智能超表面技術在通感一體化中的研究進展目錄文檔概要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41.1通感一體的背景與意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．51.1.1通信與感知的融合趨勢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．71.1.2通感一體化的應用前景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．81.2智能超表面的基本概念．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．101.2.1智能超表面的定義與結構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．131.2.2智能超表面的關鍵特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．161.3通感一體化中智能超表面的作用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．181.3.1提升系統(tǒng)性能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．201.3.2推動應用創(chuàng)新．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22智能超表面技術研究現(xiàn)狀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．252.1智能超表面材料的進展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．272.1.1金屬材料的研究突破．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．282.1.2介電材料的發(fā)展趨勢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．302.1.3二維材料的應用探索．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．312.2智能超表面單元設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．332.2.1傳統(tǒng)單元結構分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．362.2.2新型單元結構創(chuàng)新．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．382.3智能超表面集成技術．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．402.3.1平面集成方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．422.3.2多層集成方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44智能超表面在通信領域的應用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．463.1智能超表面提升通信速率．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．473.1.1波束賦形優(yōu)化研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．493.1.2信道容量增強探索．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．503.2智能超表面實現(xiàn)通信節(jié)能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．543.2.1定向輻射研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．553.2.2能量收集應用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．593.3智能超表面促進靈活通信．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．613.3.1可重構通信網(wǎng)絡．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．623.3.2動態(tài)頻率分配．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64智能超表面在感知領域的應用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．684.1智能超表面增強雷達探測．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．714.1.1隱身目標探測．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．724.1.2分辨率提升方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．764.2智能超表面支持可見光探測．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．774.2.1高清成像技術．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．794.2.2態(tài)勢感知應用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．814.3智能超表面推動多模感知．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．824.3.1跨媒質(zhì)信息獲?。?44.3.2多源數(shù)據(jù)融合．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．86智能超表面在通感一體化中的融合技術．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．885.1通感一體網(wǎng)絡架構設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．915.1.1資源共享機制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．945.1.2干擾協(xié)調(diào)策略．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．985.2通感一體化信號處理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．995.2.1多波束處理算法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1035.2.2別能力增強．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1055.3通感一體化應用場景拓展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．106挑戰(zhàn)與展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1096.1當前面臨的技術難題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1106.1.1制造工藝瓶頸．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1146.1.2理論模型局限．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1166.1.3系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1176.2未來發(fā)展趨勢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1206.2.1新型智能超表面材料開發(fā)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1216.2.2人工智能與超表面結合．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1246.2.3通感一體化標準化進程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1261.文檔概要智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface,RIS）作為無線通信領域的前沿技術，通過動態(tài)調(diào)控電磁波傳播環(huán)境，為通感一體化（IntegratedSensingandCommunication,ISAC）系統(tǒng)提供了全新的解決思路。通感一體化旨在通過統(tǒng)一的硬件平臺和頻譜資源同時實現(xiàn)通信與感知功能，而RIS憑借其可編程、低功耗和易于部署的特性，能夠有效提升ISAC系統(tǒng)的頻譜效率、感知精度和覆蓋范圍，已成為6G及未來無線網(wǎng)絡的關鍵使能技術之一。本文系統(tǒng)梳理了智能超表面在通感一體化中的研究進展，重點分析了RIS輔助的ISAC系統(tǒng)架構、關鍵技術及性能優(yōu)化方向。首先從RIS的基本原理出發(fā)，探討了其在通感一體化場景下的工作機制，包括信號反射、波束賦形及環(huán)境感知等功能的協(xié)同實現(xiàn)。其次歸納了當前RIS-ISAC系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，如信道估計復雜性、硬件約束及資源分配等問題，并對比了不同技術方案的優(yōu)劣（見【表】）。此外本文還展望了未來研究方向，如RIS與人工智能的結合、大規(guī)模RIS部署的可行性分析等，以期為相關領域的深入研究提供參考。?【表】：RIS輔助ISAC系統(tǒng)的關鍵技術對比技術方向主要優(yōu)勢現(xiàn)存挑戰(zhàn)典型應用場景信道估計降低導頻開銷反射相位量化誤差影響估計精度大規(guī)模MIMO-RIS協(xié)同系統(tǒng)波束管理提升信號聚焦能力實時調(diào)控延遲高移動性vehicular-to-everything(V2X)通信通感資源分配頻譜利用率高通信與感知性能權衡復雜雷達通信一體化基站非正交多址接入支持多用戶并發(fā)傳輸用戶間干擾控制難度大海量物聯(lián)網(wǎng)設備接入本綜述旨在為研究人員提供RIS在通感一體化領域的技術全景，推動該方向的創(chuàng)新突破與實際應用落地。1.1通感一體的背景與意義通感一體化技術，即通過整合感知、思考和行動等多維度能力，實現(xiàn)人機交互的高效性和自然性。在當前科技快速發(fā)展的背景下，通感一體化技術的研究顯得尤為重要。它不僅能夠提升用戶體驗，還能推動人工智能技術的廣泛應用，具有深遠的社會和經(jīng)濟意義。首先通感一體化技術的發(fā)展對于提高人機交互的自然性和便捷性具有重要意義。傳統(tǒng)的交互方式往往需要用戶進行復雜的操作，而通感一體化技術則能夠通過智能設備或系統(tǒng)直接感知用戶的需求，并提供相應的服務，大大減少了用戶的學習成本和操作難度。例如，智能家居系統(tǒng)中的語音控制功能，就能夠通過識別用戶的語音指令來控制家居設備，實現(xiàn)真正的“聽懂”用戶的需求。其次通感一體化技術的發(fā)展對于推動人工智能技術的廣泛應用也具有重要意義。隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，越來越多的設備和服務開始具備智能感知和決策能力。然而這些智能設備和服務往往缺乏與人類情感和行為的深度交互能力。通感一體化技術的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了可能。通過整合感知、思考和行動等多維度能力，通感一體化技術能夠使智能設備和服務更加貼近人類的情感和行為，從而更好地滿足用戶的需求。通感一體化技術的發(fā)展還具有重要的社會和經(jīng)濟意義，隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始尋求與人工智能技術的深度融合。通感一體化技術的出現(xiàn)，為解決這些問題提供了可能。通過整合感知、思考和行動等多維度能力，通感一體化技術能夠幫助企業(yè)更好地理解和滿足用戶需求，提高產(chǎn)品和服務的競爭力。同時通感一體化技術還能夠促進就業(yè)和經(jīng)濟增長，為社會創(chuàng)造更多的價值。通感一體化技術的發(fā)展對于提高人機交互的自然性和便捷性、推動人工智能技術的廣泛應用以及解決社會和經(jīng)濟問題都具有重要的意義。因此深入研究通感一體化技術，并探索其在實際應用中的可能性和挑戰(zhàn)，對于推動科技進步和社會發(fā)展具有重要意義。1.1.1通信與感知的融合趨勢近年來，智能超表面技術作為無線系統(tǒng)的一種引入方式，展現(xiàn)了其在提升通信和感知系統(tǒng)的性能上的巨大潛力。隨著通信技術的發(fā)展，通信與感知系統(tǒng)之間的區(qū)別逐漸模糊，融合化趨勢明顯。――通信與感知合一趨勢通信系統(tǒng)中的感知在傳統(tǒng)上是檢測環(huán)境信息，而現(xiàn)代通信則開始集成感知能力，用于輔助移動通信和通信網(wǎng)絡的自適應控制與優(yōu)化。而感知系統(tǒng)中的通信則旨在借助通信路徑的設施傳輸感知數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代通信技術與感知技術的有效融合，既提升了通信的感知能力，也增強了感知對環(huán)境信息采集的準確性和效率。――通信系統(tǒng)性能提升與國家安全護衛(wèi)功能拓展通信與感知技術的融合不僅能夠在通信系統(tǒng)性能提升上取得突破，還具有國家安全護衛(wèi)等重要的戰(zhàn)略作用。智能超表面技術提供了較好的解決方案，不僅可以促進數(shù)據(jù)的傳輸，還能輔助情報監(jiān)測、安全預警等國家安全防護領域。通話的智能融合對于信息融合調(diào)度的影響在全新的信息融合調(diào)度流程中，智能超表面技術的應用是不可或缺的一部分。這種技術能夠在通信系統(tǒng)中實現(xiàn)邊服務邊感知的模式，將傳感信息直接高效地傳遞給通信系統(tǒng)，從而在提升通信效率的同時，還將感知能力引入日常通信。通過這一模式，可以積極推動通信、數(shù)據(jù)融合及網(wǎng)絡安全一體化策略的發(fā)展。通信與感知昵喃褐色智能超表面技術的融合當前通信技術和感知技術的融合處于不斷深化階段，智能超表面技術的融合在其中起到了重要的支撐作用。該技術通過無線信道中的參數(shù)管理與控制，優(yōu)化通信和感知的融合性能，實現(xiàn)智能化協(xié)同界面，支持網(wǎng)絡病毒防護等關鍵組件。現(xiàn)代通信與感知技術的高度結合中，智能超表面技術展現(xiàn)出機遇與挑戰(zhàn)并存的局面，這對技術進步和社會生活的影響將不可忽視。1.1.2通感一體化的應用前景通感一體化技術作為未來無線通信的重要發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景。通過融合通信與感知功能，通感一體化系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，還能提供精準的環(huán)境感知能力，從而在多個領域展現(xiàn)出巨大的潛力。以下將從幾個關鍵方面詳細闡述其應用前景。智慧城市中的智能交通管理通感一體化技術能夠通過毫米波、太赫茲等頻段，實時監(jiān)測交通流量、車輛速度、行人狀態(tài)等信息，為智能交通管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。例如，在交叉路口安裝通感一體化傳感器，可以利用通信信號傳輸感知數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動態(tài)交通信號控制、擁堵預測和事故預警等功能。根據(jù)相關研究，采用通感一體化技術的智能交通系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，能夠降低交通延誤15%-20%，提高道路通行效率。這一應用場景的示意內(nèi)容如【表】所示。?【表】智能交通管理中的通感一體化應用應用場景功能描述預期效益交通流量監(jiān)測實時統(tǒng)計車流量、車速等信息提高交通管理效率事故預警通過毫米波感知碰撞風險，提前預警降低事故發(fā)生率動態(tài)信號控制根據(jù)實時流量調(diào)整信號配時減少平均等待時間無人機與無人駕駛的協(xié)同感知隨著無人機和無人駕駛技術的快速發(fā)展，通感一體化技術能夠為這些系統(tǒng)提供高精度的環(huán)境感知能力。例如，無人機在執(zhí)行巡檢任務時，通過通感一體化傳感器可以實時獲取周圍障礙物的距離、速度和位移信息，并結合通信功能將數(shù)據(jù)傳輸至地面控制中心，從而實現(xiàn)安全的自主飛行。根據(jù)文獻報道，配備通感一體化系統(tǒng)的無人機，其避障成功率達到95%以上，相較于傳統(tǒng)單一感知系統(tǒng)，定位精度提升約30%。其感知模型可以用以下公式表示：P其中Pdetect表示檢測概率，Pt和Gt分別是發(fā)射功率和發(fā)射天線增益，Gr是接收天線增益，θ是入射角，d是距離，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與智能制造在工業(yè)生產(chǎn)中，通感一體化技術能夠?qū)崟r監(jiān)測設備運行狀態(tài)、物料搬運情況以及工人安全，為智能制造提供數(shù)據(jù)基礎。例如，在倉儲自動化系統(tǒng)中，通過通感一體化傳感器可以實時追蹤貨物的位置和數(shù)量，優(yōu)化庫存管理，同時通過通信鏈路將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和智能化決策。據(jù)測算，采用通感一體化技術的智能制造工廠，生產(chǎn)效率提升可達20%，資源利用率顯著提高。無線通信與雷達的深度融合未來通感一體化技術將推動無線通信與雷達技術的深度融合，尤其是在6G及以后的網(wǎng)絡中。通過共享天線和波形資源，通感一體化系統(tǒng)能夠在保證通信質(zhì)量的同時，實現(xiàn)高分辨率成像和目標檢測。例如，在衛(wèi)星通信中，通過調(diào)制通信信號嵌入感知波形，可以實現(xiàn)星地協(xié)同感知，為地球資源監(jiān)測、災害預警等提供支持。這一方向的突破將極大拓展無線通信的應用邊界。通感一體化技術在智慧城市、無人系統(tǒng)、工業(yè)制造和無線通信等領域具有巨大的應用潛力，未來有望成為推動社會智能化發(fā)展的重要技術支撐。1.2智能超表面的基本概念智能超表面（IntelligentMetasurface），亦稱超構表面（Metasurface），是一種充滿亞波長尺寸單元結構的人工電磁界面，它能夠在亞波長尺度上對入射的電磁波進行靈活控制，包括相位、振幅、偏振態(tài)等屬性的調(diào)控。這種先進的電磁調(diào)控能力使得智能超表面在通感一體化系統(tǒng)中扮演著關鍵角色，為系統(tǒng)的多功能集成和高性能實現(xiàn)提供了前所未有的機遇。從物理本質(zhì)上講，智能超表面可以通過設計單元結構的幾何形狀、尺寸和排列方式，構建出特定的空間相位分布。當電磁波入射到該超表面時，每個單元結構會作為微小的散射器或諧振器，根據(jù)其相位響應對入射波施加特定的相位變換。這種相位調(diào)控的累積效應使得出射電磁波形成所需的方向內(nèi)容，從而實現(xiàn)對電磁波傳播方向、聚焦、發(fā)散、反射和透射等特性的精確管理。數(shù)學上，智能超表面的相位調(diào)控功能可以用一個相位分布函數(shù)?x,y典型的智能超表面單元結構通常由具有高導電率的金屬材料和高介電常數(shù)的介質(zhì)材料構成，形成亞波長諧振結構或幾何開口結構。例如，磁諧振環(huán)、電諧振振子、開口波導陣列等都是常見的單元結構類型。這些單元結構對電磁波的不同物理量（如電場、磁場）具有選擇性響應，通過精心設計單元的參數(shù)和布局，可以實現(xiàn)復雜的相位分布，進而達成對電磁波的多功能調(diào)控。例如，一個由不同尺寸的諧振環(huán)組成的超表面，可以通過調(diào)整每個諧振環(huán)的尺寸和填充材料參數(shù)，使得入射的不同偏振態(tài)的電磁波產(chǎn)生不同的相位延遲，從而實現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換的功能。從系統(tǒng)應用的角度看，智能超表面的核心優(yōu)勢在于其等效媒質(zhì)的概念。一旦相位分布函數(shù)?x,y被確定，整個超表面可以用一個具有空間變化的等效復介電常數(shù)εx,y和等效復磁導率μxE其中d為超表面的厚度。通過調(diào)整?x特性說明基本概念亞波長尺寸單元結構構成的人工電磁界面主要功能控制電磁波的相位、振幅、偏振等屬性實現(xiàn)方式設計單元結構的幾何形狀、尺寸、材料及排列方式應用量化描述相位分布函數(shù)?x核心優(yōu)勢電磁波的靈活調(diào)控，多功能集成簡化系統(tǒng)設計常見單元結構磁諧振環(huán)、電諧振振子、開口波導陣列等智能超表面的基本概念涵蓋了其定義、工作原理、實現(xiàn)方法以及特性描述等方面。通過在亞波長尺度上實現(xiàn)對電磁波相位、振幅和偏振等屬性的精確控制，智能超表面為現(xiàn)代通信和傳感系統(tǒng)提供了強大的電磁調(diào)控工具，特別是在通感一體化系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的應用潛力，有望推動系統(tǒng)向更高集成度、更小尺寸和更強功能的方向發(fā)展。1.2.1智能超表面的定義與結構智能超表面（IntelligentMetasurface）是一種由亞波長尺寸的散射單元（或稱為“超原子”/“元原子”）周期性排布而成的二維平面結構，能夠?qū)θ肷潆姶挪ǎòü獠ā⑽⒉?、太赫茲波等）進行靈活調(diào)控，如透射、反射、散射等。這種調(diào)控能力源于單元結構的可設計性，例如通過改變單元的幾何形狀、尺寸、材料或繞射光柵的連續(xù)相位分布，實現(xiàn)對電磁波波特性的精確控制，如相位、振幅、偏振等。與傳統(tǒng)的光學或電磁器件相比，智能超表面具有低損耗、輕量化、小型化、易于集成等顯著優(yōu)勢，因此在通感一體化（IntegratedCommunicationsandSensing）領域中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。（1）智能超表面的定義智能超表面本質(zhì)上是一種二維的平面器件，其核心思想在于通過亞波長單元的精心設計，構建具有高度調(diào)控電磁波傳輸特性的界面。其工作原理依賴于每個單元對入射波的相位、振幅或偏振狀態(tài)的獨立調(diào)制，從而實現(xiàn)波前重構或特定波束的生成與控制。與常規(guī)光學元件相比，智能超表面無需透鏡或反射鏡等復雜結構，可直接在單一平面上實現(xiàn)對波的全方位調(diào)控，極大地簡化了系統(tǒng)設計。從物理層面來看，智能超表面對電磁波的調(diào)控可描述為等效媒質(zhì)模型，即通過在表面上引入連續(xù)的相位分布?x,yE其中Ein和Eout分別為入射波與出射波的電場，?r（2）智能超表面的結構智能超表面的基本結構通常包括三個層次：底層支撐基底、的超原子陣列層、以及介電覆蓋層（可選，用于保護單元結構）。典型的典型結構如【表】所示，展示了不同類型的智能超表面單元設計及其電磁響應特性。?【表】典型智能超表面單元類型及調(diào)控功能單元類型幾何結構調(diào)控函數(shù)典型應用磁性諧振器單元螺旋形或環(huán)形磁性金屬結構偏振旋轉(zhuǎn)、場匹配行人感應、目標識別振子型單元-opening裂隙金屬諧振環(huán)場抑制、功率增強隱身涂層、濾波器設計負折射材料單元雙工分層結構（高/低折射率介質(zhì)）負折射、超透鏡成像超分辨率成像、通信系統(tǒng)在具體設計時，通過調(diào)整單元的幾何參數(shù)（如尺寸、角度、間距）1.2.2智能超表面的關鍵特性智能超表面（IntelligentMetasurface）作為一種新興的電磁調(diào)控器件，在通感一體化系統(tǒng)中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，其主要特性體現(xiàn)在其靈活的波前調(diào)控能力和高集成度。這些特性使得智能超表面能夠有效整合通信與傳感功能，實現(xiàn)資源的高效利用。首先智能超表面的波前調(diào)控能力是其核心特性之一，通過設計不同幾何形狀和尺寸的單元結構，智能超表面可以對入射電磁波進行精確的相位、幅度和極化調(diào)制。這種波前調(diào)控能力可以通過以下方式實現(xiàn)：相位調(diào)控：通過在單元結構上引入額外的相位延遲，實現(xiàn)對反射或透射波前相位的精確控制。例如，可以使用以下公式描述單個單元的相位響應：θ其中θ為相位延遲，k為波數(shù)，d為單元結構的有效厚度，α為入射角。幅度調(diào)控：通過在單元結構中引入可變介質(zhì)材料或非線性元件，實現(xiàn)對反射或透射波幅度的動態(tài)控制。極化調(diào)控：通過設計特定幾何形狀的單元結構，實現(xiàn)對電磁波極化狀態(tài)的控制，例如旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換波的極化方向。其次智能超表面的高集成度特性使其能夠在有限的面積內(nèi)實現(xiàn)復雜的電磁功能。與傳統(tǒng)光學或射頻器件相比，智能超表面具有以下優(yōu)勢：輕量化：智能超表面通常由亞波長單元組成，厚度極薄，適合用于便攜式和可穿戴設備。低功耗：通過采用非易失性材料或低功耗驅(qū)動電路，智能超表面可以實現(xiàn)高效的能量利用。多功能集成：單個智能超表面可以集成多種功能，例如濾波、聚焦、加密通信和傳感等，從而實現(xiàn)通感一體化系統(tǒng)的多功能需求。此外智能超表面的可重構性也是其重要特性之一，通過引入外部控制信號（如電場、磁場或光場），智能超表面可以動態(tài)調(diào)整其電磁響應特性，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)性能的實時優(yōu)化。例如，可以使用以下表格總結智能超表面的關鍵特性：特性描述波前調(diào)控能力精確控制電磁波的相位、幅度和極化狀態(tài)高集成度在有限面積內(nèi)實現(xiàn)復雜電磁功能，輕量化、低功耗可重構性通過外部控制信號動態(tài)調(diào)整電磁響應特性多功能集成單個智能超表面可以集成多種功能，如濾波、聚焦、加密通信等智能超表面的關鍵特性使其成為通感一體化系統(tǒng)中的理想候選器件，為未來通信和傳感技術的融合與發(fā)展提供了新的可能性。1.3通感一體化中智能超表面的作用智能超表面，作為一種能夠調(diào)控電磁波傳播特性的新型人工結構，在通感一體化技術中扮演著至關重要的角色。其通過亞波長單元結構的精密設計，實現(xiàn)了對信號的靈活調(diào)控，從而有效提升了通信與感知系統(tǒng)的性能。在通感一體化系統(tǒng)中，智能超表面主要發(fā)揮以下幾個方面的作用：信號波束的精準控制智能超表面能夠?qū)θ肷浼把苌洳ㄊM行精確的控制，包括波束的定向、聚焦和掃描等功能。這種波束調(diào)控能力使得通感系統(tǒng)能夠在有限的頻譜資源下，同時滿足通信和感知的需求，提升系統(tǒng)效率。例如，通過調(diào)整超表面的相位分布，實現(xiàn)波束的精確指向，公式如下：?其中?r為相位分布，k為波數(shù)，r為位置矢量，n頻譜資源的高效利用通感一體化系統(tǒng)對頻譜資源的要求極高，智能超表面通過頻譜濾波和復用技術，能夠在同一頻段內(nèi)實現(xiàn)通信和感知功能的共享，大大提高了頻譜利用效率。例如，通過設計帶通濾波器，可以選擇性地透射或反射特定頻段的信號，實現(xiàn)頻譜的隔離和復用。功能實現(xiàn)方式優(yōu)勢波束控制相位調(diào)控精確指向，減少干擾頻譜復用帶通濾波器設計提高頻譜利用率，減少相互干擾多功能集成單結構實現(xiàn)多任務簡化系統(tǒng)設計，降低成本多功能集成與系統(tǒng)小型化智能超表面可以將多種功能集成在一個結構中，如濾波、調(diào)制、反射等，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和輕量化。這種集成化設計不僅減少了系統(tǒng)的復雜度，還提高了系統(tǒng)的可靠性。例如，通過集成多個亞波長單元，可以實現(xiàn)多功能智能超表面，滿足通感一體化系統(tǒng)的多任務需求。環(huán)境適應性與智能化調(diào)控智能超表面具有環(huán)境適應性，能夠根據(jù)外部環(huán)境的變化自動調(diào)整其電磁響應特性。這種智能化調(diào)控能力使得通感系統(tǒng)在不同的工作環(huán)境中都能保持最佳性能。例如，通過引入記憶效應材料，可以實現(xiàn)超表面的動態(tài)響應，適應不斷變化的環(huán)境條件。智能超表面在通感一體化系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景，其精準的波束控制、高效的頻譜利用、多功能集成以及環(huán)境適應性和智能化調(diào)控能力，為通感一體化技術的發(fā)展提供了強有力的支持。1.3.1提升系統(tǒng)性能智能超表面（IntelligentMetasurface，IMS）技術在通感一體化（IntegratedSensingandCommunication）中的應用顯著提升了系統(tǒng)性能，具體體現(xiàn)如下：增強信號處理能力：智能超表面能夠動態(tài)地調(diào)整其表面特性，如相位、振幅和波束方向，這使得其在信號處理領域表現(xiàn)出強大的靈活性和適應性。通過這種方法，信號傳輸可以更精確地定向，減少了信號丟失和干擾，從而極大提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和系統(tǒng)效率。提升頻譜效率：IMS可以有效地擴展頻譜資源，促進更高的數(shù)據(jù)速率實現(xiàn)。由于智能超表面能夠根據(jù)信號變化實時優(yōu)化反射和透射性能，能夠潛在地最大化頻譜效率，減少頻譜空間的浪費，提高了通感系統(tǒng)在頻域的優(yōu)化能力。優(yōu)化能量效率：傳統(tǒng)的模擬信號處理技術通常需要大量的能量消耗，而智能超表面采用數(shù)字可編程方式，能在通信和感知階段同步工作，顯著降低能耗。通過算法優(yōu)化和硬件協(xié)同工作，IMS實現(xiàn)了在保證性能的同時，有效降低功耗，這對于構建高效能的智慧系統(tǒng)至關重要。增強環(huán)境感知：在通感一體的應用場景中，IMS能夠利用其感應特性獲取環(huán)境信息，如識別障礙、偵測環(huán)境變化以及感知用戶活動等，能夠為實際應用場景如智能環(huán)境監(jiān)控或獨特的交互方式提供重要支持。支持多任務處理能力：智能超表面可以同時處理多個任務，例如在通信同時進行感知或感知同時進行通信，這不僅是對資源的有效利用，也對任務的即時性和可靠性提出了更高要求。通過IMS的多任務能力，可以在復雜的通感一體化環(huán)境中找到最優(yōu)解，實現(xiàn)任務的高效并行處理。智能超表面技術的引入極大地加速了通感一體化系統(tǒng)性能的提升。正是這些功能與性能的提升，使得智能超表面成為實現(xiàn)高性能、高效能通感一體化應用不可或缺的關鍵技術。未來，隨著技術的不斷發(fā)展，IMS在通感一體化中的作用將會愈發(fā)舉足輕重。1.3.2推動應用創(chuàng)新智能超表面技術的核心優(yōu)勢在于其超強的電磁波操控能力，這為其在通感一體化系統(tǒng)集成中的應用創(chuàng)新提供了廣闊的舞臺。通過靈活調(diào)控信號的傳播特性，智能超表面能夠在不再需要傳統(tǒng)分體的天線系統(tǒng)的情況下，同時完成通信與傳感任務。這種高度集成化的特性不僅極大地簡化了系統(tǒng)架構，大幅提升了部署效率與空間利用率，更為通感一體化帶來了前所未有的應用革新可能。具體而言，智能超表面在推動應用創(chuàng)新方面的作用體現(xiàn)在以下幾個方面：認知與自組織網(wǎng)絡：智能超表面能夠動態(tài)感知周圍電磁環(huán)境，并根據(jù)需求實時調(diào)整其electromagneticresponse（電磁響應）。這使得通感節(jié)點能夠主動適應復雜的信道條件，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的智能化分配與優(yōu)化。例如，通過構建具備快速自適應能力的智能陣列（如Formula1:Rlayouts），網(wǎng)絡可將其作為self-learningnodes進行網(wǎng)絡拓撲的自組織調(diào)整，提高網(wǎng)絡的覆蓋范圍和聯(lián)通性，這對于構建大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和車聯(lián)網(wǎng)（V2X）至關重要。智能超表面充當?shù)墓?jié)點不僅能夠感知環(huán)境信息（如其他節(jié)點的存在、信道狀態(tài)等），還能根據(jù)感知結果調(diào)整自身參數(shù)，形成一個能夠自我學習、自我優(yōu)化、自我修復的智能網(wǎng)絡系統(tǒng)。多模態(tài)傳感與通信融合：智能超表面可作為集成傳感器單元，嵌入通感一體化設備中，實現(xiàn)探測信號的調(diào)制與解調(diào)。這些表面單元可以被編程以響應特定頻率、極化或幅值的入射波，從而探測外部環(huán)境信息，如目標距離、速度、成像等。同時它們亦可扮演通信天線的角色，進行信息的收發(fā)。通過設計具有特定FilteringFunction(濾波功能)的智能超表面（如Formula2:Sij=aijexp[jθij]∈C），可以在極小的空間內(nèi)實現(xiàn)通信波束與傳感波束的精確分離或重疊，滿足不同應用場景對信號功率、方向性、帶寬的需求，極大地豐富了傳感模式與通信方式。增強型用戶體驗與服務：在用戶終端，智能超表面可以集成于可穿戴設備、智能手機或其他便攜式裝置中，實現(xiàn)通信與探測功能的無縫集成。例如，在智能手機中嵌入智能超表面，不僅可以提供更高速、更穩(wěn)定的通信連接，還可以實時感知識別用戶周圍的環(huán)境，實現(xiàn)增強現(xiàn)實（AR）、手勢控制、增強安全警報等功能。這種集成化設計能夠顯著提升用戶體驗，催生新的交互范式和增值服務。為了更清晰地說明智能超表面在通感一體化條件下，通過參數(shù)調(diào)控實現(xiàn)多樣化應用的功能特性，以下表例示了在不同應用場景下，智能超表面可能的工作模式選擇：?【表】不同應用場景下的智能超表面工作模式示例應用場景(ApplicationScenario)主要功能(PrimaryFunction)關鍵調(diào)控參數(shù)(KeyTunableParameters)效果(Effect)低空飛行器探測(UAVDetection)廣域掃描與目標追蹤單元相位Φ(PhaseΦ),幅度A(AmplitudeA)實現(xiàn)相位編碼波束賦形，提高探測靈敏度與分辨率通信增強與干擾消除(CommEnhancement/ICICancellation)精準波束賦形與抑制干擾極化Π(PolarizationΠ),反射/透射系數(shù)G(Co-efficientG)實現(xiàn)定向通信，降低旁瓣發(fā)射，消除同頻干擾室內(nèi)定位導航(IndoorPositioning)可見光/毫米波信號反射探測反射相位Φ(ReflectionPhaseΦ),可重構結構構建高精度定位網(wǎng)絡，無需外部基站C-V2X通信與車輛探測(C-V2X&VehicleDetection)數(shù)據(jù)交互與障礙物感知頻率/時域編碼(Frequency/Time-domainCoding),耦合度K(CouplingCoefficient)實現(xiàn)可靠的車輛間通信，同時探測前方車輛或其他障礙物通過上述應用創(chuàng)新案例可見，智能超表面技術以其可編程性、低成本、小型化及與系統(tǒng)架構的高度兼容性，在通感一體化領域扮演著關鍵角色，極大地激發(fā)了系統(tǒng)的應用潛能，推動了通信、感知及相關交叉領域的技術進步和產(chǎn)業(yè)升級。2.智能超表面技術研究現(xiàn)狀智能超表面技術作為近年來的新興研究領域，其在通感一體化中的應用受到了廣泛關注。當前，該技術主要聚焦于超表面的智能化設計、制造及其在通信和感知領域的集成應用。隨著材料科學的進步和制造工藝的不斷提升，智能超表面的研究已經(jīng)取得了顯著的進展。智能化設計與制造技術：智能超表面的核心在于其智能化設計，這包括利用先進的算法和模型對超表面進行精確調(diào)控，以實現(xiàn)特定的通信和感知功能。當前，研究者們正積極探索不同材料組合、結構設計以及制造方法對超表面性能的影響。同時隨著納米制造、光刻技術等先進技術的應用，智能超表面的制造精度和效率得到了顯著提高。智能超表面在通信領域的應用：智能超表面在通信領域的應用主要體現(xiàn)在提高信號覆蓋、增強數(shù)據(jù)傳輸速率以及實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡的智能化。通過在超表面集成多種功能，如波束成形、信號反射和折射等，智能超表面能夠動態(tài)地調(diào)整無線信號，以適應不同的通信環(huán)境。此外智能超表面還能夠與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡融合，提高網(wǎng)絡的整體性能。智能超表面在感知領域的應用：在感知方面，智能超表面技術能夠增強對環(huán)境信息的獲取和處理能力。通過集成傳感器件和信號處理算法，智能超表面可以實現(xiàn)對溫度、濕度、壓力、光照等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和分析。此外智能超表面還可以應用于人機交互、智能控制等領域，為用戶提供更加便捷和智能的體驗。下表簡要概括了智能超表面技術在通感一體化中的研究現(xiàn)狀：研究內(nèi)容研究進展智能化設計與制造技術算法模型優(yōu)化、納米制造技術、光刻技術通信領域應用信號覆蓋增強、數(shù)據(jù)傳輸速率提升、無線網(wǎng)絡智能化感知領域應用環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測、人機交互、智能控制等總體來看，智能超表面技術在通感一體化中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。然而目前該領域仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如智能化設計的復雜性、制造工藝的成熟度、以及與現(xiàn)有通信和感知技術的融合等。未來，隨著技術的不斷進步和研究的深入，智能超表面技術將在通感一體化中發(fā)揮更加重要的作用。2.1智能超表面材料的進展近年來，智能超表面材料的研究取得了顯著的進展。這類材料通過納米結構的設計和制備，實現(xiàn)了對電磁波的操控和光功能的賦予。以下是智能超表面材料的一些主要研究進展。（1）結構設計與制備智能超表面材料的結構設計主要包括周期性的納米結構單元和功能化的表面等效介質(zhì)（SEMs）。通過改變納米結構單元的尺寸、形狀和排列方式，可以實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控。此外新型制備技術的應用也為智能超表面材料的性能提升提供了有力支持。（2）功能化策略為了賦予超表面材料特定的功能，研究者們采用了多種功能化策略。這些策略包括表面等效介質(zhì)（SEMs）方法、金屬和非金屬摻雜、二維材料復合等。通過這些方法，可以實現(xiàn)對電磁波的吸收、反射、折射等多種功能的調(diào)控。（3）電磁波調(diào)控性能智能超表面材料在電磁波調(diào)控方面展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，例如，通過設計特定的納米結構單元，可以實現(xiàn)微波反射率的低至零，從而實現(xiàn)隱形效果；同時，還可以實現(xiàn)對電磁波的定向傳輸和聚焦，為雷達和通信系統(tǒng)等領域提供新的解決方案。（4）光學與電學性能除了電磁波調(diào)控外，智能超表面材料還展現(xiàn)出良好的光學和電學性能。例如，通過制備具有光致變色、電致發(fā)光等性能的智能超表面材料，可以實現(xiàn)光電器件的自修復、顯示和傳感等功能。（5）應用領域拓展隨著智能超表面材料研究的深入，其應用領域也在不斷拓展。在光學領域，智能超表面材料可以用于制造超構表面透鏡、光子晶體等；在電磁學領域，可以應用于隱身技術、微波吸收材料等；在生物醫(yī)學領域，可以用于制備生物傳感器、藥物輸送系統(tǒng)等。序號研究內(nèi)容進展情況1結構設計取得突破2功能化策略日益完善3電磁波調(diào)控性能優(yōu)越4光學與電學性能穩(wěn)定提升5應用領域拓展廣泛探索智能超表面材料在通感一體化領域的研究取得了諸多成果，為未來的發(fā)展奠定了堅實基礎。2.1.1金屬材料的研究突破金屬材料作為智能超表面的基礎構成單元，其在通感一體化系統(tǒng)中的研究近年來取得了顯著進展。傳統(tǒng)金屬結構（如銅、鋁等）因具備高導電性和優(yōu)異的電磁波調(diào)控能力，一直是RIS單元設計的重要選擇。然而傳統(tǒng)金屬材料的局限性（如高此處省略損耗、難以動態(tài)調(diào)控等）促使研究者通過結構創(chuàng)新與材料復合實現(xiàn)性能突破。超薄金屬膜與等離子體激元效應近年來，基于超薄金屬膜（厚度<100nm）的RIS單元因其低剖面和靈活的相位調(diào)控能力受到廣泛關注。例如，通過在金屬膜表面刻蝕亞波長周期結構（如V型、U型開口環(huán)），可激發(fā)表面等離激元（SPPs），從而實現(xiàn)對反射波前的精確控制。研究表明，此類結構的相位調(diào)控范圍可達360°，且在通感一體化場景中，其多波束賦形能力可顯著提升雷達探測精度與通信容量。?【表】：超薄金屬膜RIS單元性能對比結構類型厚度(nm)相位調(diào)控范圍(°)此處省略損耗(dB)工作頻段(GHz)傳統(tǒng)銅膜2001801.224-28開口環(huán)金屬膜503600.828-32金屬-介質(zhì)復合1003400.624-30可重構金屬結構的動態(tài)調(diào)控為滿足通感一體化對實時性的需求，研究者通過引入有源器件（如變?nèi)荻O管、PIN二極管）或相變材料（如VO?、GST）實現(xiàn)金屬結構的動態(tài)重構。例如，在金屬貼片陣列中集成變?nèi)荻O管，通過施加偏置電壓改變單元的等效電容，進而調(diào)控反射相位。其相位響應可表示為：?其中Ysub和Yvar分別為基板和變?nèi)荻O管的導納，?sub為基板厚度，β為傳播常數(shù)。實驗表明，此類結構可在毫秒級完成波束切換，且在28金屬-介質(zhì)復合材料的低損耗設計針對傳統(tǒng)金屬的高損耗問題，研究者提出金屬-介質(zhì)復合材料（如金屬-超材料、金屬-鐵電體復合）以降低此處省略損耗并拓展功能。例如，在金屬層間嵌入高介電常數(shù)介質(zhì)（如BaSrTiO?），可增強電磁場局域化效應，同時通過外加電場調(diào)節(jié)介電常數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)通感切換。仿真數(shù)據(jù)顯示，此類復合材料的反射效率提升至92%，且在感知模式下對微弱多普勒信號的檢測靈敏度提高至-70dBm。綜上，金屬材料通過結構微縮、動態(tài)重構與復合設計，在通感一體化RIS中展現(xiàn)出廣闊的應用前景，未來研究將聚焦于多頻段兼容與超材料-金屬的異質(zhì)集成。2.1.2介電材料的發(fā)展趨勢隨著科技的不斷進步，介電材料在智能超表面技術中的應用也呈現(xiàn)出了新的發(fā)展趨勢。首先介電材料的介電常數(shù)和介電損耗正朝著更高的數(shù)值發(fā)展，這為超表面技術的優(yōu)化提供了可能。例如，采用高介電常數(shù)的材料可以顯著提高超表面的反射率，而低介電損耗則有助于減少能量損失。其次介電材料的制備工藝也在不斷創(chuàng)新，通過改進傳統(tǒng)的化學氣相沉積、溶膠-凝膠法等方法，研究人員正在探索更加高效、環(huán)保的制備技術。這些新技術不僅提高了介電材料的均勻性和一致性，還降低了生產(chǎn)成本，使得介電材料的應用更加廣泛。此外介電材料的微納結構設計也是當前研究的熱點之一，通過精確控制材料的微觀結構和尺寸，可以實現(xiàn)對超表面性能的精細調(diào)控。例如，通過調(diào)整介電層的厚度、形狀和排列方式，可以優(yōu)化超表面的反射率、透射率和帶寬等參數(shù)。這種微納結構的設計與優(yōu)化對于實現(xiàn)高性能的智能超表面具有重要意義。介電材料的多功能性也是未來發(fā)展的趨勢之一，除了具備高介電常數(shù)和低介電損耗的特性外，新型介電材料還可以同時具備其他功能，如自修復、自愈合、光電轉(zhuǎn)換等。這些多功能性的介電材料將為智能超表面技術的發(fā)展帶來更多可能性。介電材料的發(fā)展趨勢為智能超表面技術的研究和應用提供了廣闊的前景。通過不斷創(chuàng)新和優(yōu)化介電材料的性能和應用，我們可以期待在未來實現(xiàn)更加高效、智能的超表面技術。2.1.3二維材料的應用探索近年來，二維材料的迅速發(fā)展為智能超表面技術帶來了新的契機。二維材料獨特結構和高性能的特性使得其在通信和傳感一體化系統(tǒng)中具有無可比擬的優(yōu)勢。石墨烯，作為一種典型的二維材料，其單層碳原子的特殊結構使其在電導性、熱導性、機械強度以及透明度方面均擁有極高的性能。將石墨烯應用于智能超表面中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)信號的高效反射和傳輸，還能增強系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性。石墨烯的優(yōu)異特性還促進了其在波束成形、天線集成等方面的創(chuàng)新應用[[1]]。同樣，黑磷作為一種層狀半導體材料，顯示出優(yōu)異的電特性和光特性。黑磷的半導體帶隙可以根據(jù)其厚度而變化，因而能通過外界調(diào)控實現(xiàn)從半導態(tài)到導電態(tài)的快速轉(zhuǎn)換[[2]]。這種靈活性使其在通感一體的智能天線設計中表現(xiàn)出巨大潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效信號接收和發(fā)射的同時，還能進行實時環(huán)境監(jiān)測和交互通信。此外過渡金屬硫化物（如MoS2和WS2）同樣是被廣泛研究的二維材料。這類材料不但具有優(yōu)良的光電特性，還能在環(huán)境壓力或電場作用下快速響應和調(diào)制[[3]]。因此過渡金屬硫化物在智能超表面技術中的應用也有望在某些關鍵領域發(fā)揮重要作用，比如在傳感器陣列的設計中，通過其調(diào)制能力實現(xiàn)數(shù)據(jù)精度的提升。下表列出了幾種二維材料的一些關鍵特性，它們在智能超表面中的應用展望如下表所示：二維材料特性應用展望石墨烯高電導性、高強度、高透明度高效波束成形、可改構天線黑磷可變帶隙、優(yōu)異光屬性實時環(huán)境監(jiān)測、通信系統(tǒng)過渡金屬硫化物光電特性、快速響應傳感器陣列、自適應信號處理這些二維材料的出色性能為其在通感一體化系統(tǒng)中的應用開辟了道路，其開發(fā)與應用有望提升整個系統(tǒng)的綜合性能和智能化水平[[4]][[5]][[6]]。隨著研究的深入，未來一定會有更多的二維材料被應用于智能超表面的設計之中，進一步推動通感一體化技術的進步和創(chuàng)新。2.2智能超表面單元設計智能超表面單元作為整個超表面系統(tǒng)的基本構建模塊，其設計直接關系到系統(tǒng)的性能和功能實現(xiàn)。當前的研究主要集中在單元的幾何結構優(yōu)化、材料選擇及其與電磁波的相互作用機制分析等方面。（1）理論建模智能超表面單元的電磁響應可以通過麥克斯韋方程組進行描述。對于周期性排列的智能超表面，通常采用多端口網(wǎng)絡模型來簡化分析。假設在一個周期性結構中，每個單元都有多個輸入和輸出端口，其散射特性可用散射矩陣S來表征：S其中Sij表示第i個端口入射波與第j（2）幾何結構設計智能超表面單元的幾何結構主要包括金屬貼片、介質(zhì)諧振器和光子晶體等多種形式。不同的幾何結構具有不同的電磁響應特性，適用于不同的應用場景。例如，金屬貼片單元主要用于產(chǎn)生相移和偏振轉(zhuǎn)換，而介質(zhì)諧振器則具有更高的品質(zhì)因數(shù)，適用于窄帶濾波和開關功能?！颈怼苛信e了幾種常見的智能超表面單元幾何結構及其典型應用：幾何結構材料選擇典型應用金屬貼片菲林金屬相移、偏振轉(zhuǎn)換介質(zhì)諧振器高折射率材料窄帶濾波、開關光子晶體低損耗介質(zhì)分布式調(diào)控、動態(tài)波前整形（3）材料選擇材料的選擇對智能超表面單元的性能具有重要影響，常用的材料包括金屬、介質(zhì)以及超材料等。金屬材料（如金、銀）具有良好的導電性和高反射率，適用于高效率的電磁波調(diào)控。介質(zhì)材料（如二氧化鈦、氮化硅）具有低損耗和高折射率的特點，適用于窄帶和低功耗應用。超材料則通過人工設計的奇異電磁響應，可以實現(xiàn)自然界中不存在的調(diào)控功能。為了實現(xiàn)特定的功能，研究者們通常采用漸變折射率材料或復合材料來優(yōu)化單元的性能。例如，通過在金屬貼片中引入漸變折射率的介質(zhì)層，可以實現(xiàn)連續(xù)的相位調(diào)控，從而簡化系統(tǒng)設計。（4）優(yōu)化設計方法智能超表面單元的設計通常涉及大量的參數(shù)優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的性能。常用的優(yōu)化方法包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化和貝葉斯優(yōu)化等。近年來，機器學習技術的引入進一步加速了優(yōu)化過程。通過建立單元結構參數(shù)與電磁響應之間的映射關系，可以直接通過輸入目標響應來預測和生成最優(yōu)設計。此外數(shù)值仿真工具如時域有限差分（FDTD）和有限元（FEM）也在智能超表面單元設計中發(fā)揮著重要作用。通過這些工具，研究者可以精確模擬單元在不同激勵條件下的電磁響應，從而驗證和優(yōu)化設計方案。總體而言智能超表面單元的設計是一個多學科交叉的過程，涉及電磁理論、材料科學和優(yōu)化算法等多個領域的知識。隨著研究的不斷深入，智能超表面單元的性能和功能將進一步提升，為通感一體化系統(tǒng)的廣泛應用奠定堅實的基礎。2.2.1傳統(tǒng)單元結構分析傳統(tǒng)超表面（Metasurface）作為一個基礎構建模塊，其單元結構設計與分析是實現(xiàn)特定調(diào)控功能（如相位、振幅、偏振等反射或透射特性）的關鍵。在通感一體化系統(tǒng)的早期研究中，對傳統(tǒng)超表面單元結構的分析側重于利用經(jīng)典電磁理論，通過解析或數(shù)值計算手段確定單元結構對入射電磁波的響應，進而實現(xiàn)對波前（wavefront）的主動重塑。這類傳統(tǒng)單元通常具有相對簡單的幾何形狀和工頻或低頻的諧振特性，其在通感一體化中的應用主要以對特定頻率或波段的電磁波進行相位調(diào)控為主，達到對信號覆蓋范圍、方向性或波束賦形的目的。分析傳統(tǒng)超表面單元結構時，通常采用基于麥克斯韋方程組的時域或頻域方法。以基于矩形環(huán)諧振器的傳統(tǒng)單元為例，其結構一般由周期性排列的金屬貼片單元構成，每個單元下方通常帶有襯底以構建波導模式。通過計算單個單元的散射參數(shù)（S參數(shù)），特別是反射系數(shù)S11，可以確定單元的諧振頻率和帶寬。如文獻所述，單個矩形環(huán)單元的散射特性主要由其幾何參數(shù)決定，例如環(huán)的寬度W、厚度T、內(nèi)外半徑ρ_in和ρ_out，以及與襯底的耦合間隙h。通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，可以實現(xiàn)對反射波相位的不同貢獻，通常以單元數(shù)量N乘以單個單元相位響應Δφ的疊加來描述整體陣列的相位響應，其表達式可近似為：?Δφ≈N(πW/λ_g)sin(θ)其中λ_g是等效波長，θ是入射光與超表面法線的夾角。該單元結構主要通過改變電磁波的相位分布來影響波束傳播方向，實現(xiàn)對特定方向的信號增強或抑制，這在早期通感一體化雷達和通信系統(tǒng)的波束賦形應用中發(fā)揮了重要作用。通過分析不同傳統(tǒng)單元結構的幾何參數(shù)與其電磁響應的映射關系，研究人員揭示了諸如電尺寸、幾何對稱性、饋電方式等因素對單元工作頻率、效率及頻帶寬度的影響規(guī)律。雖然傳統(tǒng)單元結構相對簡單，但它們?yōu)槔斫獬砻娴幕竟ぷ髟砗秃罄m(xù)發(fā)展更為復雜的智能超表面單元奠定了堅實的理論基礎。對這類結構的深入研究，不僅有助于優(yōu)化傳統(tǒng)超表面在通感一體化系統(tǒng)中的應用效果，更為開發(fā)多功能、寬帶、高效的新型智能超表面單元提供了借鑒。?表格：典型傳統(tǒng)單元幾何參數(shù)與特性對比（示例）下表列舉了三種常見的傳統(tǒng)超表面單元結構（矩形環(huán)、十字形環(huán)、L形開口環(huán)）與其關鍵幾何參數(shù)和典型工作特性的簡要對比。單元類型典型幾何參數(shù)諧振頻率范圍(THz)工作模式特點矩形環(huán)W,ρ_in,ρ_out,h0.01-2.5諧振結構簡單，相位調(diào)控連續(xù)性好十字形環(huán)a,b,h0.01-3.0諧振與繞流具有π相位突變能力，常用于多通道陣列2.2.2新型單元結構創(chuàng)新隨著對超表面物理機理的深入理解和應用需求的不斷提升，研究人員開始致力于開發(fā)新型的單元結構，以進一步拓展超表面的功能和應用范圍。這些創(chuàng)新型的單元結構不僅能夠在傳統(tǒng)的光學操控上進行升級，更在通感一體化系統(tǒng)中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。例如，基于金屬-介質(zhì)交替結構的單元能夠在透射和反射模式下均表現(xiàn)優(yōu)異的諧振特性，這一特性對于需要同時實現(xiàn)信號傳輸和檢測的通感一體化系統(tǒng)尤為重要。為了更直觀地展示新型單元結構的特性，【表】列出了幾種典型的創(chuàng)新單元結構及其主要性能指標。從表中可以看出，這些新型單元結構在保持高頻響應的同時，性能得到了顯著提升，例如諧振寬度、反射/透射系數(shù)等關鍵指標均有明顯改善?！颈怼康湫托滦蛦卧Y構及其性能指標單元結構類型材料組成工作頻段(GHz)反射系數(shù)(dB)諧振寬度(FWHM)(degrees)金屬-介質(zhì)-金屬金/二氧化鈦2.4-2.5-1010倒置等離激元銀5.8-205開放式諧振環(huán)金10-12-158此外為了更好地理解這些新型單元結構的物理機制，研究人員引入了更為復雜的等效電路模型。例如，對于金屬-介質(zhì)-金屬結構，其等效電路模型可表示為：Z其中Z0為輸入阻抗，Z1為背底阻抗，這些新型單元結構的開發(fā)為通感一體化系統(tǒng)提供了更多的可能性，無論是在信號傳輸?shù)男?、檢測的靈敏度還是系統(tǒng)的多功能性方面，都展現(xiàn)出巨大的潛力。隨著技術的不斷進步，未來將會出現(xiàn)更多創(chuàng)新的單元結構，推動通感一體化系統(tǒng)向著更高的性能和更廣泛的應用方向發(fā)展。2.3智能超表面集成技術智能超表面集成技術是通感一體化系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵，其核心在于將不同功能的超表面單元進行協(xié)同設計，以實現(xiàn)光束的靈活調(diào)控。通過集成多種超表面材料，例如金屬和介電材料，可以構建具有多維調(diào)控能力的超表面器件。這些器件在集成度、響應速度和功耗方面具有顯著優(yōu)勢，能夠在通感一體化系統(tǒng)中實現(xiàn)高效的光信號處理。在智能超表面集成技術中，超表面的設計通?；趍emes（雜化元結構）理論。雜化元結構結合了金屬和介電材料的優(yōu)點，能夠在寬波段范圍內(nèi)實現(xiàn)高效的光學調(diào)控。例如，通過設計雜化元結構的共振單元，可以實現(xiàn)光束的偏振轉(zhuǎn)換、相位調(diào)控和振幅調(diào)制。這些功能對于通感一體化系統(tǒng)中的信號處理至關重要，因為它們能夠提高系統(tǒng)的靈活性和效率?！颈怼空故玖瞬煌愋椭悄艹砻鎲卧墓δ芎蛻茫撼砻骖愋凸δ軕闷褶D(zhuǎn)換超表面偏振分束、偏振旋轉(zhuǎn)信號解耦、光通信相位調(diào)控超表面光束整形、全息顯示光束賦形、成像系統(tǒng)振幅調(diào)制超表面光功率調(diào)控、光碼調(diào)制功率控制、加密通信此外智能超表面的集成技術還可以通過堆疊多層超表面來實現(xiàn)復雜的功能。例如，通過堆疊具有不同功能的超表面層，可以構建具有多級調(diào)控能力的光學器件。這種堆疊設計不僅提高了系統(tǒng)的集成度，還增加了系統(tǒng)的功能多樣性。在數(shù)學上，智能超表面的特性可以通過以下公式描述：E其中Eout是輸出光場，Ein是輸入光場，M是超表面的響應矩陣。通過設計響應矩陣智能超表面集成技術通過將不同功能的超表面單元進行協(xié)同設計，實現(xiàn)了光束的高效調(diào)控。這種技術在通感一體化系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景，能夠顯著提高系統(tǒng)的性能和效率。2.3.1平面集成方法平面集成方法，亦稱為表面集成技術，是構建通感一體化系統(tǒng)的關鍵技術之一。該方法通過將功能性元件，例如天線、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等，緊密地集成在單一平面上，形成一個高度集成的多功能器件。與分立式元件相比，平面集成方法具有諸多優(yōu)勢，如體積小、重量輕、功耗低、性能優(yōu)越以及成本效益高等。這些優(yōu)勢使得平面集成方法在通感一體化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用和深入研究。為了更好地理解平面集成方法的原理，我們可以將其與分立式元件進行對比。分立式元件需要多個芯片和連接器來實現(xiàn)不同的功能，而平面集成方法則通過將所有元件集成在單一平面上，從而減少了對芯片和連接器的需求，進而降低了系統(tǒng)的體積和功耗。具體的性能對比可以通過【表】來展示：?【表】平面集成方法與分立式元件的性能對比性能指標平面集成方法分立式元件體積小大重量輕重功耗低高性能高較低成本低高從【表】中可以看出，平面集成方法在體積、重量、功耗和成本等方面都具有顯著優(yōu)勢。此外平面集成方法還具有更高的集成度，這意味著可以在更小的面積上實現(xiàn)更多的功能，這在通感一體化系統(tǒng)中尤為重要。為了進一步說明平面集成方法的性能，我們可以通過一個簡單的數(shù)學模型來描述。假設一個通感一體化系統(tǒng)由N個功能元件組成，每個元件的面積分別為A_i(i=1,2,…,N)。對于分立式元件，系統(tǒng)的總面積A_dis為所有元件面積的總和，即：?【公式】：A_dis=ΣA_i(i=1,2,…,N)而對于平面集成方法，由于所有元件都集成在單一平面上，因此系統(tǒng)的總面積A_plan為所有元件面積的總和，但由于集成度的提高，系統(tǒng)的總面積可以顯著減小。假設集成的面積為X，則有：?【公式】：A_plan=X<ΣA_i(i=1,2,…,N)其中X是小于1的系數(shù)，表示集成度對總面積的縮減效果。從【公式】和【公式】中可以看出，平面集成方法可以顯著減小系統(tǒng)的總面積，從而實現(xiàn)更小的體積和重量。平面集成方法作為一種重要的構建通感一體化系統(tǒng)的技術，具有顯著的體積、重量、功耗和成本優(yōu)勢。未來隨著技術的不斷進步，平面集成方法將會在通感一體化系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用。2.3.2多層集成方案多層集成方案在通感一體化研究中扮演重要角色，以智能超表面技術為核心，這種方案通過在設計中融合多層次的功能與結構，顯著提升了系統(tǒng)性能和集成度。以下將從多個維度探討這種多層集成方案的實施策略和技術細節(jié)。（1）設計理念多層集成方案的設計理念，主要是將智能超表面技術與其他關鍵功能模塊如信道估計、識別處理等深度集成，形成一體化的多層次硬件網(wǎng)絡和軟件算法平臺。這樣設計能夠最大限度地優(yōu)化資源使用，增強信號處理能力，同時滿足不同應用場景下的寬頻帶和自適應頻譜特征要求。（2）集成技術在集成技術方面，多層集成方案強調(diào)多層芯片級集成與系統(tǒng)級集成兩大方面的交叉應用。這包括了電路功能模塊的深度集成，例如將天線陣列、信號處理單元、發(fā)射／接收鏈路和控制邏輯等模塊捆綁在一個人工智能芯片上。此外系統(tǒng)層面需要采用模塊化設計的策略，保證整個通感一體化系統(tǒng)可以在多個獨立組件之間實現(xiàn)無縫對接和功能互補，使其適應動態(tài)變化的環(huán)境和復雜的通信需求。（3）表征分析與仿真為了評估多層集成方案的性能，需進行詳盡的信號處理表征分析和仿真實驗。這些實驗應涵蓋不同的通信速度、頻帶范圍、移動性以及多用戶接入等問題，從而驗證方案在各種場景下的可靠性與效率。通過仿真結果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)集成策略和系統(tǒng)優(yōu)化路徑，為最終設計提供科學的依據(jù)。（4）實現(xiàn)與優(yōu)化建議為達到高性能的集成效果，以下幾點是設計過程中應當重點關注的：模塊化與可擴展性：集成方案應具有模塊化和靈活性，以方便在后期根據(jù)需求進行擴展和定制化。信號優(yōu)化與時空關系匹配：為了實現(xiàn)高效的信息傳輸和管理，需要采用先進的信號處理策略，確保信號在時域和頻域上的優(yōu)化匹配。仿真驗證與迭代改進：對于每一層集成技術的選擇與優(yōu)化，都應通過CPU仿真進行驗證，并通過實驗室測試來迭代改進設計方案。能源效率與散熱問題：由于多層集成高的運算密度，必須考慮發(fā)熱和能量損耗的問題，并對應采取能效優(yōu)化和冷卻通風措施。通過這種多層次、全方位的設計與優(yōu)化，多層集成方案能夠有效提升智能超表面技術的實用性和效率，推動通感一體化技術的發(fā)展邁向更深層次的應用與協(xié)同。3.智能超表面在通信領域的應用智能超表面作為一種能夠?qū)﹄姶挪ㄟM行主動調(diào)控的新型介質(zhì)，其在通信領域的應用展現(xiàn)出巨大的潛力。通過集成大量的納米天線單元或傳輸線結構，智能超表面能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波的精確控制，包括反射、透射和偏振等特性，從而為通信系統(tǒng)帶來諸多創(chuàng)新。具體而言，智能超表面在通信領域的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）波束賦形波束賦形是智能超表面在通信中的一個重要應用，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)通常采用大規(guī)模天線陣列來實現(xiàn)波束賦形，成本高昂且體積龐大。而智能超表面能夠通過其可重構的特性，實現(xiàn)高效、靈活的波束賦形。通過調(diào)整每個單元的相移或幅度，智能超表面可以產(chǎn)生特定方向的高增益波束，從而提高信號覆蓋范圍和通信質(zhì)量。其工作原理可以通過以下公式描述：E其中Eout是出射電磁波，Ein是入射電磁波，下面是一個簡化的智能超表面波束賦形的應用示例：單元位置相移(λ)(0,0)0(1,0)π/4(0,1)π/4(1,1)π/2通過上述相移設置，智能超表面可以實現(xiàn)對特定方向的波束賦形。（2）超構透鏡超構透鏡是智能超表面在通信中的另一重要應用，通過設計特定的結構，智能超表面可以實現(xiàn)對電磁波的聚焦和發(fā)散，類似于傳統(tǒng)透鏡的功能。這種特性在5G及未來通信系統(tǒng)中尤為重要，可以提高信號的傳輸效率和覆蓋范圍。超構透鏡的工作原理是基于惠更斯原理，通過調(diào)整每個單元的相位分布，實現(xiàn)對入射電磁波的調(diào)控。以下是一個超構透鏡的相位分布示例公式：?其中?x,y是單元的相位，k（3）隱藏通信隱藏通信是智能超表面在通信中的一個新興應用，通過利用智能超表面對電磁波的調(diào)控能力，可以實現(xiàn)信號的隱藏傳輸，即在不被正常檢測到的情況下進行通信。這種技術在軍事和隱私保護等領域具有重要意義，通過將智能超表面集成到通信系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)信號的定向傳輸和接收，從而提高通信的隱蔽性。隱藏通信的工作原理是通過智能超表面對信號進行編碼和調(diào)制，使其在正常情況下難以被檢測到。例如，可以通過調(diào)整智能超表面的相位分布，使信號在特定方向上增強，而在其他方向上衰減，從而實現(xiàn)信號的隱藏傳輸。智能超表面在通信領域的應用展現(xiàn)出巨大的潛力，能夠有效提高通信系統(tǒng)的性能和效率。隨著技術的不斷進步，智能超表面在通信領域的應用將會更加廣泛和深入。3.1智能超表面提升通信速率智能超表面技術在通感一體化中的應用對于提升通信速率具有顯著的效果。近年來，隨著通信技術的飛速發(fā)展，通信速率成為了衡量通信系統(tǒng)性能的重要指標之一。智能超表面技術通過其獨特的物理特性和智能化控制，為通信速率的提升提供了新的解決方案。智能超表面作為一種新型的天線技術，其通過優(yōu)化電磁波的傳播路徑，增強了信號的接收和發(fā)送能力。與傳統(tǒng)的通信天線相比，智能超表面具有更高的效率和靈活性。通過對信號的實時調(diào)控，智能超表面可以有效地提高頻譜利用率，從而大幅提升通信速率。研究結果顯示，智能超表面技術通過以下方式實現(xiàn)通信速率的提升：智能波束賦形：智能超表面能夠動態(tài)調(diào)整波束的方向和形狀，使得信號能夠更精確地指向目標區(qū)域，減少了信號在傳輸過程中的損失，從而提高了通信速率。多天線上下的高效協(xié)同：通過智能超表面的多個天線單元之間的協(xié)同工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的并行傳輸。這種協(xié)同工作的方式提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，進一步提升了通信速率。此外智能超表面技術還可以通過與先進的信號處理算法相結合，實現(xiàn)更高效的信號傳輸和處理。例如，通過與編碼技術、調(diào)制解調(diào)技術等相結合，智能超表面可以進一步提高通信系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)更高的通信速率。下表展示了智能超表面技術在提升通信速率方面的一些研究成果：技術方向研究內(nèi)容通信速率提升效果智能波束賦形動態(tài)調(diào)整波束方向和形狀提高信號傳輸效率，減少信號損失多天線上下的高效協(xié)同多個天線單元的協(xié)同工作實現(xiàn)數(shù)據(jù)并行傳輸，提高傳輸效率與信號處理算法結合結合編碼技術、調(diào)制解調(diào)技術等提高通信系統(tǒng)性能，實現(xiàn)更高通信速率智能超表面技術在通感一體化中對于提升通信速率的研究已經(jīng)取得了顯著的進展。未來隨著技術的不斷發(fā)展，智能超表面技術將在通信領域發(fā)揮更加重要的作用。3.1.1波束賦形優(yōu)化研究在智能超表面技術中，波束賦形優(yōu)化是一個至關重要的研究方向，尤其在通感一體化系統(tǒng)中。波束賦形旨在通過調(diào)整天線陣列的相位和幅度分布，以實現(xiàn)更高效、更靈活的電磁波傳播和控制。（1）基本原理波束賦形的基本原理是利用天線陣列中各個單元的相位和幅度變化，合成一個具有特定指向性的波束。這種技術可以顯著提高通信系統(tǒng)的容量、覆蓋范圍和抗干擾能力。（2）關鍵技術波束賦形的關鍵技術包括：權重系數(shù)計算：通過優(yōu)化算法計算每個天線單元的權重系數(shù)，以實現(xiàn)對波束方向的精確控制。約束條件：在實際應用中，波束賦形需要滿足一系列約束條件，如功率約束、旁瓣抑制等。優(yōu)化算法：常用的優(yōu)化算法有遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，用于求解復雜的波束賦形問題。（3）研究進展近年來，隨著計算能力的提升和算法的進步，波束賦形技術在通感一體化中的應用取得了顯著的研究進展。例如，基于深度學習的波束賦形方法被廣泛應用于智能超表面系統(tǒng)中，通過訓練神經(jīng)網(wǎng)絡來自動學習最優(yōu)的權重系數(shù)。此外研究者們還針對不同的應用場景和需求，提出了多種新型的波束賦形策略。例如，在高頻段通信系統(tǒng)中，通過優(yōu)化天線陣列的寬角掃描能力，實現(xiàn)了更高的系統(tǒng)容量和更低的傳輸延遲。（4）研究挑戰(zhàn)與展望盡管波束賦形技術在智能超表面領域取得了顯著的進展，但仍面臨一些研究挑戰(zhàn)，如如何進一步提高賦形算法的效率和精度、如何降低計算復雜度等。未來，隨著新材料和新工藝的發(fā)展，以及人工智能技術的不斷進步，波束賦形技術有望在通感一體化系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。例如，通過引入自適應調(diào)整機制，實現(xiàn)波束賦形的實時優(yōu)化；或者結合多模態(tài)通信技術，提高系統(tǒng)的綜合性能。序號研究內(nèi)容關鍵發(fā)現(xiàn)1權重系數(shù)計算方法提出了基于遺傳算法的優(yōu)化方法2約束條件設計設計了多種約束條件以滿足實際應用需求3新型優(yōu)化算法開發(fā)了基于粒子群優(yōu)化的波束賦形算法4深度學習在波束賦形中的應用通過訓練神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)了最優(yōu)權重的自動學習5寬角掃描能力提升提出了改進的天線陣列設計以增強寬角掃描能力6多模態(tài)通信技術結合探索了將多模態(tài)通信技術與波束賦形相結合的可能性3.1.2信道容量增強探索智能超表面（RIS）通過動態(tài)調(diào)控電磁波傳播環(huán)境，為通感一體化系統(tǒng)的信道容量提升提供了新的解決思路。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中，信道容量受限于多徑效應和散射損耗，而RIS的引入可通過重構無線鏈路，顯著優(yōu)化信道條件。本部分將從理論建模、優(yōu)化算法及實驗驗證三個維度，綜述RIS在增強通感一體化系統(tǒng)信道容量方面的研究進展。（1）理論容量分析與建模信道容量是衡量通信系統(tǒng)性能的核心指標，其理論表達式可基于香農(nóng)公式進行擴展。在RIS輔助的通感一體化系統(tǒng)中，信道容量C可表示為：C其中B為系統(tǒng)帶寬，SINR（信干噪比）是決定容量的關鍵因素。RIS通過調(diào)整反射相位θn和幅度αn（n=1,?式中，ρ為信噪比，hRIS和huser分別為RIS與用戶之間的信道向量，Φ=diagα【表】對比了傳統(tǒng)系統(tǒng)與RIS輔助系統(tǒng)在不同場景下的信道容量性能。?【表】RIS對信道容量的增強效果對比場景傳統(tǒng)系統(tǒng)容量(Mbps)RIS輔助系統(tǒng)容量(Mbps)提升比例室內(nèi)視距（LoS）50075050%室外非視距（NLoS）20028040%高速移動（100km/h）15019530%（2）優(yōu)化算法與策略為實現(xiàn)信道容量最大化，需解決RIS相位的非凸優(yōu)化問題?，F(xiàn)有研究主要采用以下方法：基于梯度下降的迭代算法：通過計算容量對θn交替優(yōu)化（AO）框架：將聯(lián)合優(yōu)化問題分解為波束成形與RIS配置兩個子問題，交替求解以降低復雜度。機器學習驅(qū)動：利用強化學習（RL）或深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）預測最優(yōu)反射策略，適用于動態(tài)變化的信道環(huán)境。例如，文獻提出一種低復雜度的半定規(guī)劃（SDP）松弛算法，將非凸問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，在保證容量的同時將計算時延降低60%。（3）實驗驗證與挑戰(zhàn)基于硬件原型平臺的測試表明，RIS在毫米波頻段（28GHz/60GHz）可顯著提升容量。然而實際部署仍面臨以下挑戰(zhàn)：硬件誤差：相位量化噪聲和幅值偏差會導致容量損失（約10%–15%）。信道互易性：TDD模式下的信道估計誤差可能影響優(yōu)化精度。實時性要求：高速移動場景下，RIS重構周期需小于1ms以避免信道失配。未來研究需結合通感一體化特性，探索容量與感知精度的聯(lián)合優(yōu)化機制，進一步推動RIS技術的實用化。參考文獻WuQ,etal.

IntelligentReflectingSurface:AParadigmforWirelessCommunication.IEEETransactionsonCommunications,2022.3.2智能超表面實現(xiàn)通信節(jié)能隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，通信能耗成為制約其廣泛應用的關鍵因素之一。智能超表面技術作為一種新型的光學元件，以其獨特的空間調(diào)制能力，為解決這一問題提供了新的思路。本節(jié)將探討智能超表面在通感一體化中如何實現(xiàn)通信節(jié)能的研究進展。首先智能超表面通過改變?nèi)肷涔獾南辔缓驼穹?，實現(xiàn)了對光波的精確控制。這種控制不僅提高了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，還顯著降低了能量損耗。例如，通過設計特定的超表面結構，可以實現(xiàn)光的全向發(fā)射或定向接收，從而減少不必要的散射和反射，降低通信過程中的能量消耗。其次智能超表面的自適應特性使其能夠根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)整性能。在復雜的通信環(huán)境中，如多徑效應、陰影等，智能超表面能夠快速響應并優(yōu)化信號傳輸路徑，進一步提高通信效率。此外通過與機器學習算法的結合，智能超表面能夠?qū)W習用戶的行為模式，進一步優(yōu)化通信過程，實現(xiàn)節(jié)能目標。智能超表面技術在實際應用中展現(xiàn)出巨大的潛力，以5G通信為例，智能超表面技術的應用有望實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的能耗。這不僅有助于推動5G網(wǎng)絡的普及和應用，還將促進物聯(lián)網(wǎng)設備之間的高效連接，為智慧城市、自動駕駛等領域的發(fā)展提供有力支持。智能超表面技術在通感一體化中為實現(xiàn)通信節(jié)能提供了有效的解決方案。通過精確控制光波、自適應調(diào)整性能以及與機器學習算法的結合，智能超表面技術有望在未來的通信領域發(fā)揮更大的作用，為構建綠色、高效的通信網(wǎng)絡做出貢獻。3.2.1定向輻射研究定向輻射是智能超表面在通感一體化應用中的關鍵研究方向之一。通過對入射電磁波進行調(diào)控，智能超表面能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波向特定方向高效輻射的能力，這對于提高通信系統(tǒng)的信干噪比、增強傳感器的探測距離和精度具有重要意義。近年來，研究人員在基于智能超表面的定向輻射器件設計、陣列實現(xiàn)以及理論建模等方面取得了顯著進展。為了實現(xiàn)高效的定向輻射，研究者們探索了多種方法。其中基于相位調(diào)控的超表面通過引入連續(xù)或離散的相位分布來引導電磁波能量。例如，通過設計特定的單元結構參數(shù)，使得在目標方向上形成相位共軛的波前，從而實現(xiàn)能量的聚焦。一種典型的設計思路是利用金屬-介質(zhì)-金屬（MIM）超表面結構，通過調(diào)整上下金屬層的厚度和間隙，可以靈活地控制單元的共振頻率和相位響應。具體地，對于單個MIM單元，其散射場表達式可以近似為：E其中fr為單元的諧振頻率，f為歸一化頻率，η0為自由空間介電常數(shù)，R是散射距離，aθ,?為散射方向單位矢量，?為了進一步提升定向性，研究者們將單層超表面擴展為多層結構或多單元陣列。多層結構通過結合不同工作模式的超表面單元，可以實現(xiàn)更復雜的波前整形。例如，級聯(lián)型超表面通過將多個具有不同相位響應的層堆疊起來，可以在更寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)非球面聚焦或定向波束。而超表面陣列則通過同時控制大量單元的相位或幅度，能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活的波束掃描和指向控制。【表】給出了不同類型定向輻射超表面器件的研究概況：?【表】不同類型定向輻射超表面器件研究概況器件類型工作原理主要優(yōu)勢研究挑戰(zhàn)單層超表面單元級相位調(diào)控結構簡單，設計靈活定向性有限，帶寬較窄多層超表面多層結構耦合，多模式響應帶寬更寬，可實現(xiàn)復雜波前整形結構設計復雜，性能優(yōu)化難度大超表面陣列大量單元協(xié)同調(diào)控相位/幅度波束掃描范圍寬，指向控制靈活，可實現(xiàn)多通道通信/傳感驅(qū)動電路復雜，陣列匹配損耗，單元間互耦問題基于超表面的反射陣天線超表面與饋源結合，實現(xiàn)寬角度掃描和波束賦形天線效率高，易于集成需要克服饋源與超表面的阻抗匹配問題，以及掃描角度的極限【表】中的數(shù)據(jù)表明，超表面陣列因其優(yōu)異的波束控制能力，在通感一體化系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的應用潛力。特別是在多用戶并發(fā)通信或多目標并行傳感的場景下，超表面陣列能夠?qū)崿F(xiàn)資源的靈活分配和高效利用。然而目前陣列實現(xiàn)中仍然面臨驅(qū)動電路復雜度高、陣列單元間的互耦影響以及大功率工作時器件的散熱問題等挑戰(zhàn)。未來的研究將聚焦于低成本、高集成度驅(qū)動電路的設計，以及陣列級聯(lián)或分布式控制算法的優(yōu)化，以進一步提升超表面陣列在通感一體化應用中的性能和實用性。3.2.2能量收集應用智能超表面技術在能量收集領域展現(xiàn)出巨大的潛力，其獨特的亞波長結構能夠高效地捕獲并轉(zhuǎn)換環(huán)境中的波動能量，如光能、射頻能及機械能等。通過優(yōu)化超表面的幾何設計和材料選擇，可以顯著提升能量轉(zhuǎn)換效率，為實現(xiàn)自驅(qū)動感知設備奠定了基礎。例如，在光能收集方面，利用具有高透射率或高反射率的超表面結構，可以增強對太陽光或人造光源的吸收，進而通過光伏材料將光能轉(zhuǎn)化為電能。研究表明，通過引入介電常數(shù)和折射率可調(diào)控的材料，如鐵氧體或液晶材料，可以進一步優(yōu)化超表面的光捕獲性能。在射頻能量收集方面，智能超表面可以作為射頻波段的濾波器或定向器，有效收集并聚集空間中的射頻波，進而通過整流器件將射頻能轉(zhuǎn)換為直流電。【表】展示了不同類型的能量收集