智能超表面技術(shù)白皮書(shū)智能超表面技術(shù)白皮書(shū)智能超表面技術(shù)聯(lián)盟(RISTA)2023年2月智能超表面技術(shù)白皮書(shū)白皮書(shū)主要貢獻(xiàn)單位及貢獻(xiàn)者詳見(jiàn)下表，排名不分先后，按單位拼音順序如下所示。單位姓名北京交通大學(xué)，章嘉懿、艾渤北京聯(lián)想軟件有限公司，包廷南北京小米移動(dòng)軟件有限公司，池連剛、段高明北京郵電大學(xué)，張建華、張宇翔、王瑩重慶郵電大學(xué)，李職杜電子科技大學(xué)，袁曉軍、李思賢、蔡暢、閆文靜東南大學(xué)，金石、程強(qiáng)、潘存華、唐萬(wàn)愷、陳偉聰、王靜赫羅德與施瓦茨，王立磊、HeinzMellein南昌大學(xué)，余禮蘇、王玉皞、王正海、劉超良、郭吉昌南京大耀信息科技有限公司，楊懌凡南京航空航天大學(xué)，周福輝，吳雨航，吳啟暉南京郵電大學(xué)，吳偉、王梓NationalandKapodistrianUniversityofAthens，GeorgeC.AlexandropoulosParis-SaclayUniversity，MarcoDiRenzoQueenMaryUniversityofLondon，劉元瑋清華大學(xué)，楊帆、戴凌龍、許慎恒上海交通大學(xué)，陳文、武慶慶、李振東深圳市大數(shù)據(jù)研究院，沈超是德科技，封翔天津工業(yè)大學(xué)，戈立軍TechnologyInnovationInstitute，何繼光，AymenFakhreddine,GeorgeC.AlexandropoulosUniversityofBologna，VittorioDegliEsposti維沃軟件技術(shù)有限公司，楊坤、姜大潔、秦飛西安電子科技大學(xué)，李龍、張順香港中文大學(xué)(深圳)，沈闓明、張縱輝浙江大學(xué)，黃崇文、楊照輝、陳曉明、張朝陽(yáng)中國(guó)電信，孫震強(qiáng)、李南希中國(guó)聯(lián)通，劉秋妍、李小雙、張忠皓、李福昌中國(guó)移動(dòng)，袁弋非、蘇鑫中信科通信技術(shù)股份有限公司，張?chǎng)巍O文龍、蘇昕、彭瑩中興通訊，趙亞軍、菅夢(mèng)楠、陳藝戩、竇建武、張楠、鄭爽、徐漢青、張琪致謝(Acknowledgement)感謝智能超表面技術(shù)聯(lián)盟(RISTA)全體成員單位的大力支持與積極貢獻(xiàn)。版權(quán)所有?智能超表面技術(shù)聯(lián)盟RISTA2023DOI：10.12142/RISTA.202302001智能超表面技術(shù)白皮書(shū)1智能超表面(RIS)是一種基礎(chǔ)性創(chuàng)新技術(shù)，涉及超材料、電磁信息、界面電磁、電磁計(jì)算、控制論、無(wú)線通信等多學(xué)科內(nèi)容。近年來(lái)，大量的理論創(chuàng)新和原型測(cè)試工作論證了智能超表面技術(shù)在低成本、低功耗和易部署等方面具有優(yōu)勢(shì)，并在5G和未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)中都具有眾多潛在機(jī)會(huì)和廣闊的應(yīng)用前景。本白皮書(shū)基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)，探討了智能超表面發(fā)展的機(jī)遇及其在5G/6G階段的潛在應(yīng)用；全面梳理了智能超表面的技術(shù)體系，包括基礎(chǔ)理論、硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控、系統(tǒng)建模與關(guān)鍵技術(shù)等多個(gè)方面；并對(duì)反射透射一體式智能超表面、有源智能超表面、基于RIS的新型大規(guī)模天線、基于RIS的收發(fā)機(jī)、基于RIS的空中計(jì)算等新型智能超表面進(jìn)行了專門介紹；并對(duì)智能超表面項(xiàng)目研發(fā)、測(cè)試驗(yàn)證、標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行深度剖析。最后，從演進(jìn)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)和生態(tài)構(gòu)建三個(gè)角度，探討智能超表面技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)。智能超表面技術(shù)白皮書(shū)21.概述 41.1.移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn) 41.2.智能超表面概念及發(fā)展歷程 52.智能超表面應(yīng)用 72.1.5G潛在應(yīng)用 72.1.1.覆蓋補(bǔ)盲 72.1.2.多流增速 82.2.6G潛在應(yīng)用 92.2.1.高頻通信 92.2.2.空間通信 102.2.3.三維定位 122.2.4.物聯(lián)網(wǎng) 122.2.5.無(wú)線邊緣計(jì)算 132.2.6.物理層安全 132.2.7.信能同傳 142.2.8.頻譜感知與共享 152.2.9.全雙工通信 172.2.10.多小區(qū)通信系統(tǒng) 172.2.11.多組多播傳輸 172.2.12.軌道角動(dòng)量 182.2.13.語(yǔ)義通信 183.智能超表面基礎(chǔ)理論 203.1.超材料理論 203.2.電磁信息論 203.3.界面電磁理論 214.智能超表面硬件結(jié)構(gòu)及調(diào)控 234.1.智能超表面系統(tǒng)架構(gòu) 234.2.智能超表面類型 244.3.智能超表面陣面設(shè)計(jì) 244.3.1.電磁單元設(shè)計(jì)與優(yōu)化 254.3.2.陣列全波仿真與加工測(cè)試 254.4.控制模塊設(shè)計(jì) 264.4.1.控制模塊的碼表提取 264.4.2.控制模塊的響應(yīng)速度 274.4.3.控制模塊潛在功能需求 275.智能超表面系統(tǒng)建模與關(guān)鍵技術(shù) 285.1.RIS輔助傳輸信號(hào)模型 285.2.RIS信道建模方法 285.2.1.基于幾何的統(tǒng)計(jì)性信道建模方法 285.2.2.基于確定性的建模方法 305.2.3.混合信道的建模方法及RIS物理模型抽象 3235.3.智能超表面輔助傳輸關(guān)鍵技術(shù) 345.3.1.信道估計(jì)與反饋 345.3.2.波束賦形 365.3.3.AI使能通信 395.4.智能超表面增強(qiáng)多址技術(shù) 445.4.1.RIS輔助TDMA系統(tǒng) 445.4.2.RIS輔助NOMA系統(tǒng) 445.4.3.RIS輔助OTFS系統(tǒng) 455.4.4.RIS輔助分塊多址接入系統(tǒng) 465.5.智能超表面網(wǎng)絡(luò)部署 465.5.1.RIS網(wǎng)絡(luò)部署模式對(duì)比 475.5.2.RIS網(wǎng)絡(luò)部署面臨的挑戰(zhàn) 476.新型智能超表面 496.1.反射和透射一體的智能超表面 496.1.1.STAR硬件設(shè)計(jì)與調(diào)控 496.1.2.基于STARS的三維定位 506.2.有源智能超表面 516.3.基于RIS的新型大規(guī)模天線 526.4.基于RIS的收發(fā)機(jī) 536.5.RIS使能空中計(jì)算 547.智能超表面技術(shù)現(xiàn)狀 577.1.項(xiàng)目與研究 577.2.測(cè)試與驗(yàn)證 597.2.1.方法與環(huán)境 597.2.2.測(cè)試與驗(yàn)證 627.3.標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)與生態(tài)構(gòu)建 658.智能超表面趨勢(shì)展望 678.1.迭代演進(jìn)，6G技術(shù)5G化螺旋發(fā)展 678.2.標(biāo)準(zhǔn)先行，分階段推進(jìn)產(chǎn)業(yè)落地 678.3.開(kāi)放共贏，構(gòu)建融合發(fā)展生態(tài)圈 689.結(jié)論 69參考文獻(xiàn) 70智能超表面技術(shù)白皮書(shū)4二十大報(bào)告指出，高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的首要任務(wù)。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是支持百行千業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革、動(dòng)力變革的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。“高速泛在、天地一體、云網(wǎng)融合、智能敏捷、綠色低碳、安全可控”的智能化綜合性數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的信息大動(dòng)脈和數(shù)字新底座。但高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成為未來(lái)移動(dòng)通信面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。智能超表面技術(shù)具有低成本、低能耗、可編程、易部署等特點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境，有機(jī)會(huì)突破傳統(tǒng)無(wú)線通信的約束，給未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一種全新的范式，具有廣闊的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)前景。在當(dāng)前和未來(lái)的落地應(yīng)用中，需要厘清智能超表面技術(shù)在理論模型、應(yīng)用技術(shù)、工程化研究和標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)等方面的面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，需要包括智能超表面技術(shù)聯(lián)盟(RISTA)、IMT-2030(6G)推進(jìn)組在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)組織聯(lián)合“產(chǎn)學(xué)研用”全產(chǎn)業(yè)鏈，共同推進(jìn)智能超表面的技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)落地。1.1.移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)5G商用化進(jìn)程啟動(dòng)已滿三年，在“十四五”規(guī)劃綱要的指導(dǎo)下，5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度遠(yuǎn)超同期的3G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)。截至2022年6月，全球已有86個(gè)國(guó)家和地區(qū)部署220多張5G商用網(wǎng)絡(luò)，為5億用戶提供5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；截至2022年11月，中國(guó)已累計(jì)開(kāi)通5G基站超228.7萬(wàn)個(gè)1，所有地級(jí)市城區(qū)、縣城城區(qū)和96%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。5G網(wǎng)絡(luò)作為“高速泛在、云網(wǎng)融合、智能敏捷、安全可控”的智能化綜合性數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)運(yùn)營(yíng)服務(wù)每年直接帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)出超1萬(wàn)億元，間接帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)出超3萬(wàn)億元，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展暢通信息大動(dòng)脈和數(shù)字新底座。在標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)方面，3GPP第2版5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(3GPP聚焦基礎(chǔ)功能的進(jìn)一步增強(qiáng)、新特性引入、垂直行業(yè)擴(kuò)展等主要方向。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步加速，其對(duì)社會(huì)和生產(chǎn)所帶來(lái)的改變將逐步明朗，但用戶的需求不斷演進(jìn)，更優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，更多垂直行業(yè)業(yè)務(wù)的拓展，都將驅(qū)動(dòng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不斷向前發(fā)展。未來(lái)，數(shù)字孿生、全息交互、感知互聯(lián)等新型業(yè)務(wù)需求對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋深度、泛在接入能力、空口傳輸速率、端到端時(shí)延、設(shè)備連接數(shù)以及內(nèi)生智能等級(jí)等方面提出了更高要求。與此同時(shí)，在國(guó)家綠色轉(zhuǎn)型和新發(fā)展格局下，“碳達(dá)峰、碳中和”等人與自然和諧發(fā)展也已經(jīng)成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新目標(biāo)。因此，工作頻段更高、天線規(guī)模更大、設(shè)備能耗更低、智能水平更強(qiáng)是下一代未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢(shì)。與此同時(shí)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)。(1)高頻信道環(huán)境惡劣：相較于低頻信號(hào)，高頻信號(hào)的傳播與穿透損耗較大，受障礙物1數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)政府網(wǎng)，/shuju/2022-12/30/content_5734174.htm智能超表面技術(shù)白皮書(shū)5遮擋影響也更大，網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域容易出現(xiàn)盲區(qū)或弱覆蓋區(qū)域，不利于實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的泛在接入和深度覆蓋。(2)天線規(guī)模發(fā)展受限：伴隨天線規(guī)模的增加，天線制造工藝與成本、信道測(cè)量與建模難度、信號(hào)處理運(yùn)算量、參考信號(hào)開(kāi)銷等方面都會(huì)顯著增加，對(duì)天線系統(tǒng)的一體化和集成度提出了更高的要求。因此，超大規(guī)模天線技術(shù)走向?qū)嵱没那疤崾堑统杀尽⒌凸?、高可靠和易部署[1]。(3)能耗負(fù)擔(dān)日益加劇：目前5G基站能耗是4G基站能耗的數(shù)倍。未來(lái)，全社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速將進(jìn)一步加大對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的算力需求，如何有效降低設(shè)備能耗是影響下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選型的關(guān)鍵因素之一。(4)被動(dòng)適應(yīng)無(wú)線環(huán)境：移動(dòng)通信系統(tǒng)自誕生以來(lái)，對(duì)無(wú)線信道環(huán)境中的路徑損耗、多徑衰落等現(xiàn)象只能采取被動(dòng)適應(yīng)的手段，空口常常成為限制網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。內(nèi)生智能、動(dòng)態(tài)重構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)需求也逐漸從核心網(wǎng)側(cè)下沉到無(wú)線接入側(cè)。按需智能動(dòng)態(tài)重構(gòu)無(wú)線信道環(huán)境將是構(gòu)建下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)新范式的核心問(wèn)題。1.2.智能超表面概念及發(fā)展歷程近年來(lái)，智能超表面(ReconfigurableIntelligentSurface，RIS)因其能夠靈活操控信道環(huán)境的電磁特性，一經(jīng)出現(xiàn)就吸引了學(xué)界和業(yè)界廣泛的關(guān)注。RIS通常由大量精心設(shè)計(jì)的電磁單元排列組成，通過(guò)給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號(hào)，可以動(dòng)態(tài)地控制這些電磁單元的電磁性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以可編程的方式對(duì)空間電磁波進(jìn)行主動(dòng)的智能調(diào)控，形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場(chǎng)，如圖1所示。RIS的引入，使得無(wú)線傳播環(huán)境從被動(dòng)適應(yīng)變?yōu)橹鲃?dòng)可控，從而構(gòu)建了智能無(wú)線環(huán)境[2]。另外，作為超材料的二維實(shí)現(xiàn)，RIS天然具有低成本、低復(fù)雜度和易部署的特性，有機(jī)會(huì)用以解決未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的需求與挑戰(zhàn)。。從2020年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合，開(kāi)展了一系列的RIS產(chǎn)業(yè)推進(jìn)活動(dòng)，極大促進(jìn)了RIS的技術(shù)研究與工程化進(jìn)展。2020年6月，IMT-2030(6G)推進(jìn)組無(wú)線技術(shù)組成立了“RIS任務(wù)組”。同年9月，中興通訊和中國(guó)聯(lián)通聯(lián)合國(guó)內(nèi)外十多家企業(yè)和高校，在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ChinaCommunicationsStandardsAssociation，CCSA)TC5-WG6完成“RIS研究項(xiàng)目”立項(xiàng)。2021年9月17日，IMT-2030(6G)推進(jìn)組在6G研討會(huì)RIS分論壇上正式發(fā)布業(yè)界首個(gè)《智能超表面技術(shù)研究報(bào)告》。9月24日，中興通訊、東南大學(xué)、中國(guó)聯(lián)通等聯(lián)合舉辦“第一屆智能超表面技術(shù)論壇”2大會(huì)，會(huì)議主題為“使能智能無(wú)線環(huán)境，重3成立暨第一屆會(huì)員大會(huì)在北京順利召開(kāi)，標(biāo)志著智能超表面技術(shù)聯(lián)盟正式成立[4]。目前，業(yè)界在RIS的材料工藝、理論研究、實(shí)現(xiàn)算法及工程試驗(yàn)等方面已有一定積累與進(jìn)展。作為一個(gè)極具潛力的方向，RIS有機(jī)會(huì)在5G-Advanced(5G-A)網(wǎng)絡(luò)中提前落地，并為未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)全新的網(wǎng)絡(luò)范式[5]。近期，產(chǎn)業(yè)界在現(xiàn)網(wǎng)中針對(duì)RIS技術(shù)進(jìn)行了一系2智能超表面技術(shù)論壇，3智能超表面技術(shù)聯(lián)盟，智能超表面技術(shù)白皮書(shū)6列的測(cè)試驗(yàn)證工作[6]-[10]，眾多測(cè)試結(jié)果表明，RIS的部署可以有效提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋性能。圖1智能超表面概念示意圖RIS作為一種動(dòng)態(tài)電磁參數(shù)調(diào)控技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)初步展示了其強(qiáng)大的性能。但是，RIS在規(guī)模商用前仍然在技術(shù)研究、工程應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)部署和標(biāo)準(zhǔn)化等方面面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，需要包括智能超表面技術(shù)聯(lián)盟(RISTA)、IMT-2030(6G)推進(jìn)組在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)組織聯(lián)合“產(chǎn)學(xué)研用”全產(chǎn)業(yè)鏈，共同推進(jìn)智能超表面的技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)落地。72.智能超表面應(yīng)用智能超表面具備與波形、調(diào)制、編碼、多址等大多數(shù)底層技術(shù)解耦的特性，具備6G技術(shù)5G階段應(yīng)用的可能。由于5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)大規(guī)模商用部署，要最小化智能超表面對(duì)5G現(xiàn)網(wǎng)的改造需求。因此，在5G-A階段，面向5G網(wǎng)絡(luò)精細(xì)化運(yùn)營(yíng)維護(hù)、深度覆蓋和提速擴(kuò)容的需求，基于智能超表面輔助的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋補(bǔ)盲和多流增速將是典型應(yīng)用方式。面向6G，智能超表面具有與毫米波/太赫茲高頻通信、通感一體、全雙工等多個(gè)前沿技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合的可能。本白皮書(shū)在前期研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)智能超表面技術(shù)的發(fā)展階段以及5G和6G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢(shì)，分析智能超表面在5G和6G網(wǎng)絡(luò)中的潛在應(yīng)用。2.1.5G潛在應(yīng)用2.1.1.覆蓋補(bǔ)盲傳統(tǒng)的蜂窩部署可能存在覆蓋空洞區(qū)域，如在高大建筑物的陰影區(qū)域，在密集城區(qū)場(chǎng)景下的街道信號(hào)覆蓋，或者室內(nèi)外和公共交通工具內(nèi)外的信號(hào)接駁等場(chǎng)景。針對(duì)上述場(chǎng)景，可將RIS部署在基站與覆蓋盲區(qū)之間，通過(guò)有效的反射/透射使傳輸信號(hào)到達(dá)覆蓋盲區(qū)，從而提升覆蓋性能。(1)室外宏站覆蓋補(bǔ)盲在室外宏站覆蓋場(chǎng)景中，由于基站與終端之間存在建筑物、植被等障礙物，收發(fā)端之間可能不存在視距傳輸路徑，導(dǎo)致接收信號(hào)質(zhì)量較差，產(chǎn)生覆蓋盲區(qū)。圖2基于RIS輔助的室外宏站覆蓋補(bǔ)盲針對(duì)上述場(chǎng)景，部署輕量化靜態(tài)智能超表面設(shè)備將是一種低成本、低功耗、易部署的解決方案。通過(guò)按需構(gòu)造非視距反射路徑，并以視距反射信道替代非視距直射信道，實(shí)現(xiàn)虛擬視距傳輸，如圖2所示。(2)室外覆蓋室內(nèi)增強(qiáng)在室外覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景中，可將具有透射增強(qiáng)能力的智能超表面透明薄膜形態(tài)設(shè)備貼在門窗玻璃上，通過(guò)控制單元按需改變智能超表面的透射特性，從而形成期望的信號(hào)傳輸方向，智能超表面技術(shù)白皮書(shū)8提升室外覆蓋室內(nèi)性能，如圖3所示。圖3基于RIS輔助的室外宏站覆蓋室內(nèi)增強(qiáng)(3)室內(nèi)覆蓋補(bǔ)盲室內(nèi)場(chǎng)景中，由于障礙物遮擋、樓道轉(zhuǎn)角遮擋等問(wèn)題，同樣會(huì)產(chǎn)生覆蓋盲區(qū)。與室外補(bǔ)盲相似，通過(guò)在室內(nèi)環(huán)境中部署智能超反射表面及控制單元，可實(shí)現(xiàn)虛擬視距傳輸，有效提升室內(nèi)覆蓋性能，如圖4所示。圖4基于RIS輔助的室內(nèi)覆蓋補(bǔ)盲2.1.2.多流增速對(duì)于業(yè)務(wù)密集的熱點(diǎn)區(qū)域，可以通過(guò)RIS增加額外的無(wú)線通信路徑與信道子空間，收發(fā)天線陣列間信道的空間相關(guān)特性將會(huì)得到很大的改善，可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖涌臻g數(shù)目得到增加，從而可以提高信號(hào)傳輸?shù)膹?fù)用增益，顯著提升系統(tǒng)及用戶的傳輸性能。圖5基于RIS輔助的多流增速對(duì)于小區(qū)邊緣區(qū)域，有用信號(hào)電平較弱且缺乏多徑環(huán)境，終端側(cè)的多天線能力無(wú)法充分發(fā)揮作用。通過(guò)在收發(fā)端之間增加智能超表面設(shè)備，為小區(qū)邊緣用戶按需創(chuàng)造復(fù)散射環(huán)境，可有效利用終端多天線能力，提升小區(qū)邊緣用戶的傳輸性能。智能超表面技術(shù)白皮書(shū)92.2.6G潛在應(yīng)用2.2.1.高頻通信.毫米波和太赫茲通信高頻毫米波和太赫茲是6G潛在工作頻段。高頻信號(hào)最明顯的特征就是路徑損耗較大，受障礙物遮擋、雨雪天氣、環(huán)境吸收等影響大。依據(jù)3GPPTR38.901無(wú)線信道損耗模型，同等條件下28GHz毫米波信號(hào)的路徑傳輸損耗比3.5GHz信號(hào)的路徑損耗增大約18dB。在穿透損耗方面，毫米波穿透損耗3GPP理論值及測(cè)試值如表1所示，對(duì)于低頻毫米波信號(hào)而言，混凝土和紅外反射玻璃材質(zhì)的障礙物幾乎無(wú)法穿透，樹(shù)葉、人體、車體等障礙物對(duì)低頻毫米波信號(hào)的穿透損耗均在10dB以上，過(guò)大的穿透損耗將導(dǎo)致覆蓋范圍內(nèi)的受遮擋區(qū)域通信質(zhì)量發(fā)生顯著惡化，只有在普通玻璃和木門等少數(shù)材質(zhì)障礙物條件下，低頻毫米波信號(hào)的穿透損耗可能會(huì)大于5dB小于10dB，仍然會(huì)導(dǎo)致覆蓋范圍內(nèi)的受遮擋區(qū)域通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。而對(duì)于高頻毫米波和太赫茲頻段，障礙物會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)造成數(shù)十dB的傳播損耗。表1高頻信號(hào)穿透損耗3GPP理論值及實(shí)測(cè)值材料3GPP高頻信號(hào)穿透損耗模型[dB]毫米波穿透損耗理論值[dB]毫米波穿透損耗測(cè)試值[dB]標(biāo)準(zhǔn)多窗格玻璃L=2+0.2f8-625紅外反射玻璃L=23+0.3f32-113——混凝土L=5+4f125-1205無(wú)法穿透木頭L=4.85+0.12f8.45-40.856樹(shù)葉————16-20人體————11-28車體————17-23為克服高頻通信嚴(yán)重的路徑損耗，基站和終端用戶通常配備大規(guī)模天線陣列實(shí)現(xiàn)高增益的定向傳輸。強(qiáng)指向性的波束和高頻信道的稀疏性導(dǎo)致信道矩陣存在秩虧問(wèn)題。在極端的強(qiáng)視距傳播場(chǎng)景，信道秩甚至?xí)抵?，無(wú)法發(fā)揮多天線系統(tǒng)的空間復(fù)用增益。為解決高頻通信的信道秩虧問(wèn)題，可在基站和終端用戶之間部署分布式智能超表面，利用智能超表面的信道定制能力[11]-[12]，靈活塑造秩可調(diào)的信道矩陣，提升系統(tǒng)空間復(fù)用能力。未來(lái)，隨著超材料天線的應(yīng)用推廣，智能超表面設(shè)備形態(tài)更加豐富多樣，例如建筑物外墻裝飾層，低成本、低功耗、易部署的智能超表面設(shè)備將成為高頻通信提供有效的補(bǔ)充和延伸。.可見(jiàn)光通信可見(jiàn)光通信技術(shù)雖發(fā)展迅速，但同時(shí)也面臨著一些亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，通過(guò)利用RIS技術(shù)，可以有效提高可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)的性能。(1)反射RIS輔助大規(guī)模接入可見(jiàn)光通信智能超表面技術(shù)白皮書(shū)在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，在收發(fā)端之間除視距鏈路外，通過(guò)部署智能超表面，形成反射鏈路并實(shí)現(xiàn)對(duì)波束進(jìn)行動(dòng)態(tài)按需調(diào)控，可增強(qiáng)接收信號(hào)質(zhì)量，提升通信容量，減少多用戶通信之間的信號(hào)干擾[13]，如圖6所示。圖6反射RIS輔助大規(guī)模接入可見(jiàn)光通信(2)透射RIS輔助可見(jiàn)光通信透射RIS可加在LED信號(hào)發(fā)射端以及信號(hào)接收端，如圖7和圖8所示，基于液晶或智能透鏡材料設(shè)計(jì)的RIS，可以靈活調(diào)控信號(hào)方向，減少干擾信號(hào)的影響[14]-[15]。而同時(shí)支持透射和反射能力的RIS陣面，可為非正交多址接入技術(shù)更好地在可見(jiàn)光通信中發(fā)揮作用提供了有利條件，有效提高通信系統(tǒng)總的通信容量。圖7透射RIS輔助可見(jiàn)光通信圖8透射RIS輔助波分復(fù)用可見(jiàn)光通信2.2.2.空間通信非地面網(wǎng)絡(luò)(NonTerrestrialNetwork，NTN)空間通信是地面蜂窩通信技術(shù)的重要補(bǔ)充，利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面5G及6G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度的融合，從而不受地形地貌的限制提供無(wú)處不在的覆蓋能力，尤其是傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)極難到達(dá)的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)空、天、地、海多維空間的智能超表面技術(shù)白皮書(shū)一體化網(wǎng)絡(luò)連通具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[16]。.衛(wèi)星通信在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星鏈路傳輸距離較遠(yuǎn)，需要足夠的發(fā)射功率與天線增益才能抵消信號(hào)傳播過(guò)程中的路損。然而，為了避免對(duì)其他區(qū)域造成干擾，又需要在目標(biāo)區(qū)域以外的區(qū)域，信號(hào)增益足夠低。將RIS應(yīng)用于衛(wèi)星通信，可以替代傳統(tǒng)相控陣，以更輕的質(zhì)量、更小的體積實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的天線陣列。使用具備儲(chǔ)能功能的RIS，還可以取代衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池板，儲(chǔ)存日照輻射的能量，用于信號(hào)發(fā)射。除此之外，RIS還可以用于毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)的增強(qiáng)信號(hào)覆蓋。為了實(shí)現(xiàn)5G及6G所具備的低時(shí)延星載通信，就需如STARLINK一樣構(gòu)建低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信與空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，這樣龐大的低軌衛(wèi)星星座采用傳統(tǒng)航天運(yùn)載體系顯然難以在短周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)，必須要采用堆疊式衛(wèi)星架構(gòu)，一般單箭需達(dá)60星，以最大化地發(fā)揮運(yùn)載效能，海量的衛(wèi)星部署對(duì)低成本、低面密度和超低剖面的相控陣系統(tǒng)之需求愈發(fā)強(qiáng)烈?；诂F(xiàn)有RIS系統(tǒng)的相控陣天線由于摒棄了傳統(tǒng)相控陣中單元相移所需要的T/R組件，可以極大地降低系統(tǒng)的成本及重量，其中，實(shí)現(xiàn)饋電調(diào)相一體化的集成式超低剖面自激勵(lì)RIS系統(tǒng)[17]，對(duì)推動(dòng)低軌巨型星座的快速部署具有重要的意義。圖9基于RIS的衛(wèi)星通信場(chǎng)景.無(wú)人機(jī)通信無(wú)人機(jī)由于具有成本低、移動(dòng)性高、覆蓋范圍廣以及與用戶短程視距鏈路通信等優(yōu)勢(shì)，在無(wú)線通信領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中，無(wú)人機(jī)既可以充當(dāng)空中基站，也可以充當(dāng)中繼，來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。然而，在實(shí)際場(chǎng)景中，由于城市環(huán)境過(guò)于復(fù)雜，不但衰減較大，障礙物以及竊聽(tīng)者的存在會(huì)嚴(yán)重降低無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和安全率，從而產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。將RIS技術(shù)與無(wú)人機(jī)相結(jié)合，利用RIS反射信息的特點(diǎn)，可以在該通信網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建新的信息傳輸路徑、并擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍，極大簡(jiǎn)化無(wú)人機(jī)通信的信道建模，減小算法復(fù)雜度；同時(shí)借助其被動(dòng)波束賦形的特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化無(wú)人機(jī)的信號(hào)發(fā)射功率、飛行軌跡以及RIS相移，能夠進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)通信的傳輸性能，或是分用戶實(shí)現(xiàn)信號(hào)疊加和信號(hào)削弱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安智能超表面技術(shù)白皮書(shū)LOS遮擋下的定位近場(chǎng)定位工業(yè)4.0定位LOS遮擋下的定位近場(chǎng)定位工業(yè)4.0定位2.2.3.三維定位在三維定位中，RIS不僅可以與基站一起充當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)，還能提供虛擬視距(LightofSight，LoS)路徑，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。在自動(dòng)駕駛中，如圖11所示，即使LoS路徑被暫時(shí)阻斷，RIS也能保證不間斷的定位及通信服務(wù)，而大型的RIS可以利用導(dǎo)頻信號(hào)的波前曲率來(lái)提供近場(chǎng)定位。此外，RIS也可以在變極化、信號(hào)吸收和透射式等多種模式下工作，可以為三維定位提供更大的靈活性和適應(yīng)性，RIS的相位值可以根據(jù)環(huán)境的變化而實(shí)時(shí)重新配置，從而提升了定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。另外，可以通過(guò)預(yù)配置基站或者RIS位置信息及參考信號(hào)來(lái)提高三維定位的準(zhǔn)確性和魯棒性[20]-[25]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖11基于RIS定位的應(yīng)用場(chǎng)景[21]2.2.4.物聯(lián)網(wǎng)RIS在物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下有許多有前景的應(yīng)用。例如，利用RIS建立虛擬卸載鏈路，可以提高卸載鏈路信道增益，從而將更多的數(shù)據(jù)卸載到邊緣服務(wù)器，使得數(shù)據(jù)可以得到更高效地處理。除此之外，RIS還能夠同時(shí)增強(qiáng)多小區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中服務(wù)基站收集的信號(hào)，以減少大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的小區(qū)間干擾。將RIS集成到6G物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，如智能建筑，可以幫助建立室內(nèi)和室外實(shí)體之間的接口，促進(jìn)智能建筑中的私人家庭的訪問(wèn)。將RIS集成到用于監(jiān)視和遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)的人體姿勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)RIS的狀態(tài)進(jìn)行周期性調(diào)控，相對(duì)于隨機(jī)配置和不可配置的環(huán)境，系統(tǒng)可以獲得最優(yōu)的傳播鏈路，從而創(chuàng)建多個(gè)獨(dú)立路徑，積累人體智能超表面技術(shù)白皮書(shū)姿態(tài)的有用信息，從而更好地估計(jì)人體姿態(tài)。圖12基于RIS輔助的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景2.2.5.無(wú)線邊緣計(jì)算在未來(lái)新型應(yīng)用諸如虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)中，計(jì)算量需求較大的圖片或視頻處理任務(wù)需要實(shí)時(shí)處理。由于VR設(shè)備有限的功率和硬件支持能力，這些任務(wù)一般很難在本地執(zhí)行。為了解決這個(gè)問(wèn)題，VR設(shè)備可以將這些計(jì)算量較大的任務(wù)卸載到網(wǎng)絡(luò)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)以輔助其計(jì)算。然而，對(duì)于一些特殊場(chǎng)景，VR設(shè)備和邊緣節(jié)點(diǎn)之間會(huì)出現(xiàn)直通鏈路信道質(zhì)量差的情況，導(dǎo)致任務(wù)上傳速率慢，從而帶來(lái)較大的卸載時(shí)延。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以將RIS安裝在VR設(shè)備和邊緣節(jié)點(diǎn)之間的合適位置[26]，從而提高卸載信道質(zhì)量和降低卸載時(shí)延。圖13RIS賦能的無(wú)線邊緣計(jì)算2.2.6.物理層安全由于無(wú)線傳輸?shù)膹V播特性，無(wú)線傳輸容易受到安全的威脅，比如惡意攻擊或安全信息泄露等。傳統(tǒng)的安全通信技術(shù)采用上層的加密通信協(xié)議來(lái)保證傳輸安全。然而，該方案需要較復(fù)雜的安全秘鑰交換和管理協(xié)議，增加了通信時(shí)延和系統(tǒng)復(fù)雜度。而物理層安全技術(shù)可以避免復(fù)雜的密鑰交換協(xié)議，受到了廣泛的研究關(guān)注。為了最大化安全速率，一般采用人工噪聲或者波束賦型的技術(shù)。然而，當(dāng)合法用戶和竊聽(tīng)用戶在相同傳播方向時(shí)，僅采用以上兩個(gè)技術(shù)的系統(tǒng)性能會(huì)受限。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在網(wǎng)絡(luò)中部署RIS[27]-[28]。通過(guò)合理地優(yōu)化基站預(yù)編碼和RIS的反射系數(shù)，經(jīng)過(guò)RIS的反射信號(hào)可以在合法用戶端得到增強(qiáng)，同時(shí)在智能超表面技術(shù)白皮書(shū)竊聽(tīng)用戶處得到衰減。圖14RIS賦能的物理層安全2.2.7.信能同傳電磁波能夠同時(shí)傳遞信息和能量，高效無(wú)線能量傳輸與收集的理論與技術(shù)是當(dāng)前的熱點(diǎn)領(lǐng)域，是電磁場(chǎng)、微波、電路與系統(tǒng)、電力電子、能量轉(zhuǎn)換等多學(xué)科交叉的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[29]。目前數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰亢托畔⑹欠至⑻幚淼?，?shù)能同傳的統(tǒng)一設(shè)計(jì)將充分利用射頻/微波頻譜和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信和供電[30]-[33]。數(shù)能同傳的系統(tǒng)方案可以分為三大類，即無(wú)線攜能通信(SimultaneouslyWirelessInformationandPowerTransfer，SWIPT)、無(wú)線供能通信 (WirelessPoweredCommunication，WPC)與WPC-SWIPT系統(tǒng)。基于RIS的SWIPT系統(tǒng)如圖15所示，其中RIS作為一個(gè)多陣元發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)信息信號(hào)和能量信號(hào)同步傳輸。具體來(lái)說(shuō)，RIS的電磁單元對(duì)基站發(fā)送的能量信號(hào)和信息信號(hào)的相位、幅度和極化方向的實(shí)時(shí)調(diào)控，并將調(diào)控后的信號(hào)分別反射到相應(yīng)能量接收機(jī)和信息接收機(jī)。能量接收機(jī)和信息接收機(jī)分別將接收到的信號(hào)用作能量接收和信息解調(diào)。相較于傳統(tǒng)SWIPT系統(tǒng)，基于RIS的SWIPT系統(tǒng)無(wú)需射頻鏈，可以極大地降低陣列體制無(wú)線通信發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度、硬件成本和功耗。圖15基于RIS的SWIPT系統(tǒng)基于RIS的WPC系統(tǒng)如圖16所示，在混合基站(HybridAccessPoint，HAP)上部署配備大規(guī)模陣列單元的RIS，用于下行無(wú)線能量波束成形和上行信息接收。其工作原理為：智能超表面技術(shù)白皮書(shū)將單位時(shí)間分為下行無(wú)線能量傳輸階段和上行無(wú)線信息傳輸階段。在下行無(wú)線能量傳輸階段，能量受限設(shè)備收集由RIS調(diào)制射頻能量信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)；在上行無(wú)線信息傳輸階段，能量受限設(shè)備利用收集的能量發(fā)送信息給RIS，RIS通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行波束賦形處理并將其反饋給HAP。該系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì)：(1)以低成本、低復(fù)雜度方式實(shí)現(xiàn)下行能量波束對(duì)準(zhǔn)和增強(qiáng)上行接收信號(hào)強(qiáng)度；(2)有助于延長(zhǎng)能量受限設(shè)備的運(yùn)行壽命，實(shí)時(shí)、迅速信息反饋。圖16基于RIS的WPC系統(tǒng)基于RIS的WPC-SWIPT系統(tǒng)如圖17所示，將一個(gè)單位時(shí)隙分為兩個(gè)傳輸階段：無(wú)線能量傳輸階段與無(wú)線信息與功率同傳階段。在第一階段(無(wú)線能量傳輸階段)，功率站與RIS發(fā)射能量信號(hào)給無(wú)線能量用戶，無(wú)線能量用戶進(jìn)行能量采集，將采集的能量存儲(chǔ)在電池中。在第二階段(無(wú)線信息與功率同傳階段)，無(wú)線能量用戶停止能量采集，利用第一個(gè)階段采集的能量為遠(yuǎn)端信息接收機(jī)傳輸信息。基于功率分流協(xié)議，信息接收機(jī)將接收到的信號(hào)分為兩個(gè)部分即能量采集部分與信息解碼部分。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)RIS的部署增強(qiáng)了無(wú)線能量信號(hào)的傳輸，為WPC網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供了可能；(2)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，為蜂窩邊緣用戶提供高質(zhì)量通信服務(wù)；(3)兩個(gè)傳輸階段都采用了能量采集技術(shù)，推動(dòng)低功耗設(shè)備能夠隨時(shí)隨地在移動(dòng)中通信和供電。圖17基于RIS的WPC-SWIPT系統(tǒng)2.2.8.頻譜感知與共享頻譜感知技術(shù)是指在基于機(jī)會(huì)接入或感知增強(qiáng)的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中，次級(jí)用戶對(duì)目標(biāo)授權(quán)智能超表面技術(shù)白皮書(shū)頻段的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)與采集，利用不同的檢測(cè)技術(shù)對(duì)授權(quán)頻段是否有信號(hào)占用進(jìn)行判斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜空洞的探知并實(shí)時(shí)共享主用戶頻譜的技術(shù)。主要的頻譜感知技術(shù)有能量檢測(cè)、匹配濾波檢測(cè)、特征值檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)等。在RIS輔助的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)中，共有三種接入機(jī)制使得多個(gè)頻譜共享用戶共存，分別為基于功率控制的頻譜共享、基于機(jī)會(huì)接入的頻譜共享以及基于感知增強(qiáng)的頻譜共享。其中，由于基于功率控制的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)內(nèi)缺少頻譜感知的過(guò)程，難以保障主網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。因此，基于頻譜感知的另兩種接入機(jī)制成為RIS輔助頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的首選。在RIS輔助的頻譜感知中，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整RIS相位，可增強(qiáng)來(lái)自主用戶的信號(hào)，從而提升次級(jí)用戶的接收信噪比，實(shí)現(xiàn)高精度的頻譜感知。研究[34]證明RIS輔助的頻譜感知能有效提升在能量檢測(cè)算法下單用戶頻譜感知、多用戶頻譜感知以及分集接收的平均檢測(cè)概率。此外，RIS輔助的頻譜感知可有機(jī)結(jié)合于頻譜共享網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)頻譜感知精確度與信息傳輸性能的協(xié)同提升，進(jìn)一步提升RIS輔助的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率[35]。頻譜共享網(wǎng)絡(luò)通常指在同一頻段下有多種通信網(wǎng)絡(luò)共存，包括獲得(頻譜管理委員會(huì)、電信運(yùn)營(yíng)商等)授權(quán)的主用戶通信網(wǎng)絡(luò)和接入權(quán)限較低的次級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)。RIS的可重構(gòu)信道特性有利于緩解主用戶收發(fā)機(jī)和次級(jí)用戶收發(fā)機(jī)之間的干擾問(wèn)題，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率。一種典型的RIS輔助的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)如圖18所示，在主次用戶的下行通信中，對(duì)于主用戶接收機(jī)，RIS引入的反射信道既能增強(qiáng)來(lái)自主用戶發(fā)射機(jī)的有用信號(hào)，也能抑制來(lái)自次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)的干擾信號(hào)；而對(duì)于次級(jí)用戶接收機(jī)，RIS引入的反射信道既能增強(qiáng)來(lái)自次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)的有用信號(hào)，也能抑制來(lái)自主用戶發(fā)射機(jī)的干擾信號(hào)。RIS輔助的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用到多種場(chǎng)景，例如，美國(guó)3.5GHz的公民寬帶無(wú)線電業(yè)GPPLTEUNRUGHzCBRS頻段允許多運(yùn)營(yíng)商共存，等同于多種主用戶網(wǎng)絡(luò)與次級(jí)網(wǎng)絡(luò)共存，提高了次級(jí)用戶的接入要求，即需要不干擾多種主用戶網(wǎng)絡(luò)的正常通信。在該場(chǎng)景中，RIS反射系數(shù)以及部署位置的設(shè)計(jì)可有效降低次級(jí)用戶發(fā)射機(jī)對(duì)多種主用戶接收機(jī)的干擾，同時(shí)還能提高次級(jí)用戶的通信速率[36]-[40]。3GPP提出的LTE-U或NR-U通常在5GHz和60GHz免認(rèn)證頻段上以相同的優(yōu)先權(quán)與Wi-Fi技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)會(huì)，等價(jià)于同一頻段下有多種次級(jí)網(wǎng)絡(luò)共存，RIS反射系數(shù)、部署位置等參數(shù)的調(diào)整可提升多種次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的整體頻譜效率[37]-[39]。RIS和頻譜共享技術(shù)都具有部署靈活的特性，這有利于在實(shí)際系統(tǒng)中低成本和高彈性地應(yīng)用RIS輔助的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜多變的通信場(chǎng)景。圖18智能超表面輔助的頻譜共享網(wǎng)絡(luò)示意圖智能超表面技術(shù)白皮書(shū)2.2.9.全雙工通信全雙工技術(shù)解除傳統(tǒng)雙工機(jī)制對(duì)收發(fā)信機(jī)頻譜資源利用的限制，有助于進(jìn)一步提高頻譜效率和系統(tǒng)的靈活性，理論上同時(shí)同頻全雙工可提升一倍的頻譜效率。但是，基于傳統(tǒng)基站設(shè)計(jì)理念的上下行鏈路同時(shí)同頻傳輸信號(hào)，會(huì)存在嚴(yán)重的自干擾和交叉干擾問(wèn)題，需要在設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)采取一定的干擾抑制和消除手段。與傳統(tǒng)的基站或中繼設(shè)備相比，基于RIS的無(wú)線設(shè)備能夠在不引入自干擾的情況下實(shí)現(xiàn)全雙工模式的傳輸[41]-[42]。圖19基于RIS輔助的全雙工通信場(chǎng)景2.2.10.多小區(qū)通信系統(tǒng)為了最大化通信系統(tǒng)的頻譜效率，多小區(qū)中的多個(gè)基站一般會(huì)復(fù)用相同的頻譜資源，這將帶來(lái)多小區(qū)干擾問(wèn)題，對(duì)小區(qū)邊緣用戶的影響尤為明顯。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以將RIS安裝在小區(qū)邊緣處[43]，通過(guò)合理的優(yōu)化RIS反射相位值和多基站預(yù)編碼，RIS不僅可以增加接收到的有用信號(hào)功率值，還可以有效消除相鄰小區(qū)的干擾信號(hào)。2.2.11.多組多播傳輸多組多播應(yīng)用是通信系統(tǒng)的重要組成部分，可以有效降低傳統(tǒng)單播傳輸系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)流傳輸壓力。典型的多組多播應(yīng)用包括視頻會(huì)議，視頻游戲以及重大體育賽事轉(zhuǎn)播。在多組多播通信傳輸系統(tǒng)中，每個(gè)組的用戶共享相同的傳輸內(nèi)容，因此每個(gè)組的傳輸速率將受組內(nèi)信道質(zhì)量最差用戶的制約。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以將RIS安裝在該系統(tǒng)中，通過(guò)合理地優(yōu)智能超表面技術(shù)白皮書(shū)化設(shè)計(jì)RIS的反射系數(shù)，可以犧牲組內(nèi)信道質(zhì)量好的用戶信道來(lái)提高瓶頸用戶的信道質(zhì)量，從而提高組內(nèi)的整體傳輸速率[44]。圖21基于RIS輔助的多組多播傳輸系統(tǒng).12.軌道角動(dòng)量由于軌道角動(dòng)量(OrbitalAngularMomentum，OAM)渦旋電磁波的螺旋相位波前比傳統(tǒng)電磁波平面相位波前多一個(gè)全新的空間分布維度，OAM技術(shù)有望突破傳統(tǒng)通信中的香農(nóng)極限，緩解現(xiàn)今頻譜資源緊張、頻段擁塞的問(wèn)題。OAM渦旋電磁場(chǎng)的生成方式有很多種，其中一種典型的方法便是基于智能超表面的渦旋電磁場(chǎng)的生成方法。通過(guò)反射型和透射型智能超表面，既可以產(chǎn)生雙極化雙頻段多模態(tài)OAM渦旋電磁波，也可以實(shí)現(xiàn)OAM渦旋電磁波的線極化和圓極化靈活轉(zhuǎn)換[45]-[49]。圖22基于RIS輔助的軌道角動(dòng)量(OAM)渦旋生成示意圖13.語(yǔ)義通信語(yǔ)義通信是未來(lái)的潛在通信方式之一，通過(guò)收發(fā)端共享部分知識(shí)庫(kù)，通常采用人工智能的方法來(lái)挖掘傳輸信息間的關(guān)系，從而將冗余信息刪除，提煉重要的信息，達(dá)到了信息壓縮的目的。為了進(jìn)一步地提高通信效率，可以將RIS安裝在語(yǔ)義通信系統(tǒng)中，通過(guò)合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)RIS反射角以及發(fā)射端提取語(yǔ)義信息的壓縮比，可以更好地自適應(yīng)提高語(yǔ)義通信系統(tǒng)的效率[50]。智能超表面技術(shù)白皮書(shū)圖23基于RIS輔助的語(yǔ)義通信系統(tǒng)智能超表面技術(shù)白皮書(shū)3.智能超表面基礎(chǔ)理論智能超表面是一個(gè)多學(xué)科融合技術(shù)，在智能超表面誕生之前，以超材料理論和界面電磁理論為代表的相關(guān)基礎(chǔ)理論已發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，為智能超表面理論體系的建立打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在關(guān)鍵技術(shù)方面，與智能超表面相關(guān)的相控陣、可編程邏輯門等技術(shù)也均有其他領(lǐng)域應(yīng)用的案例。因此，雖然智能超表面相關(guān)概念在近10年才被提出并被業(yè)內(nèi)視為一種潛在6G關(guān)鍵技術(shù)，但已有的理論與技術(shù)基礎(chǔ)支撐了智能超表面研究的快速發(fā)展。3.1.超材料理論廣義來(lái)說(shuō)，RIS是超材料(或稱電磁超材料)的一個(gè)分支。超材料可以分為三維超材料和二維超表面。而超表面又分為固定參數(shù)超表面和可調(diào)超表面。RIS一般被認(rèn)為屬于可調(diào)超表面，有時(shí)也會(huì)把固定參數(shù)超表面作為RIS研究的一個(gè)特例去考慮。超材料最初是以“左手材料”和“雙負(fù)媒質(zhì)”的名稱為人所知。1967年，ViktorVeselago教授發(fā)表了一篇俄語(yǔ)論文，并于1968年被翻譯成英文發(fā)表[51]，首次提出了左手材料的概念，即介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ均為負(fù)的材料。作者在論文中系統(tǒng)地分析了雙負(fù)媒質(zhì)中電磁波的傳播特性，理論預(yù)測(cè)了多個(gè)新奇的異常調(diào)控現(xiàn)象。1996年，JohnB.Pendry爵士用周期排布的開(kāi)口諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了負(fù)介電常數(shù)[52]，并在1999年通過(guò)周期性排布實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了負(fù)磁導(dǎo)率[53]。而最早人工電磁表面(即超表面)為1999年DanielF.Sievenpiper教授提出的蘑菇型結(jié)構(gòu)高阻抗表面[54]。2000年，DavidR.Smith教授基于Pendry爵士工作基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了同時(shí)具備負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的復(fù)合左手材料。三維超材料可以用傳統(tǒng)等效媒質(zhì)參數(shù)(介電常數(shù)和磁導(dǎo)率)來(lái)描述材料的電磁特性，但不再適用于分析二維超表面[55]。針對(duì)超表面的二維結(jié)構(gòu)特性，研究人員陸續(xù)提出多種理論進(jìn)行分析和建模，其中最具代表性的是2011年FedericoCapasso教授團(tuán)隊(duì)提出的廣義斯涅耳定律(GeneralizedSnell'slaw)[56]。廣義斯涅爾定律很好地刻畫了電磁超表面物理特性，如公式(1)和(2)所示ntsinet?nisineidx=()1sinet?sineidx=2x()2其中，公式(1)是廣義斯涅爾折射定律，公式(2)廣義斯涅爾反射定律，入0是信號(hào)波長(zhǎng)，ni和nt是入射和出射界面折射率，9i和9t是入射角和出射角。3.2.電磁信息論初期電磁超表面通常利用連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的表面極化率、表面阻抗、幅度和相位等參數(shù)來(lái)表征界面上的電磁特性，這些表征方式都是從物理層面來(lái)研究超表面，可以稱之為“模擬超智能超表面技術(shù)白皮書(shū)表面”。2014年，東南大學(xué)崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)提出了“數(shù)字編碼與可編程超材料/超表面”的概念，創(chuàng)新性地利用二進(jìn)制編碼的形式來(lái)表征超表面[57]，標(biāo)志著超表面從模擬時(shí)代進(jìn)入數(shù)字時(shí)代。對(duì)可調(diào)超表面的可調(diào)物理特性數(shù)字化編碼后，可以借用在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中已成熟的編碼理論和軟件算法對(duì)超表面的物理參數(shù)的調(diào)控進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，也方便更好地利用人工智能(ArtificialIntelligence，AI)算法進(jìn)行智能調(diào)控[58]。2017年，崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文歸納總結(jié)已有研究，提出了“信息超材料/超表面”的概念體系[59]。2008年，F(xiàn).K.Gruber教授首先提出了MIMO空間復(fù)用通信信道的自由度的電磁信息論概念，用于分析大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能[60]。通過(guò)對(duì)發(fā)射源的電流分布進(jìn)行球面波分解，獲得了不同天線陣列增益和功率限制下的最佳球面波模態(tài)通信信道空間MIMO自由度。2021年，清華戴凌龍教授團(tuán)隊(duì)分析了一維(1D)線天線的電磁空間自由度極限[61]。2020年，崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)從信息論角度，建立碼本幾何空間信息熵I1與遠(yuǎn)場(chǎng)散射方向圖的物理空間熵I2之間的關(guān)系[62]I1+I2≤ln(4S/e2入2)(3)2022年，中山大學(xué)與美國(guó)伊州理工大學(xué)的廖少林團(tuán)隊(duì)從電磁理論出發(fā)，成功推導(dǎo)出二維(2D)空間電磁場(chǎng)空間自由度和激勵(lì)電流空間自由度的傅里葉頻譜關(guān)系，為二維智能超表面的空間電磁容量提供了理論支撐。另外，該團(tuán)隊(duì)還提出了面向復(fù)雜電磁環(huán)境的本地物理光學(xué)循環(huán)迭代(LocalIterativePhysicsOptics，LIPO)矢量計(jì)算電磁學(xué)算法(ComputationalElectro-Magnetic，CEM)，把電磁無(wú)線通信信道的模擬準(zhǔn)確度提升了3個(gè)量級(jí)以上，同時(shí)運(yùn)算速度提升了2個(gè)量級(jí)以上，該算法可用于智能超表面信道模型的構(gòu)建。3.3.界面電磁理論作為一個(gè)新的電磁學(xué)研究方向，界面電磁(SurfaceElectromagnetics,SEM)理論旨在通過(guò)對(duì)二維界面上不同種類電磁現(xiàn)象進(jìn)行分析與解釋，指導(dǎo)各種電磁表面設(shè)計(jì)與優(yōu)化。電磁學(xué)是一門描述電磁場(chǎng)隨時(shí)間和空間變化規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)。因此，電磁場(chǎng)振蕩的空間維數(shù)可以用來(lái)區(qū)分不同的電磁現(xiàn)象和相應(yīng)理論方法，如圖24所示。麥克斯韋方程組作為一個(gè)統(tǒng)一的基本定理，考慮了三維空間變化，用于描述所有宏觀和微觀電磁現(xiàn)象，但其分析和計(jì)算極為復(fù)雜。作為一種極致簡(jiǎn)化特例，當(dāng)器件或電磁現(xiàn)象的空間變化在三個(gè)空間維度中都遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，電路理論被證明是一種準(zhǔn)確而高效的零維現(xiàn)象電磁理論方法，電阻、電感和電容是在具有電壓和電流源的電子電路中的典型元件。傳輸線理論則已經(jīng)成為微波電路和光波導(dǎo)等一維電磁現(xiàn)象研究的一塊基石[63]。特性阻抗和傳播常數(shù)是描述這些一維現(xiàn)象的關(guān)鍵參數(shù)。處理二維電磁現(xiàn)象的界面電磁理論尚未得到充分發(fā)展。我們需要定義一般表面的特征參數(shù)，導(dǎo)出麥克斯韋方程組的簡(jiǎn)化定理。最近發(fā)現(xiàn)表面磁化率和表面孔隙率是理想的本征參數(shù)。此外，應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕缑骐姶爬碚搧?lái)分析和設(shè)計(jì)前沿的電磁表面仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。根據(jù)不同的電磁場(chǎng)屬性，以下三組電磁表面的特性，受到了研究者的廣泛關(guān)注。(1)空間波控制平面電磁波作為空間電磁波的最基本形式，包含頻率、傳播方向、極化方向、幅度、和智能超表面技術(shù)白皮書(shū)相位等5種基本屬性。平面波照射到人工電磁表面上，通過(guò)特定的界面設(shè)計(jì)，散射電磁波能夠具有不同的特性，從而實(shí)現(xiàn)有效的電磁波調(diào)控。進(jìn)行幅度-頻率控制的典型示例是頻率選擇表面[64]-[65]和吸波表面[66]-[69],其工作原理是周期性的電磁表面發(fā)生共振時(shí)，會(huì)使得特定頻段和入射方向的電磁波產(chǎn)生全反射或全透射。相位-頻率控制電磁表面也稱相移表面，通常在準(zhǔn)周期或可重構(gòu)電磁表面中使用相合成方法設(shè)計(jì)，利用表面相位分布來(lái)補(bǔ)償入射波或散射波的空間相位差，實(shí)現(xiàn)波束聚焦、賦形、掃描等功能。極化控制是電磁波相比電路信號(hào)的額外自由度，包含極化選擇與極化轉(zhuǎn)換。經(jīng)典的結(jié)構(gòu)包括柵網(wǎng)、線圓轉(zhuǎn)換器等，不同的極化電磁表面的設(shè)計(jì)大致都基于極化分解與合成的思路。圖24界面電磁學(xué)的學(xué)科定位(2)表面波操控電磁表面除了對(duì)空間波的控制，還可以用來(lái)操縱表面波。對(duì)表面波的操控主要分為三個(gè)方面：濾波、修改傳播路徑、與空間波的相互轉(zhuǎn)換。像HIS[70]和EBG[71]這樣的特定周期性表面在一個(gè)頻率范圍內(nèi)顯示出帶隙性能，因此可以視為表面波的帶阻濾波器。基于轉(zhuǎn)換光學(xué)的概念，超透鏡可以設(shè)計(jì)導(dǎo)波的傳播方向。漏波天線等則能夠使沿表面切向傳播的表面波向外輻射，產(chǎn)生空間波[72]-[73]。(3)有源和非線性功能有源或非線性提供了一種高效的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)特性。PIN二極管，變?nèi)荻O管和微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectromechanicalSystem，MEMS)是最常用于可重構(gòu)電磁表面中的控制用作空間電路，例如空間功率合成器[74]-[76]，網(wǎng)格混合器[77]，放大反射器陣列[78]-[79]和網(wǎng)格振蕩器[74]。另一方面，在光學(xué)區(qū)域中，電磁表面具有更多的非線性特性。一些具有代表性的非線性光學(xué)特性包括[80]：二次諧波，三次諧波，自發(fā)參數(shù)下變頻，和差頻生成，四波混頻，非線性相位控制，非線性開(kāi)關(guān)和路由等。智能超表面技術(shù)白皮書(shū)4.智能超表面硬件結(jié)構(gòu)及調(diào)控4.1.智能超表面系統(tǒng)架構(gòu)智能超表面硬件架構(gòu)主要包含三大部分，即饋電模塊、可重構(gòu)電磁表面和控制模塊。圖25饋電模塊、可重構(gòu)電磁表面和控制模塊饋電模塊是整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)輸入源，主要功能是將待發(fā)射電磁信號(hào)饋入到可重構(gòu)電磁表面。目前，根據(jù)饋電模塊的饋入與輸出方式不同，可以分為遠(yuǎn)場(chǎng)反射式、遠(yuǎn)場(chǎng)透射式、近場(chǎng)透射式以及有源無(wú)源集成式等多種模式。其中，遠(yuǎn)場(chǎng)反射式和遠(yuǎn)場(chǎng)透射式兩種饋電模塊，既可以采用同一系統(tǒng)中的饋源天線主動(dòng)發(fā)射方式，也可以采用被動(dòng)接收來(lái)自其他信號(hào)源遠(yuǎn)程電磁波的方式。這種情況下，雖然饋電模塊不存在物理實(shí)體，但仍然是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部可重構(gòu)電磁表面是系統(tǒng)中對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)控的主體，通常由周期或準(zhǔn)周期排布的電磁單元組成，每個(gè)電磁單元通過(guò)集成PIN二極管、變?nèi)荻O管等非線性器件可對(duì)控制模塊給出的低頻控制信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，改變局部單元的電磁特性，進(jìn)而調(diào)控來(lái)自饋電模塊的高頻通信信圖26饋電模塊4種模式控制模塊的主要功能是對(duì)可重構(gòu)電磁表面進(jìn)行控制，通?；诳删幊踢壿嬮T(FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)或類似的可編程平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。控制模塊根據(jù)上層系統(tǒng)給出的控制決策，產(chǎn)生低頻控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電壓并加載到電磁表面上的非線性器件上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁表面功能的實(shí)時(shí)控制。智能超表面技術(shù)白皮書(shū)4.2.智能超表面類型隨著RIS產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究的演進(jìn)，目前，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)出現(xiàn)了多種不同類型的智能超表面硬件，表2歸納總結(jié)了部分公開(kāi)文獻(xiàn)中RIS類型及其技術(shù)特征。表2智能超表面分類技術(shù)特征透射或反射反射式、透射式、反射透射一體式4調(diào)控功能信息調(diào)制(如發(fā)射機(jī)4或背向散射)、信道調(diào)控(如波束賦形)、基于RIS的新型相控陣天線、信息與能量同時(shí)傳輸(如數(shù)能同傳)、基于RIS的空中計(jì)算4調(diào)控方式(器件/材料)PIN管、變?nèi)荻O管、MEMS、液晶、石墨烯等頻段低頻(Sub-6GHz)、毫米波、太赫茲及光學(xué)頻段是否可以功率放大調(diào)控動(dòng)態(tài)性靜態(tài)調(diào)控RIS、半靜態(tài)調(diào)控RIS、動(dòng)態(tài)調(diào)控RIS測(cè)量/感知能力僅有無(wú)源單元構(gòu)成、有部分有源單元可以執(zhí)行測(cè)量/感知部署模式網(wǎng)絡(luò)控制、獨(dú)立部署不同類型的智能超表面依據(jù)實(shí)際需求不同，可用于不同場(chǎng)景。以智能超表面調(diào)控動(dòng)態(tài)性為例，無(wú)源靜態(tài)調(diào)控RIS，波束固定不變。用于快速部署，弱覆蓋場(chǎng)景擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)覆蓋和補(bǔ)盲。半靜態(tài)調(diào)控RIS，波束半靜態(tài)變化，間隔較長(zhǎng)一段時(shí)間進(jìn)行相位調(diào)節(jié)。用于擴(kuò)展波束覆蓋范圍、提升小區(qū)容量和速率。無(wú)源靜態(tài)調(diào)控RIS和半靜態(tài)調(diào)控RIS具有控制簡(jiǎn)單、部署迅速等優(yōu)勢(shì)。但是，由于覆蓋方向在一定時(shí)間內(nèi)是固定不變的，無(wú)法針對(duì)用戶進(jìn)行波束賦形，不能針對(duì)信道的實(shí)時(shí)變化做出最優(yōu)的波束響應(yīng)。因此更進(jìn)一步的智能RIS應(yīng)能進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。動(dòng)態(tài)調(diào)控RIS，波束實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。用于動(dòng)態(tài)跟蹤用戶、匹配信道環(huán)境，電磁波智能調(diào)控。動(dòng)態(tài)調(diào)控RIS又分為基于波束掃描的動(dòng)態(tài)調(diào)控RIS與基于信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)的動(dòng)態(tài)調(diào)控RIS?；诓ㄊ鴴呙璧膭?dòng)態(tài)調(diào)控RIS，相位調(diào)節(jié)過(guò)程無(wú)需小尺度信道信息，RIS通過(guò)掃描多個(gè)波束方向，并基于終端反饋的信道測(cè)量信息，選擇最佳的波束方向。雖然基于波束掃描的動(dòng)態(tài)調(diào)控RIS具有無(wú)需小尺度信道信息，控制指示開(kāi)銷較小等優(yōu)點(diǎn)，但是多次調(diào)整波束也會(huì)帶來(lái)較大的系統(tǒng)開(kāi)銷。基于CSI的動(dòng)態(tài)調(diào)控RIS通過(guò)參考信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，并根據(jù)信道估計(jì)結(jié)果配置碼本。雖然基于CSI的動(dòng)態(tài)調(diào)控RIS可以獲得較優(yōu)的性能，但是目前級(jí)聯(lián)信道估計(jì)算法和過(guò)程的復(fù)雜度較高，系統(tǒng)開(kāi)銷較大。4.3.智能超表面陣面設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)智能超表面之前，須根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景確定合適的系統(tǒng)架構(gòu)。首先，考慮系統(tǒng)的饋電方式，需要根據(jù)工作模式、性能指標(biāo)、空間尺寸等要求，選擇合適的饋電方式。對(duì)于波束增益要求較高的場(chǎng)景，通常采用損耗較低的反射式智能超表面；對(duì)于空間尺寸較小的場(chǎng)景，可以采用近場(chǎng)耦合式智能超表面。其次，選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞?，包括機(jī)械控制、模擬信號(hào)控制和數(shù)字信號(hào)控制三類。機(jī)械控制由于其響應(yīng)速度較慢，目前已較少采用。模擬信號(hào)控4相關(guān)內(nèi)容詳見(jiàn)本白皮書(shū)第六章智能超表面技術(shù)白皮書(shū)制一般由控制模塊產(chǎn)生連續(xù)分布的電平，控制變?nèi)荻O管等具有連續(xù)變化參數(shù)的器件產(chǎn)生不同的響應(yīng)。數(shù)字信號(hào)控制則由控制模塊產(chǎn)生不同的電平，控制PIN二極管等開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生不同的響應(yīng)，根據(jù)可控狀態(tài)數(shù)目，通常可分為1-bit或多bit控制。數(shù)字信號(hào)控制位數(shù)增多會(huì)導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜度增加且性能提升的邊際增益下降，因此，現(xiàn)階段的RIS原型系統(tǒng)大多采用1-bit、2-bit控制，少數(shù)原型系統(tǒng)采用3-bit甚至更多控制位數(shù)。4.3.1.電磁單元設(shè)計(jì)與優(yōu)化電磁單元設(shè)計(jì)與優(yōu)化是智能超表面陣面設(shè)計(jì)的核心，需要先根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求確定單元設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后對(duì)電磁單元主體、偏置線路等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，利用電磁仿真軟件，如HFSS和CST，建立單元主體及非線性元件的等效模型，配置周期邊界條件和Floquet端口激勵(lì)。隨后選擇進(jìn)行合適的單元幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其在工作頻段內(nèi)滿足預(yù)先設(shè)定的設(shè)計(jì)要求，如1-bit反射單元要求反射幅度接近0dB，反射相位差為180°等。最后，還需要考慮用于連接控制系統(tǒng)的偏置線等結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證其對(duì)單元性能的影響。以1-bit數(shù)字相控單元為例[81]，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)14.5GHz附近的1-bit數(shù)字調(diào)相。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，選擇了經(jīng)典的矩形諧振單元，通過(guò)PIN二極管的導(dǎo)通和斷開(kāi)改變單元的諧振長(zhǎng)度，從而產(chǎn)生相頻響應(yīng)不同的兩種狀態(tài)，使得中心頻點(diǎn)處兩種狀態(tài)的相位差為180°。通過(guò)添加用于控制PIN二極管的偏置線和用于交直隔離的扇形枝節(jié)，可以驗(yàn)證其對(duì)單元工作頻帶內(nèi)的電特性影響較小。圖271-bit數(shù)字相控單元及其相位響應(yīng)4.3.2.陣列全波仿真與加工測(cè)試完成單元設(shè)計(jì)后，理論上已經(jīng)可以將單元結(jié)構(gòu)周期拓展獲得最終的智能超表面模型，但一般由于高次模、互耦等原因，實(shí)際智能超表面電磁性能與周期邊界下的單元設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)有一些差距，需要針對(duì)整個(gè)智能超表面陣面進(jìn)行全波仿真，以指導(dǎo)智能超表面的實(shí)際加工、測(cè)試和驗(yàn)證。陣列全波仿真是在仿真軟件中對(duì)整個(gè)陣面和饋源進(jìn)行建模仿真，對(duì)算力資源有較高要求，仿真時(shí)間通常需要幾小時(shí)甚至幾天。通常，陣列全波仿真結(jié)果比單元結(jié)果更加可信，但仍然不能代替實(shí)測(cè)結(jié)果。智能超表面技術(shù)白皮書(shū)圖28波導(dǎo)測(cè)試、RCS測(cè)試與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)測(cè)通常包括波導(dǎo)測(cè)試、雷達(dá)截面積(RadarCrossSection,RCS)測(cè)試、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試等。波導(dǎo)測(cè)試一般需要設(shè)計(jì)合適的波導(dǎo)，將兩個(gè)單元橫置于波導(dǎo)中，以測(cè)量實(shí)際的單元特性。RCS測(cè)試包括單站或雙站RCS測(cè)試方法，通過(guò)將表面上所有單元調(diào)控為相同狀態(tài)，進(jìn)行“全開(kāi)全關(guān)”測(cè)試，對(duì)比確定表面單元不同工作時(shí)狀態(tài)間的相位差。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試則是基于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，在大型遠(yuǎn)場(chǎng)暗室或外場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。4.4.控制模塊設(shè)計(jì)控制模塊的主要功能是根據(jù)RIS波束的入射方向、出射方向?yàn)镽IS單元提供不同的相位分布，各個(gè)單元的量化相位分布也被稱為碼表，使用α入射β出射波束碼表對(duì)與法向夾角為α°的入射波束賦相后朝與法向夾角β°的方向出射?？刂颇K主要由上位機(jī)、控制芯片與驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖29所示。其中，上位機(jī)可連接通信系統(tǒng)從而實(shí)時(shí)向控制芯片提供出射方向；控制芯片，以FPGA芯片實(shí)現(xiàn)為例，根據(jù)出射方向?qū)⒋a表賦值到輸出管腳，管腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與線纜連接到RIS；由于RIS的單元通?？縋IN、高電子遷移率晶體管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)或變?nèi)荻O管等元件實(shí)現(xiàn)相位可重構(gòu)功能，因此控制板的驅(qū)動(dòng)電路只需要根據(jù)管腳的數(shù)字邏輯，輸出相對(duì)應(yīng)的電壓或電流即可完成RIS的布相，從而完成對(duì)RIS的控制。圖29RIS的控制模塊示意圖4.4.1.控制模塊的碼表提取以基于FPGA實(shí)現(xiàn)的控制模塊為例，RIS的控制碼表可以根據(jù)入射方向進(jìn)行計(jì)算，目前有兩種提取碼表的思路：一種是提前計(jì)算出各個(gè)方向的碼表并存入FPGA內(nèi)存或集成存儲(chǔ)，工作時(shí)根據(jù)上位機(jī)的指令按地址提取對(duì)應(yīng)的碼表并完成管腳賦值；另一種則是將碼表計(jì)算程序植入FPGA芯片，在FPGA端完成碼表的計(jì)算。前者對(duì)控制板的內(nèi)存空間有較大要求，尤其是和RIS的規(guī)模呈正相關(guān)，但相應(yīng)的FPGA端Verilog程序則相對(duì)簡(jiǎn)單；而后者要求FPGA端能夠支持碼表計(jì)算程序，最好還能執(zhí)行各種碼表優(yōu)化算法，但這樣能夠降低存儲(chǔ)需求，而且如果進(jìn)行針對(duì)性的FPGA設(shè)計(jì)，能夠提高FPGA性能利用率。智能超表面技術(shù)白皮書(shū)4.4.2.控制模塊的響應(yīng)速度在RIS輔助通信系統(tǒng)中，RIS出射波束的切換速度由上位機(jī)到控制模塊的響應(yīng)速度與RIS波束生成速度決定。后者依賴于RIS的設(shè)計(jì)與集成的開(kāi)關(guān)器件特性，而前者則取決于上位機(jī)和通信芯片的通信碼率與控制芯片內(nèi)部的程序架構(gòu)及系統(tǒng)時(shí)鐘。在RIS的實(shí)際應(yīng)用中，需要制定一個(gè)RIS波束切換時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。波束切換速度的瓶頸在于上位機(jī)到控制模塊的響應(yīng)速度，因此，需要在控制模塊的設(shè)計(jì)中，盡可能提高響應(yīng)速度，即從上位機(jī)發(fā)出指令到驅(qū)動(dòng)電路完成電壓或電流偏置所用的時(shí)間要盡可能短。4.4.3.控制模塊潛在功能需求除了上位機(jī)直接控制出射波束外，在未來(lái)潛在應(yīng)用場(chǎng)景中，控制模塊可能還需要自適應(yīng)波束切換功能與網(wǎng)絡(luò)配置功能。如果上位機(jī)并不知道接收端的具體方位，可以讓RIS進(jìn)行波束掃描來(lái)尋找接收端用戶，在與接收端完成握手后結(jié)束波束切換并且保持波束穩(wěn)定出射或跟蹤。相應(yīng)的控制模塊就需要設(shè)置波束的自動(dòng)切換，以及與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信保證穩(wěn)定跟蹤接收端。另一方面，網(wǎng)絡(luò)配置功能則應(yīng)用于某些超大規(guī)模的RIS場(chǎng)景，由于控制芯片的資源有限，會(huì)出現(xiàn)輸出管腳少于單元總數(shù)的情況，此時(shí)需要多塊控制芯片分區(qū)控制同一個(gè)RIS，那么控制模塊就需要配置網(wǎng)絡(luò)，每塊芯片就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的同步操作或分塊操作。智能超表面技術(shù)白皮書(shū)5.智能超表面系統(tǒng)建模與關(guān)鍵技術(shù)5.1.RIS輔助傳輸信號(hào)模型與傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸模型不同，除了發(fā)射端與接收端之間的直連鏈路，RIS輔助信號(hào)傳輸模型增加了一條由RIS引入的輔助傳輸鏈路，接收端的接收信號(hào)y可以建模為：其中，Pt為發(fā)射端功率，HTR為發(fā)射端與RIS之間的信道響應(yīng)矩陣，HRU表示RIS與接收端之間的信道響應(yīng)矩陣，HTU表示收發(fā)端之間直連信道響應(yīng)矩陣，s為來(lái)自發(fā)射端的發(fā)射信號(hào)向量，山是加性高斯白噪聲，小為RIS引入的相控對(duì)角陣。5.2.RIS信道建模方法主流的信道建模方法包括基于幾何的統(tǒng)計(jì)性建模方法和基于射線追蹤的確定性建模方法以及基于數(shù)字地圖的混合信道建模方法?；趲缀蔚慕y(tǒng)計(jì)性建模方法可以很好的還原某一類場(chǎng)景下信道的統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)其復(fù)雜度低、方便實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)使得該建模方法廣泛應(yīng)用于5G標(biāo)準(zhǔn)化研究中[82]?；谏渚€追蹤的確定性信道建模方法和基于數(shù)字地圖的混合信道建模方法基于幾何光學(xué)和一致性繞射理論計(jì)算從發(fā)射端到接收端的所有多徑，極大地提高了建模的準(zhǔn)確度，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提升，該模型逐漸獲得了業(yè)界的認(rèn)可，成為標(biāo)準(zhǔn)化信道模型的可選模型[83]。5.2.1.基于幾何的統(tǒng)計(jì)性信道建模方法基于幾何的統(tǒng)計(jì)性建模(GeometryBasedStochasticModel，GBSM)方法的基本原理是通過(guò)對(duì)信道進(jìn)行大量測(cè)量，得到相應(yīng)場(chǎng)景的信道特性統(tǒng)計(jì)分布。在進(jìn)行信道仿真時(shí)通過(guò)對(duì)這些統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行隨機(jī)采樣生成信道特征，還原完整的信道信息?？紤]到無(wú)線通信系統(tǒng)在時(shí)域、頻域和空間域的分辨率不斷提高，多徑的聚簇效應(yīng)愈加明顯，GBSM以簇結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，其具體的模型結(jié)構(gòu)如圖30所示。機(jī)的統(tǒng)計(jì)性信道模型結(jié)構(gòu)[83]考慮收發(fā)端為多天線的情況，若發(fā)射端有S個(gè)發(fā)射天線，接收端有U個(gè)接收天線，信道可以用U×S維的復(fù)矩陣表示，矩陣中每個(gè)元素表示對(duì)應(yīng)子信道的信道沖激響應(yīng)，具體可以智能超表面技術(shù)白皮書(shū)n,mPxn,mPx表示為[83]：p1,p1n,mNMT3Dx?1ejΦp1,p1n,mNMT3Dx?1ejΦ2n,m3Dn=1m=1其中，N、M表示簇和對(duì)應(yīng)徑的個(gè)數(shù)，Pn,m表示n簇中第m個(gè)徑的功率，矩陣部分引入極化，其中有p1和p2兩個(gè)正交的極化方向，相應(yīng)的y3D表示極化方向上的天線方向圖，prx,n,m、erx,n,m、ptx,n,m、etx,n,m表示第n個(gè)簇中第m條多徑的水平到達(dá)角，垂直到達(dá)角，水平離開(kāi)角和垂直離開(kāi)角，Φn,m表示多徑的初始相位，xn,m表示相應(yīng)子徑的交叉極化功率比，入表示中心載波波,長(zhǎng)，rtx，rrx為到達(dá)角和離開(kāi)角的球坐標(biāo)單位向量，drx,u，dtx,s表示收發(fā)端對(duì)應(yīng)天線的位置向量，fn,m表示多普勒頻移，Tn,m表示對(duì)應(yīng)子徑的時(shí)延。將RIS引入傳統(tǒng)通信系統(tǒng)傳輸信號(hào)模型框架中，其信道模型如圖31所示：圖31RIS輔助通信信道模型該模型的基本思路是將原本發(fā)射端(Tx)和接收端(Rx)之間的信道分為Tx-RIS-Rx的RIS輔助信道和Tx-Rx的直連信道兩部分，如公式(5)所示：H=HU小HTR+HTU#(6)公式中第一部分為RIS輔助通信信道，其中HTR、HRU分別為發(fā)射端到RIS、RIS到接收端的信道響應(yīng)矩陣，PLTR、PLRU為對(duì)應(yīng)通道的路徑損耗。第二部分為發(fā)射端到接收端的直接鏈路信道，HTU為該信道響應(yīng)矩陣，PLTU為其對(duì)應(yīng)的路徑損耗。RIS本身的電磁特性可以用數(shù)字方式表征[84]，模型中使用相控(幅控)對(duì)角陣小=數(shù)和相控系數(shù)。RIS輔助信道模型將RIS本身獨(dú)立于兩端信道，模型的輸出為信道響應(yīng)矩陣HTR、HRU以RIS到接收端信道響應(yīng)HRU為例，信道矩陣為：其中，RIS單元個(gè)數(shù)為n×n，將RIS的每一個(gè)電磁單元當(dāng)作一個(gè)發(fā)射單元，?為RIS上第k個(gè)電磁單元到接收端第u個(gè)天線的信道響應(yīng)，表示方法與上述公式(4)類似，需要注意的是將發(fā)送天線的輻射方向圖yptx,n,m,etx,n,m修改為對(duì)應(yīng)位置RIS單元的輻射方向圖。同理可以寫出Tx端到RIS的信道響應(yīng)矩陣HTR，這里就不再贅述?；谏鲜雒枋觯琑IS輔助通信信道建模流程如圖32所示：智能超表面技術(shù)白皮書(shū)圖32RIS輔助通信信道建模流程圖建模流程主體部分與標(biāo)準(zhǔn)信道建模流程類似，引入RIS之后，新增RIS參數(shù)包括RIS單元數(shù)量、工作頻段和最小電