面向6G的信息超材料和智能超表面通信與感知技術

關鍵詞：5G/6C網(wǎng)絡；信息超材料；智能超表面；通信；感知

0引言

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確提出前瞻布局6G網(wǎng)絡技術儲備的發(fā)展方向。目前，6G的前瞻布局已在全球范圍內(nèi)穩(wěn)步展開，成為各國科技競爭的焦點，其技術突破和產(chǎn)業(yè)競爭已成為改變?nèi)蚪?jīng)濟、政治、安全乃至醫(yī)療領域的重要因素，其發(fā)展水平已成為一個國家國力的重要體現(xiàn)。6G網(wǎng)絡關鍵技術儲備強化數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新，已成為我國信息基礎設施的重中之重。

智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）是算法控制的數(shù)字化、可編程化和智能化的人工微結(jié)構(gòu)陣列。RIS起源于數(shù)字編碼與現(xiàn)場可編程超材料及融合電磁物理世界與數(shù)字世界的信息超材料，目前已發(fā)展成一種能根據(jù)自身或周圍環(huán)境變化進行自適應感知、推理和決策等功能的智能信息系統(tǒng)。信息超材料和RIS可用來實現(xiàn)新奇的物理現(xiàn)象、設計高性能器件、研制集多功能于一體的信息系統(tǒng)，在低成本、低功耗和易部署等方面具有獨特優(yōu)勢。RIS在5G和未來6G網(wǎng)絡中具有重要機遇和應用前景。我國于2020年將RIS列為IMT2030（6G）候選技術之一，引起世界各國的高度重視；2022年由中國移動、中國聯(lián)通、東南大學等國內(nèi)外87家高校、企業(yè)、科研院所、政府智庫共同組成的“智能超表面技術聯(lián)盟”在北京成立，旨在推動RIS的產(chǎn)、學、研、用全產(chǎn)業(yè)鏈多方參與并形成合力；2023年RIS入選我國物聯(lián)網(wǎng)十大技術與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展趨勢。

近年來，國內(nèi)外在信息超材料和RIS方面的研究取得了顯著進展，東南大學、清華大學、北京大學、西安電子科技大學、香港中文大學（深圳）、美國麻省理工學院等科研機構(gòu)分別開發(fā)研制了多個RIS原型機，實測驗證了RIS在通信、感知和計算等領域的重要潛力。日本NTT Docomo、英國電信、中國移動、中國聯(lián)通等運營商，以及華為、中興通信、中信科移動等設備商也在實際現(xiàn)網(wǎng)中對RIS進行了性能測試，驗證了RIS可顯著提升信噪比及其他關鍵性能指標。2023年，中興通訊攜手中國移動發(fā)布了動態(tài)RIS原型機，實現(xiàn)了多個波束的快速掃描和實時用戶跟蹤。同年，東南大學聯(lián)合杭州錢塘信息高等研究院、中國移動，在杭州亞運會的多個場館內(nèi)開展了RIS的示范應用，是RIS首次在全球范圍內(nèi)的大型賽事中亮相。

1信息超材料和RIS通信技術

信息超材料是將“信息”和“電磁波”物理融為一體的智能平臺。利用其實時可編程調(diào)控電磁波的能力，RIS建立了從“被動適應無線環(huán)境”到“主動改變無線環(huán)境”的無線通信新范式。如圖1所示，通過建立RIS輔助的智能無線環(huán)境，有望解決未來6G無線網(wǎng)絡在信號覆蓋范圍、通信質(zhì)量、系統(tǒng)能耗等方面的諸多問題與挑戰(zhàn)。

目前，信息超材料和RIS通信技術已吸引了學術界和工業(yè)界的廣泛關注，在基礎理論、算法設計、器件與系統(tǒng)演進等方面均取得了顯著進展。

在基礎理論方面，目前發(fā)展了較成熟的RIS信道增強理論，為分析RIS無線信道在多用戶分布、基站天線數(shù)、多址接人方式下的自由度、遍歷容量、中斷概率和檢測差錯概率等提供了重要理論指導。此外，也開展了信息超材料和RIS信息論方面的探索。這些結(jié)果表明，信息超材料和RIS有望提升無線通信信息傳輸速率和無線覆蓋效果，發(fā)掘系統(tǒng)性能提升的新增長點。

在算法設計方面，目前研究集中在信道估計和波束賦形等方面。信道估計是RIS通信系統(tǒng)高效工作的重要前提，但由于RIS單元數(shù)量龐大，RIS信道估計仍是一個公開的挑戰(zhàn)性難題。目前有兩類RIS信道估計方法：第一類方法利用RIS信道在時空維度上的結(jié)構(gòu)化特性來降低信道估計的導頻開銷，提高信道估計效率；第二類方法通過在RIS上加載感知器件（例如毫米波雷達、攝像頭等），利用多種信道物理特性與多元信息融合進行信道估計。RIS波束賦形是增強通信質(zhì)量的關鍵，其中廣泛采用的波束賦形方法主要包括三類：①基于交替迭代的優(yōu)化方法，聯(lián)合迭代求解最優(yōu)的發(fā)射機和RIS的波束賦形權值；②基于碼本設計的波束搜索方法，利用預訓練的碼本實現(xiàn)啟發(fā)式搜索；③基于AI的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡直接生成RIS波束賦形所需參數(shù)。

在器件演進方面，近年來業(yè)界涌現(xiàn)出一些對通用RIS器件的演進方案，主要包括三個方向：①從無源到有源。現(xiàn)有RIS大多是準無源的，使得RIS反射鏈路面臨固有的“乘性衰落”效應，而有源RIS通過在單元上集成功放來放大反射信號，可有效解決上述問題。②從低精度到高精度。為提高RIS波束賦形精度，業(yè)界提出了多種高分辨率RIS移相方法，可將移相精度從1bit提高到2bit甚至更高。③從反射到透射。主流RIS是反射式的，近年來出現(xiàn)了透射式RIS、聯(lián)合反一透射式RIS等新形態(tài)，以支持室外RIS同時服務于室內(nèi)外用戶，擴大RIS的應用范圍。

在系統(tǒng)演進方面，基于時空編碼信息超材料對電磁波和數(shù)字信息的一體化調(diào)控機理，實現(xiàn)了數(shù)字（基帶）射頻一體化，涌現(xiàn)出無需數(shù)模轉(zhuǎn)換、混頻等核心器件與模塊的新體制無線通信系統(tǒng)原型，包括BFSK、QPSK、8PSK、16QAM、256QAM等調(diào)制方式的極簡架構(gòu)以及空間一頻率分集復用和空間一頻率一極化分集復用的新體制架構(gòu)，有望為提升系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)成本與能耗開辟新途徑。

2信息超材料與RIS感知技術

信息超材料與RIS感知是指利用超表面對目標狀態(tài)和行為進行觀測、理解和預測的一種技術。信息超材料與RIS感知技術有兩種模式：一是通過操控協(xié)作信號實現(xiàn)目標感知，即主動模式；二是調(diào)控空間中無處不在的已有電磁信號，將其轉(zhuǎn)化為“有用”信號，以極低成本和能耗實現(xiàn)高質(zhì)量的目標感知，即被動模式。相比于現(xiàn)在廣泛使用的雷達感知技術，信息超材料和RIS感知具有以下幾方面的獨特優(yōu)勢。

在基礎建設方面，RIS感知技術具有低成本、低能耗、低剖面、易共形、易部署的特點，與我國“低碳”高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃高度契合。

在電磁機理方面，時空編碼信息超表面具有時一空一頻一極化等多維度電磁調(diào)控的特點，能勝任現(xiàn)有雷達技術無法實現(xiàn)的感知任務。例如，利用時空編碼聯(lián)合操控的RIS可實現(xiàn)非互易電磁操控，進而實現(xiàn)探測和隱身這兩個矛盾體的一體化；基于信息超材料也可實現(xiàn)通信和電磁攻擊一體化。文獻[14-16]提出了RIS電磁攝像機的概念，利用RIS調(diào)控WiFi信號實現(xiàn)室內(nèi)和非視距人體成像、生命體征監(jiān)測以及肢體語言識別等一系列復雜的感知任務。

在系統(tǒng)設計方面，現(xiàn)有雷達感知體制將數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理視作兩個相對獨立、呆板的模塊，導致系統(tǒng)復雜、成本昂貴、數(shù)據(jù)采集效率低、數(shù)據(jù)后處理任務繁重等難題。例如，相控陣體制使用大規(guī)模有源天線陣實現(xiàn)高效率感知，但系統(tǒng)復雜、成本昂貴，在一些實際情況中甚至難以實現(xiàn)。RIS感知技術充分利用信息超材料強大的電磁物理操控和信息處理能力，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和處理一體化。例如，文獻[17]提出并研制了機器學習賦智賦能的高速編碼RIS，其中RIS不僅作為天線進行微波信號的輻射和接收，而且借助電磁波與RIS的相互作用，在物理層進行微波數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理一體化的智能感知。

信息超材料和RIS不僅是通信和感知有效的單項技術，而且近年來實現(xiàn)了基于RIS的感知通信一體化。更進一步，信息超材料與人工智能結(jié)合，孕育出電磁智能體的發(fā)展趨勢。例如受文獻[18-19]啟發(fā)，可構(gòu)造出信息超材料智能體。其中，利用現(xiàn)代大模型作為大腦負責抽象任務推理和規(guī)劃，RIS作為小腦負責控制具體電磁任務，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點作為四肢負責執(zhí)行具體任務，如圖2所示?；诖耍蓪崿F(xiàn)環(huán)境的自主感知，以及與周圍物理空間環(huán)境的自主交互?？梢哉雇?G時代，信息超材料電磁智能體將在人一機聯(lián)盟社會中扮演重要角色，為人類社會的健康發(fā)展提供重要保障。

3結(jié)束語

信息超材料和RIS在6G時代具有重要潛力，但其實際部署與應用仍然面臨一些挑戰(zhàn)，需要學術界和產(chǎn)業(yè)界攜手突破，主要體現(xiàn)在如下三個方面。

在實時動態(tài)的RIS波束設計方面，現(xiàn)有的RIS原型驗證大多基于靜態(tài)或半靜態(tài)方式。要根據(jù)實時變化的無線通信環(huán)境來靈活調(diào)整RIS波束，這涉及到對大量RIS單元的實時控制。因此，在功耗、器件速度、算法復雜度等因素的制約下，實時動態(tài)的RIS波束設計面臨較大挑戰(zhàn)。此外，物理層和網(wǎng)絡層的跨層優(yōu)化和信令交互也是一個復雜的問題，對現(xiàn)有系統(tǒng)的架構(gòu)和協(xié)議設計提出了新的挑戰(zhàn)。

在RIS獨立自主控制方面，由于RIS通常不具備信號處理能力，現(xiàn)有的RIS基本是在基站的控制下工作。這種方式需要在基站和RIS之間建立有線或無線的控制通道，導致RIS大規(guī)模部署困難。同時，復雜的控制流程將引入大量的額外信令開銷，對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的信令協(xié)議改動較大。因此，研發(fā)獨立自主控制的RIS，使RIS能脫離基站控制而獨立運行，實現(xiàn)自主信道感知和自主控制，有望解決上述難題。

在RIS實際部署中，現(xiàn)有網(wǎng)絡大多有多家運營商同時運營，且不同運營商占用的頻帶資源非常接近，而現(xiàn)有RIS設計無法保證足夠的帶外衰減。因此．目標運營商對其所屬RIS的調(diào)整會改變相鄰頻段其他運營商的無線傳播環(huán)境，導致多運營商之間的干擾。未來可以通過改進RIS硬件設計以提升帶外衰減，并精心設計RIS相位以盡量避免改變相鄰頻段運營商的傳播環(huán)境，從而解決RIS的多運營商干擾問題。