智能超表面技術(shù)展望與思考分析

韓元圣，車路平

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)海警學(xué)院，浙江 寧波 315010）

隨著人們對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量需求的不斷提升，在接下來(lái)的十幾年時(shí)間里，無(wú)線連接有望朝著無(wú)處不在的趨勢(shì)發(fā)展，甚至于“通信-感知-計(jì)算”集成的網(wǎng)絡(luò)也極有可能成為現(xiàn)實(shí)。然而，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、硬件的高成本以及能耗的不斷上升，都是未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所要面對(duì)的主要問(wèn)題。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的任意調(diào)節(jié)，一直是人們不懈追求的一個(gè)目標(biāo)，盡管對(duì)電磁波的操控能力得到了突飛猛進(jìn)的提高，但由于物質(zhì)的電磁參數(shù)比較固定，所以對(duì)電磁波的控制還僅停留在發(fā)射機(jī)、接收機(jī)上，而智能超表面技術(shù)在信道環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的靈活操控也正因?yàn)榇藨?yīng)用特點(diǎn)，使該項(xiàng)技術(shù)備受關(guān)注。RIS 一般是由許多精密設(shè)計(jì)的電磁波元件組合而成，利用RIS 技術(shù)，將控制信號(hào)輸入各可調(diào)部件中，實(shí)現(xiàn)對(duì)其電磁特性的動(dòng)態(tài)調(diào)控，并在此基礎(chǔ)上，利用可編程的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間電磁波的主動(dòng)性調(diào)控，進(jìn)而形成包含相位、幅值、極化、頻率等多個(gè)參數(shù)的可控電磁場(chǎng)。

1 智能超表面技術(shù)原理

智能超表面技術(shù)是依托超材料在移動(dòng)通訊領(lǐng)域跨學(xué)科應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)。智能超表面系統(tǒng)由若干個(gè)部件組成，比如，饋電系統(tǒng)、波控網(wǎng)絡(luò)、智能超表面輻射結(jié)構(gòu)等。在智能超表面陣列中，通常會(huì)包含諸多智能超表面單元，而且結(jié)構(gòu)都是半波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)，它們的電磁性能與超材料的結(jié)構(gòu)、尺寸、排列方式密切相關(guān)。其中饋電系統(tǒng)有兩種饋電模式，分別為遠(yuǎn)場(chǎng)空間、分布式，是以喇叭形輻射器為輻射源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其體積龐大，常被應(yīng)用于以智能超表面為基礎(chǔ)的無(wú)線收發(fā)器等領(lǐng)域；后者主要是將天線陣面分成若干個(gè)子陣，每個(gè)子陣都有一套子陣饋電系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行信號(hào)饋電，最終通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模擬或者合成，如此就能順利得到天線陣面的電磁信號(hào)。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(tǒng)的功率容量，同時(shí)，還能進(jìn)一步優(yōu)化天線的平面共形性能，外加系統(tǒng)體積并不大，可廣泛應(yīng)用于覆蓋盲點(diǎn)、多流增速等場(chǎng)景。舉例來(lái)說(shuō)，利用可編程控制電路對(duì)各智能超材料單元的電磁性質(zhì)實(shí)施動(dòng)態(tài)、獨(dú)立的調(diào)控，采用可編程邏輯門的方法，利用控制電路對(duì)變?nèi)荻O管和感光器件的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)其所傳輸?shù)碾姶挪ㄐ盘?hào)的幅值、相位、頻率和偏振等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到高增益的平面聚焦、大角度快速波束掃描/轉(zhuǎn)換、靈活波束成形的目的。

2 智能超表面關(guān)鍵技術(shù)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控

RIS 系統(tǒng)不管是應(yīng)用在新型無(wú)線收發(fā)機(jī)，還是作為無(wú)線傳輸中繼節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)包括可重構(gòu)電磁曲面、饋電系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)?？芍貥?gòu)電磁場(chǎng)表面是由周期性排列或擬周期性排列的表面基元構(gòu)成的陣列，是實(shí)現(xiàn)空間波形調(diào)控的重要手段?？刂葡到y(tǒng)基于可重構(gòu)電磁場(chǎng)表面的非線性元件，并利用該元件的低頻控制信號(hào)，動(dòng)態(tài)化調(diào)控饋電系統(tǒng)中高頻信號(hào)。

（1）可重構(gòu)電磁表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。RIS 技術(shù)最初的目的與核心是可重構(gòu)的電磁曲面設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，要從具體的應(yīng)用要求出發(fā)時(shí)，對(duì)單元體、偏置線路等實(shí)施系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，首先，利用電磁模擬軟件，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕?，如周期邊界條件、Floquet 端口激勵(lì)、非線性元件的當(dāng)量RLC 等。接著，選取適當(dāng)?shù)脑缀螛?gòu)造，以使其在期望的頻帶中滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)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(lián)機(jī)控制系統(tǒng)中使用的偏置導(dǎo)線等構(gòu)造，并檢驗(yàn)這些構(gòu)造對(duì)元件性能所帶來(lái)的影響。

（2）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)主要采用了三種控制方式，分別為機(jī)械、模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)。第一種機(jī)械控制由于響應(yīng)速度相對(duì)較慢，現(xiàn)階段已經(jīng)很少被應(yīng)用；第二種模擬信號(hào)控制主要是依托控制模塊，生成一個(gè)連續(xù)分布的電平，并通過(guò)對(duì)變?nèi)荻O管等參量不斷變化的元件進(jìn)行控制，使其產(chǎn)生各種不同的響應(yīng)；第三種數(shù)字控制通過(guò)控制模塊生成不同的電壓，并對(duì)諸如PIN二極管等切換元件實(shí)施控制，進(jìn)而做出不同的響應(yīng)。按照可控狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以將數(shù)字信號(hào)控制劃分為為1bit、2bit 以及更多bit 狀態(tài)的控制，但是，隨著控制位數(shù)的增多，表面結(jié)構(gòu)也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，使得設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的難度顯著增加。在該控制系統(tǒng)中，控制碼的設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵所在，也就是按照電磁波束方向來(lái)進(jìn)行可重構(gòu)電磁曲面的相位分布。對(duì)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(gè)方向的碼表都計(jì)算出來(lái)并進(jìn)行存儲(chǔ)，在使用過(guò)程中，按照上位機(jī)的指令，按照地址逐一提取相應(yīng)的碼表，并進(jìn)行賦值；其二為聯(lián)機(jī)運(yùn)算方式，即向處理器中插入代碼運(yùn)算程序，由處理器自動(dòng)化完成代碼運(yùn)算。

2.2 基帶算法

（1）信道建模。信道響應(yīng)矩陣是傳輸信號(hào)模型中一個(gè)非常重要的組成部分，RIS 是一種極具潛力的可重構(gòu)電磁環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行精確、有效的信道建模，是對(duì)無(wú)線電通信系統(tǒng)、關(guān)聯(lián)技術(shù)展開合理評(píng)估的先決條件。目前比較常用的模型有兩種，一種是統(tǒng)計(jì)性模型，另一種是確定性模型，統(tǒng)計(jì)性建模方法主要是利用專門的測(cè)量設(shè)備，對(duì)某一實(shí)際場(chǎng)景下的信道數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在此基礎(chǔ)上利用大、小尺度參數(shù)，圍繞信道數(shù)據(jù)中所隱藏的特性展開統(tǒng)計(jì)性描述；確定性建模方法是以幾何光學(xué)和相容衍射為基礎(chǔ)，利用光線跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端-接收端、發(fā)射端-RIS、RIS-接收端三個(gè)鏈路間的多徑射線（傳輸路徑）的準(zhǔn)確計(jì)算，進(jìn)而獲得多徑射線的各項(xiàng)信道參數(shù)，比如，功率、時(shí)延、離開角等。

（2）信道估計(jì)。與傳統(tǒng)的多輸入多輸出系統(tǒng)相比，RIS支持下的無(wú)線系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)信道估計(jì)提出了全新挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)RIS 多為無(wú)源器件，且無(wú)復(fù)雜信號(hào)處理功能，難以準(zhǔn)確估計(jì)信道狀態(tài)信息。帶有部分有源元件的RIS能夠?qū)SI 進(jìn)行自主估計(jì)，但是它必須對(duì)信道估計(jì)和復(fù)雜性和代價(jià)做出綜合考量；其次，RIS 極大化的陣列結(jié)構(gòu)給系統(tǒng)的信道估計(jì)帶來(lái)了很大的復(fù)雜性。另外，由于RIS 技術(shù)的引入，使得信道具有了分片化的特點(diǎn)，這也為RIS 技術(shù)的信道估計(jì)增加了難度。除了能夠結(jié)合信道的雙時(shí)間尺度特征，以分段的手段展開信道估計(jì)，也就是對(duì)用戶設(shè)備的低維移動(dòng)信道估計(jì)比較頻繁，針對(duì)高維準(zhǔn)靜態(tài)的基站信道，則可以省略頻繁的信道估計(jì)環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)單對(duì)信道信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)即可，有助于減少總體導(dǎo)頻的投入。另外，另外，利用RIS 電磁場(chǎng)元素對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行最優(yōu)分組，能夠進(jìn)一步地降低高維RI 信道及多用戶信道的估計(jì)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(lián)合稀疏矩陣，同時(shí)通過(guò)矩陣填充問(wèn)題的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到級(jí)聯(lián)合信道估計(jì)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(dǎo)頻開銷。RIS 面板可以被分成多個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊使用不同的調(diào)節(jié)系數(shù)矩陣，如此一來(lái)，就能按照特定順序逐一對(duì)待估信道展開估計(jì)，特別是在通感覺一體化技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，為基于感知信息的RIS信道估計(jì)提供了可能。此外，從工程應(yīng)用的復(fù)雜性角度來(lái)看，以碼本為載體的信道估計(jì)復(fù)雜度并不高，但難點(diǎn)在于RIS 信道分段特征、近場(chǎng)特征對(duì)傳統(tǒng)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(shù)，這給系統(tǒng)的波束成形設(shè)計(jì)增加了難度。RIS參考了大規(guī)模多輸入多輸出的混合波束賦形技術(shù)，從系統(tǒng)建模的觀點(diǎn)出發(fā)，將RIS 看作一個(gè)外置的仿真光束預(yù)編碼裝置，并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的相移矩陣，即RIS 利用模擬波束賦形技術(shù)，對(duì)發(fā)射端的電磁波反射進(jìn)行調(diào)整。與傳統(tǒng)波束賦形法相比，RIS 波束賦形法具有以下特點(diǎn)：第一，由于RIS 中大量存在大量的電磁元，導(dǎo)致對(duì)其進(jìn)行波束賦形時(shí)，電磁控制參數(shù)的設(shè)計(jì)具有很大的復(fù)雜性。通過(guò)對(duì)信道進(jìn)行降維、電磁單元進(jìn)行分組，可以很好地平衡波束賦形的性能與復(fù)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(wú)線電波與RIS 被動(dòng)無(wú)線電波的聯(lián)合優(yōu)化。第三，超大規(guī)模天線賦予傳播信道近場(chǎng)特征，已有的波束訓(xùn)練方案都是在建立了遠(yuǎn)場(chǎng)信道模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。但是，RIS 具有超大規(guī)模天線的孔徑優(yōu)勢(shì)，使得用戶很容易在RIS 近場(chǎng)區(qū)。

2.3 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

從通信環(huán)境的復(fù)雜性以及RIS 的部署與控制的復(fù)雜性出發(fā)，將RIS 的部署場(chǎng)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(fù)雜域。在這兩種場(chǎng)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(nèi)，充分利用高密度RIS，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁環(huán)境的精準(zhǔn)智能調(diào)控。在大尺度、復(fù)雜的環(huán)境下，RIS 技術(shù)以現(xiàn)有和新引入的主傳輸通道/主散射點(diǎn)為控制手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模無(wú)線信道特征的半動(dòng)態(tài)或靜態(tài)控制，所需要的RIS 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉。RIS 技術(shù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，將給網(wǎng)絡(luò)的共存帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，發(fā)射到RIS 板上的無(wú)線電信號(hào)包含由RIS 進(jìn)行最優(yōu)控制的“目標(biāo)信號(hào)”和其他“非目標(biāo)信號(hào)”。RIS 可以同時(shí)調(diào)節(jié)這兩種類型的信號(hào)。通過(guò)改變電磁波的振幅、相位和極化模式來(lái)強(qiáng)化“目標(biāo)信號(hào)”，也可以針對(duì)性調(diào)控“非目標(biāo)信號(hào)”的異常。在不可控條件下，RIS 通常會(huì)對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)中的“非目標(biāo)信號(hào)”做出異常調(diào)節(jié)，這樣非常容易引起網(wǎng)絡(luò)共存問(wèn)題，這也充分表明，RIS 的大規(guī)模部署必須受到網(wǎng)絡(luò)的控制，才能限制其在無(wú)線環(huán)境中對(duì)“非目標(biāo)信號(hào)”的隨機(jī)調(diào)節(jié)，避免造成嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)性能退化。

3 智能超表面技術(shù)5G 化演進(jìn)可行性

在智能超表面技術(shù)正式出現(xiàn)之前，諸如廣義斯涅爾定律、超材料技術(shù)、界面電磁學(xué)理論之類的理論技術(shù)已經(jīng)開始走向成熟，并且基于移相器的相控陣列技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。除此之外，智能超表面的陣元設(shè)計(jì)，主要與信號(hào)波長(zhǎng)等射頻信號(hào)的特性存在緊密關(guān)聯(lián)，但是同與信號(hào)波形、調(diào)制編碼、幀結(jié)構(gòu)等絕大部分底層技術(shù)體制則不存在任何關(guān)系，智能超表面系統(tǒng)的部署還涉及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。設(shè)備之間的松耦合可以通過(guò)異構(gòu)融合或帶外信息交互來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響只局限于對(duì)無(wú)線信道環(huán)境的變化。所以，智能超表面技術(shù)與BULl 原則是高度適應(yīng)的，即有技術(shù)基礎(chǔ)、與下層協(xié)議的關(guān)聯(lián)性較小、與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的脫耦、對(duì)網(wǎng)絡(luò)的作用具有本地特性，為6G 技術(shù)的5G 化嚴(yán)演進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。在5G 層面，擬搭建6G 亞波長(zhǎng)智能超表面系統(tǒng)，采取預(yù)配置、帶外傳輸?shù)确绞?，在此基礎(chǔ)上將系統(tǒng)與已有基站及終端進(jìn)行初步融合，并進(jìn)一步明確與基站之間的接口及協(xié)議格式，將為智能超表在無(wú)線信道、干擾等無(wú)線環(huán)境下的感知計(jì)算提供技術(shù)支撐，為智能超表面技術(shù)在無(wú)線中的應(yīng)用提供一種新的技術(shù)手段。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不僅是各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要推動(dòng)力，同時(shí)還起到了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力變革的作用。未來(lái)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)面臨無(wú)線信道不可控、設(shè)備高能耗、芯片集成度高等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而智能超表面技術(shù)作為顯著的優(yōu)勢(shì)在于成本投入低、能耗低、具有可編程性、易于部署，依托此項(xiàng)技術(shù)支持搭建智能可控?zé)o線環(huán)境；將會(huì)開啟一種全新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)范式，并且有望在基礎(chǔ)、原始創(chuàng)新方面有所突破，從而在世界產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展中充分發(fā)揮引領(lǐng)作用。