同位置的用戶以不同頻率獨立地傳輸多個信息源的功能，系統(tǒng)示意圖如圖4（f）所示：從圖中可以看出，不同的數(shù)據(jù)流可以直接路由到位于不同方向的指定用戶，每個指定用戶都有自己獨立的接收頻道和空間信道，而位于其他信道的“無關(guān)”用戶則無法接收到正確的信息。另外，文獻[23]、 [24] 提出了將MIMO 技術(shù)融入到基于RIS 的新體制無線通信系統(tǒng)的多用戶通信解決方案，可進一步發(fā)揮RIS 在多用戶通信系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力，為將來更先進的低成本的超大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)提供了一種很有潛力的實現(xiàn)方案。

2.4 波達方向（DOA）估計

波達方向估計技術(shù)是無線通信、雷達和聲吶探測領(lǐng)域內(nèi)的一項關(guān)鍵技術(shù)。通過處理接收到的來波信號來估測、定位待測目標(biāo)的距離、方位等重要信息，該技術(shù)有助于構(gòu)建智能無線網(wǎng)絡(luò)。RIS能夠在一定的孔徑面上同時、準(zhǔn)確地感知和操控空間電磁波，這為構(gòu)建新型DOA 估計系統(tǒng)提供了有力支持。最近，文獻[25]提出了一種基于RIS的DOA估計方案：作為一個“隨機電磁采樣接收器”，RIS 生成一系列隨機的輻射方向圖來感知、接收入射信號，隨后通過壓縮感知（CS）和正交匹配追蹤（OMP）算法對信號進行處理，從而恢復(fù)出DOA信息。系統(tǒng)原理圖如圖5（a）所示。更進一步地，文獻[26]所提出的系統(tǒng)將DOA概念和方法應(yīng)用在毫米波測向應(yīng)用中，利用時空編碼RIS在毫米波頻段實現(xiàn)了DOA估計，并且可以根據(jù)不同的來波方向產(chǎn)生不同的電磁功能。系統(tǒng)原理圖如圖5（b）所示。上述兩種新型DOA估計系統(tǒng)為高精度電磁波探測和操控鋪平了道路，也促進了先進成像、雷達和無線通信系統(tǒng)的開發(fā)。

圖5 RIS在波達方向估計中的應(yīng)用

3 結(jié)束語

本文首先系統(tǒng)地介紹了RIS的基本概念、物理機理和設(shè)計方法，展現(xiàn)了其在時-空-頻等多維度內(nèi)對電磁波進行調(diào)控的能力，如空間波束賦形、非線性諧波調(diào)控與多諧波聯(lián)合操控。其次，展示了RIS 的一些突破性應(yīng)用，包括全息成像、智能感知、無線通信與波達方向估計。作為超表面領(lǐng)域的里程碑之一，RIS將會為擴展超表面的應(yīng)用領(lǐng)域，激發(fā)新的活力，并且在未來更先進的系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

致謝

本文得到了東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院戴俊彥老師和在讀博士生汪正興的幫助和支持，在此表示感謝！