到底什么是智能超表面（RIS）？
時(shí)間：2021-10-27 14:05:19
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[導(dǎo)讀]近年來，智能超表面（RIS）技術(shù)逐漸引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。從外表上看，它就是一張平平無奇的薄板。但是，它可以靈活部署在無線通信傳播環(huán)境中，并實(shí)現(xiàn)對(duì)反射或者折射電磁波的頻率、相位、極化等特征的操控，從而達(dá)到重塑無線信道的目的。這種技術(shù)，被認(rèn)為是6G關(guān)鍵技術(shù)之一。究竟它有什么神奇之處...
近年來，智能超表面（RIS）技術(shù)逐漸引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。
與此類似，如果我們能設(shè)計(jì)出亞波長大小的“人工原子”，并按照精密的幾何結(jié)構(gòu)排列，就能實(shí)現(xiàn)很多天然材料所不具備的性質(zhì)。
這種超越天然材料的人工材料，理所當(dāng)然地，就被稱為“超材料”。
最早提出超材料概念的是前蘇聯(lián)的維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago），他于1965年提出了對(duì)“左手媒質(zhì)負(fù)折射”材料的物理猜想。
維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）
所謂負(fù)折射材料，是指其光學(xué)性質(zhì)與常見的玻璃、空氣等透明物質(zhì)的性質(zhì)不同，其入射和折射光位于法線同側(cè)，和常規(guī)折射的方向相反，也就是折射角為負(fù)。
1996年，英國的約翰·彭德里（John Pendry）爵士從理論上論證了負(fù)折射材料的存在。
約翰·彭德里（John Pendry）
2001年，美國的戴維·R·史密斯（David R. Smith）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)折射現(xiàn)象，證實(shí)了超材料技術(shù)的可行性。
戴維·R·史密斯（David R. Smith）
2006年，約翰·彭德里和戴維·R·史密斯兩人強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，提出了變換光學(xué)，并成功設(shè)計(jì)出了世界上第一款隱身衣。
隱身衣原理示意
隱身衣實(shí)際效果
2011年，意大利科學(xué)家費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面廣義定律。
費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）
2013年，在美國國防部公布的“六大顛覆性基礎(chǔ)技術(shù)”中，超材料赫然位于榜首。這表明，美國軍方對(duì)該技術(shù)前景的態(tài)度非常樂觀。
隨著相關(guān)理論和技術(shù)的成熟，在過去的十幾年中，超材料被廣泛用于操縱電磁波，實(shí)現(xiàn)了許多激動(dòng)人心的物理現(xiàn)象，如負(fù)折射、電磁黑洞和幻覺光學(xué)等等。
早期的超材料功能單一，只能按照固化的模式工作，不能實(shí)時(shí)調(diào)控電磁波，因此我們將其稱之為模擬超材料。
后來，超材料可通過數(shù)字編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)里面人工原子狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制，從而實(shí)時(shí)操控電磁波，就叫做“信息超材料”。
信息超材料的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，每一個(gè)人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏壓二極管的微電路組成，在不同的電壓下可以實(shí)現(xiàn)“ON”或者“OFF”等不同狀態(tài)，對(duì)電磁波的響應(yīng)也是不同的。
實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，人工原子也可以采用PIN管、三極管、MEMS、石墨烯、溫敏器件、光敏器件等其他材料。
“ON”和“OFF”這兩種狀態(tài)，正好可以對(duì)應(yīng)到信息世界的0和1，通過把這些單元配置為0或者1，超材料也就具備了動(dòng)態(tài)編碼的能力。
如上圖所示，在不同的編碼下，信息超材料可以通過反射形成不同形狀的電磁波束，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)操控電磁波的目的。
通過對(duì)信息超材料的深度設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波多個(gè)維度的操控，包括頻譜、相位、幅度、極化等等，這就為將其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
RIS有何能耐 ？
那么，RIS到底是怎樣重塑無線信道的呢？我們來看看下面這幾個(gè)典型的場景。
1. 覆蓋盲區(qū)消除。
當(dāng)基站和終端之間有不可逾越的障礙物時(shí)，它們之間就是非視距信道，如果信號(hào)傳播環(huán)境單一，缺乏反射徑的話，終端所能接收到的信號(hào)是非常微弱的。
有了RIS，可以操控反射波束，對(duì)準(zhǔn)位于盲區(qū)的終端并動(dòng)態(tài)跟蹤，這就相當(dāng)于創(chuàng)建了虛擬的視距路徑，擴(kuò)展了小區(qū)的覆蓋范圍。
2. 物理層輔助安全通信。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)探測(cè)到竊聽者或者非法用戶時(shí)，可以利用調(diào)控RIS的反射信號(hào)的相位，讓其和直射信號(hào)在接收時(shí)進(jìn)行抵消，從而減少信息泄露。
3. 多流傳輸增秩。
當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)沫h(huán)境較為簡單時(shí)，往往缺乏獨(dú)立的多徑，難以實(shí)現(xiàn)足夠的多流傳輸。通過RIS的反射，可以人為增加信號(hào)傳播路徑，更好地實(shí)現(xiàn)多流傳輸，提升熱點(diǎn)用戶的吞吐量。
4. 邊緣覆蓋增強(qiáng)。
當(dāng)終端（下圖中的終端1）位于小區(qū)邊緣時(shí)，使用RIS動(dòng)態(tài)操控服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的反射信號(hào)，使服務(wù)小區(qū)的信號(hào)同相疊加增強(qiáng)，來自鄰區(qū)的信號(hào)則反相疊加抵消，從而有效消除鄰區(qū)干擾。
5. 大規(guī)模D2D通信。
RIS可以通過對(duì)多路信號(hào)的智能反射，可以起到干擾抑制的作用，并同時(shí)進(jìn)行低功率傳輸，有助于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的D2D通信。
6. 物聯(lián)網(wǎng)中無線功率和信息的傳輸。
無線攜能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技術(shù)可以同時(shí)傳輸信號(hào)和能量，即在與無線設(shè)備進(jìn)行信息交互的同時(shí)，為無線設(shè)備提供能量。RIS可以起到類似中繼的作用，通過無源波束來補(bǔ)償長距離傳輸帶來的巨大能耗，幫助充電區(qū)域提高無線傳輸功率。
7. 室內(nèi)覆蓋。
要解決室內(nèi)覆蓋，可以通過室外基站信號(hào)穿透建筑外墻或者窗戶，也可以部署專業(yè)的室分系統(tǒng)（蘑菇頭天線或者有源室分）。這兩種方式都有RIS的用武之地。
對(duì)于室外穿透室內(nèi)這種方式，可以在建筑窗戶的玻璃表面部署透明的RIS板，操控信號(hào)入射室內(nèi)，并能實(shí)現(xiàn)一定的增益。
此外，在室內(nèi)覆蓋場景，可通過RIS來操控室分系統(tǒng)的反射信號(hào)，從而增加額外鏈路，提升系統(tǒng)容量及可靠性。
8. 新型收發(fā)信機(jī)。
除了可重塑無線信道之外，通過RIS還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)的功能。這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
既然RIS是可實(shí)時(shí)編碼的，那么我們將基帶信號(hào)以編碼的形式導(dǎo)入到RIS控制器，再將目標(biāo)頻段的射頻載波發(fā)射到RIS上，通過反射就可以將基帶信號(hào)調(diào)制到載波之上了。
這種架構(gòu)的發(fā)射機(jī)可省去復(fù)雜而低效的射頻鏈，節(jié)省高耗能的混頻器、功放等器件，從而顯著降低發(fā)射機(jī)的成本和功耗。
RIS離我們有多遠(yuǎn) ？
RIS這種創(chuàng)新技術(shù)，給我們帶來了諸多激動(dòng)而心而充滿想象力的應(yīng)用前景。那它目前實(shí)際測(cè)試的效果如何，技術(shù)是否成熟，研發(fā)處于什么狀態(tài)，我們什么時(shí)候可以用上RIS呢？
目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界正在積極探索RIS實(shí)際部署的性能，以期采用它來解決5G毫米波的覆蓋難題，并在未來也在太赫茲頻段中應(yīng)用。
IEEE ComSoC在2020年8月份成立了獨(dú)立的RIS-ETI工作組，IEEE JSAC等權(quán)威期刊已將RIS列為6G潛在技術(shù)，加以研究。
今年，3GPP對(duì)5G下一階段演進(jìn)：5G-Advanced的標(biāo)準(zhǔn)化正式提上日程，RIS也正是R18協(xié)議重點(diǎn)的研究課題之一。
大量測(cè)試結(jié)果表明，RIS的部署可以將用戶吞吐量提升1~2倍，室外小區(qū)邊緣覆蓋提升3~4倍，室內(nèi)覆蓋提升約10dB。可見，RIS可帶來的增益是非常明顯的。
作為通信系統(tǒng)的一部分，RIS的成熟度與不同頻段器件的成熟度密切相關(guān)。目前在較低頻段（Sub-6G，毫米波低頻段）的器件成熟度較高，然而在毫米波高頻段和太赫茲的成熟度較低，RIS的成本和能耗優(yōu)勢(shì)還難以充分體現(xiàn)。
此外，當(dāng)前RIS的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、基帶處理算法、以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)還都處于探索階段，現(xiàn)階段主要以性能驗(yàn)證為主，其商用部署還需要很長的路要走。
并且，要大規(guī)模應(yīng)用RIS，選址和部署也存在一定的困難。RIS對(duì)信號(hào)的反射雖然可以做到準(zhǔn)無源，但其動(dòng)態(tài)編碼離不開控制器，而控制器也是需要供電的，由此帶來的成本也不低，也限制了RIS的使用。
因此，建議業(yè)界在驗(yàn)證RIS技術(shù)時(shí)，先從預(yù)先編碼好的無源靜態(tài)RIS板開始，再逐漸過渡到半靜態(tài)可控的RIS，然后再結(jié)合AI技術(shù)，驗(yàn)證全動(dòng)態(tài)編碼下的RIS。這也是循序漸進(jìn)、摸著石頭過河的歷程。
前途是光明的，道路是曲折的。RIS，這項(xiàng)旨在重塑無線傳播環(huán)境的創(chuàng)新技術(shù)，未來必將成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大突破。
讓我們?cè)?G時(shí)代見證RIS的輝煌。
— END —
與此類似，如果我們能設(shè)計(jì)出亞波長大小的“人工原子”，并按照精密的幾何結(jié)構(gòu)排列，就能實(shí)現(xiàn)很多天然材料所不具備的性質(zhì)。
這種超越天然材料的人工材料，理所當(dāng)然地，就被稱為“超材料”。
最早提出超材料概念的是前蘇聯(lián)的維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago），他于1965年提出了對(duì)“左手媒質(zhì)負(fù)折射”材料的物理猜想。
維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）所謂負(fù)折射材料，是指其光學(xué)性質(zhì)與常見的玻璃、空氣等透明物質(zhì)的性質(zhì)不同，其入射和折射光位于法線同側(cè)，和常規(guī)折射的方向相反，也就是折射角為負(fù)。
1996年，英國的約翰·彭德里（John Pendry）爵士從理論上論證了負(fù)折射材料的存在。
約翰·彭德里（John Pendry）2001年，美國的戴維·R·史密斯（David R. Smith）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)折射現(xiàn)象，證實(shí)了超材料技術(shù)的可行性。
戴維·R·史密斯（David R. Smith）2006年，約翰·彭德里和戴維·R·史密斯兩人強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，提出了變換光學(xué)，并成功設(shè)計(jì)出了世界上第一款隱身衣。
隱身衣原理示意隱身衣實(shí)際效果2011年，意大利科學(xué)家費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面廣義定律。
費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）2013年，在美國國防部公布的“六大顛覆性基礎(chǔ)技術(shù)”中，超材料赫然位于榜首。這表明，美國軍方對(duì)該技術(shù)前景的態(tài)度非常樂觀。
隨著相關(guān)理論和技術(shù)的成熟，在過去的十幾年中，超材料被廣泛用于操縱電磁波，實(shí)現(xiàn)了許多激動(dòng)人心的物理現(xiàn)象，如負(fù)折射、電磁黑洞和幻覺光學(xué)等等。
早期的超材料功能單一，只能按照固化的模式工作，不能實(shí)時(shí)調(diào)控電磁波，因此我們將其稱之為模擬超材料。
后來，超材料可通過數(shù)字編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)里面人工原子狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制，從而實(shí)時(shí)操控電磁波，就叫做“信息超材料”。
信息超材料的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，每一個(gè)人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏壓二極管的微電路組成，在不同的電壓下可以實(shí)現(xiàn)“ON”或者“OFF”等不同狀態(tài)，對(duì)電磁波的響應(yīng)也是不同的。
實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，人工原子也可以采用PIN管、三極管、MEMS、石墨烯、溫敏器件、光敏器件等其他材料。
“ON”和“OFF”這兩種狀態(tài)，正好可以對(duì)應(yīng)到信息世界的0和1，通過把這些單元配置為0或者1，超材料也就具備了動(dòng)態(tài)編碼的能力。
如上圖所示，在不同的編碼下，信息超材料可以通過反射形成不同形狀的電磁波束，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)操控電磁波的目的。
通過對(duì)信息超材料的深度設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波多個(gè)維度的操控，包括頻譜、相位、幅度、極化等等，這就為將其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
RIS有何能耐 ？
那么，RIS到底是怎樣重塑無線信道的呢？我們來看看下面這幾個(gè)典型的場景。
1. 覆蓋盲區(qū)消除。
當(dāng)基站和終端之間有不可逾越的障礙物時(shí)，它們之間就是非視距信道，如果信號(hào)傳播環(huán)境單一，缺乏反射徑的話，終端所能接收到的信號(hào)是非常微弱的。
有了RIS，可以操控反射波束，對(duì)準(zhǔn)位于盲區(qū)的終端并動(dòng)態(tài)跟蹤，這就相當(dāng)于創(chuàng)建了虛擬的視距路徑，擴(kuò)展了小區(qū)的覆蓋范圍。
2. 物理層輔助安全通信。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)探測(cè)到竊聽者或者非法用戶時(shí)，可以利用調(diào)控RIS的反射信號(hào)的相位，讓其和直射信號(hào)在接收時(shí)進(jìn)行抵消，從而減少信息泄露。
3. 多流傳輸增秩。
當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)沫h(huán)境較為簡單時(shí)，往往缺乏獨(dú)立的多徑，難以實(shí)現(xiàn)足夠的多流傳輸。通過RIS的反射，可以人為增加信號(hào)傳播路徑，更好地實(shí)現(xiàn)多流傳輸，提升熱點(diǎn)用戶的吞吐量。
4. 邊緣覆蓋增強(qiáng)。
當(dāng)終端（下圖中的終端1）位于小區(qū)邊緣時(shí)，使用RIS動(dòng)態(tài)操控服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的反射信號(hào)，使服務(wù)小區(qū)的信號(hào)同相疊加增強(qiáng)，來自鄰區(qū)的信號(hào)則反相疊加抵消，從而有效消除鄰區(qū)干擾。
5. 大規(guī)模D2D通信。
RIS可以通過對(duì)多路信號(hào)的智能反射，可以起到干擾抑制的作用，并同時(shí)進(jìn)行低功率傳輸，有助于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的D2D通信。
6. 物聯(lián)網(wǎng)中無線功率和信息的傳輸。
無線攜能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技術(shù)可以同時(shí)傳輸信號(hào)和能量，即在與無線設(shè)備進(jìn)行信息交互的同時(shí)，為無線設(shè)備提供能量。RIS可以起到類似中繼的作用，通過無源波束來補(bǔ)償長距離傳輸帶來的巨大能耗，幫助充電區(qū)域提高無線傳輸功率。
7. 室內(nèi)覆蓋。
要解決室內(nèi)覆蓋，可以通過室外基站信號(hào)穿透建筑外墻或者窗戶，也可以部署專業(yè)的室分系統(tǒng)（蘑菇頭天線或者有源室分）。這兩種方式都有RIS的用武之地。
對(duì)于室外穿透室內(nèi)這種方式，可以在建筑窗戶的玻璃表面部署透明的RIS板，操控信號(hào)入射室內(nèi)，并能實(shí)現(xiàn)一定的增益。
此外，在室內(nèi)覆蓋場景，可通過RIS來操控室分系統(tǒng)的反射信號(hào)，從而增加額外鏈路，提升系統(tǒng)容量及可靠性。
8. 新型收發(fā)信機(jī)。
除了可重塑無線信道之外，通過RIS還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)的功能。這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
既然RIS是可實(shí)時(shí)編碼的，那么我們將基帶信號(hào)以編碼的形式導(dǎo)入到RIS控制器，再將目標(biāo)頻段的射頻載波發(fā)射到RIS上，通過反射就可以將基帶信號(hào)調(diào)制到載波之上了。
這種架構(gòu)的發(fā)射機(jī)可省去復(fù)雜而低效的射頻鏈，節(jié)省高耗能的混頻器、功放等器件，從而顯著降低發(fā)射機(jī)的成本和功耗。
RIS離我們有多遠(yuǎn) ？
RIS這種創(chuàng)新技術(shù)，給我們帶來了諸多激動(dòng)而心而充滿想象力的應(yīng)用前景。那它目前實(shí)際測(cè)試的效果如何，技術(shù)是否成熟，研發(fā)處于什么狀態(tài)，我們什么時(shí)候可以用上RIS呢？
目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界正在積極探索RIS實(shí)際部署的性能，以期采用它來解決5G毫米波的覆蓋難題，并在未來也在太赫茲頻段中應(yīng)用。
IEEE ComSoC在2020年8月份成立了獨(dú)立的RIS-ETI工作組，IEEE JSAC等權(quán)威期刊已將RIS列為6G潛在技術(shù)，加以研究。
今年，3GPP對(duì)5G下一階段演進(jìn)：5G-Advanced的標(biāo)準(zhǔn)化正式提上日程，RIS也正是R18協(xié)議重點(diǎn)的研究課題之一。
大量測(cè)試結(jié)果表明，RIS的部署可以將用戶吞吐量提升1~2倍，室外小區(qū)邊緣覆蓋提升3~4倍，室內(nèi)覆蓋提升約10dB。可見，RIS可帶來的增益是非常明顯的。
作為通信系統(tǒng)的一部分，RIS的成熟度與不同頻段器件的成熟度密切相關(guān)。目前在較低頻段（Sub-6G，毫米波低頻段）的器件成熟度較高，然而在毫米波高頻段和太赫茲的成熟度較低，RIS的成本和能耗優(yōu)勢(shì)還難以充分體現(xiàn)。
此外，當(dāng)前RIS的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、基帶處理算法、以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)還都處于探索階段，現(xiàn)階段主要以性能驗(yàn)證為主，其商用部署還需要很長的路要走。
并且，要大規(guī)模應(yīng)用RIS，選址和部署也存在一定的困難。RIS對(duì)信號(hào)的反射雖然可以做到準(zhǔn)無源，但其動(dòng)態(tài)編碼離不開控制器，而控制器也是需要供電的，由此帶來的成本也不低，也限制了RIS的使用。
因此，建議業(yè)界在驗(yàn)證RIS技術(shù)時(shí)，先從預(yù)先編碼好的無源靜態(tài)RIS板開始，再逐漸過渡到半靜態(tài)可控的RIS，然后再結(jié)合AI技術(shù)，驗(yàn)證全動(dòng)態(tài)編碼下的RIS。這也是循序漸進(jìn)、摸著石頭過河的歷程。
前途是光明的，道路是曲折的。RIS，這項(xiàng)旨在重塑無線傳播環(huán)境的創(chuàng)新技術(shù)，未來必將成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大突破。
讓我們?cè)?G時(shí)代見證RIS的輝煌。
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