智能超曲面(RIS)技术具有低成本、低能耗、可编程和易部署的特点。通过构建智能可控的无线环境，RIS有机会突破传统无线通信的束缚，为未来的移动通信网络带来新的范式，因此具有广阔的技术和产业前景。认为在当前和未来的应用中，需要明确智能超曲面技术在理论模型、应用技术、工程研究和标准化推进等方面面临的诸多问题和挑战。
1、研究背景
随着无线网络容量需求的持续快速增长，无处不在的无线连接将在未来十年成为现实，“通信-感知-计算”的一体化网络也将成为可能。然而，高度复杂的网络、高成本的硬件和不断增加的能耗将成为未来无线网络面临的关键问题[1]。
随意控制电磁波一直是人们的梦想。麦克斯韦方程组的出现大大提高了人们对电磁波的控制能力，但由于材料的电磁参数相对固定，人们对电磁波的控制仅限于发射器和接收器。近年来，智能超曲面(RIS)可以灵活控制信道环境中的电磁特性，自出现以来就引起了业界的广泛关注。RIS通常由大量设计良好的电磁装置组成。通过对电磁单元上的可调元件施加控制信号，RIS可以动态控制这些电磁单元的电磁特性，进而以可编程的方式实现对空间电磁波的主动智能调控，形成相位、幅度、极化和频率可控的电磁场。RIS作为超材料的二维实现，天然具有低成本、低复杂度、易部署的特点，可用于解决未来无线网络面临的问题。随着RIS的引入，无线通信环境从被动适应转变为主动控制，从而构建了智能无线环境(SRE)[2]。
自2020年以来，中国学术界和产业界联手开展了一系列RIS产业促进活动，极大地推动了RIS的技术研究和工程化进程。2020年6月，国际移动通信(IMT) -2030推进组成立了“RIS任务组”。同年9月，中国通信标准化协会(CCSA)TC5-WG6成立了“RIS研究项目”。2021年9月17日，IMT-2030 (6G)推进组在6G研讨会RIS分论坛上正式发布了业界首个《智能超表面技术研究报告》。2021年9月24日，首届智能超曲面技术论坛召开，主题为“赋能智能无线环境，重构未来移动通信网络”[3]。2022年4月7日，智能超表面技术联盟(RISTA)2及其第一次会员大会在北京召开，这标志着智能超表面技术联盟正式成立[4]。
目前，中国在RIS的材料技术、理论研究、实现算法和工程试验方面做出了巨大贡献。作为未来关键通信技术领域的潜在方向，RIS有机会提前在5G-Advanced网络中落地，并可能在未来的6G网络中启用智能无线环境，从而带来全新的网络范式[5]。
最近，业界在现有网络中对RIS技术进行了一系列测试和验证[6-10]。许多测试结果表明，部署RIS可以有效提高无线网络的吞吐量和覆盖性能。
RIS作为一种动态电磁参数控制技术，已经在许多领域初步展示了其强大的性能。然而，在大规模商用之前，RIS在技术研究、工程应用、网络部署和标准化方面仍面临诸多问题和挑战。本文将从背景、基础和关键技术、典型应用场景、趋势和挑战等方面对RIS进行探讨。
2、RIS的理论与技术
RIS是一门多学科融合的技术。在RIS概念诞生之前，超材料的基础理论已经发展了半个多世纪，为RIS理论体系的建立奠定了坚实的基础。在关键技术方面，RIS相关技术如相控阵、可编程逻辑门等都有应用案例。RIS的概念是最近10年才提出来的，被认为是6G潜在的关键技术。现有的理论和技术基础支撑了其研究的快速发展。
2.1基本理论
从广义上讲，RIS是超材料(也称为电磁超材料)的一个分支。超材料可分为三维超材料和二维超曲面，超曲面可分为固定参数超曲面和动态可调超曲面。RIS通常被认为是一个动态可调的超曲面。当然，业界有时会将参数固定的超曲面视为RIS研究的特例。超材料最初被称为“左手材料”和“双负介质”。1967年，V. VESELAGO教授发表了一篇俄罗斯论文。1968年，这篇文章被翻译成英文出版。本文首次提出了“左手材料”的概念，即介电常数和磁导率为负的材料，系统分析了电磁波在双负介质中的传播特性，并从理论上预言了几种新颖的反常调节现象。1996年J. B. PENDRY爵士认识到并验证了负介电常数[12]，1999年提出用周期排列验证负磁导率[13]。人工电磁表面(即超表面)最早的研究是D. F. SIEVENPIPER教授在1999年提出的蘑菇状高阻抗表面(HIS)[14]。
传统的等效介质参数(介电常数和磁导率)可以用来描述三维超材料的电磁特性，但不再适合分析二维超曲面[15]。针对超曲面的二维结构特征，研究者们提出了许多理论对其进行分析和建模。其中最具代表性的是F. CAPASSO教授团队在2011年提出的广义Snell定律[16]。广义斯涅尔定律可以很好地描述电磁超曲面的物理特性，如公式(1)和(2)所示：
(1)
(2)
其中，式(1)为广义斯涅尔折射定律，式(2)为广义斯涅尔反射定律，ni和nt为入射和出射界面的折射率，i和t为入射角和出射角。
也有学者提出用基于著名麦克斯韦方程组的现代电磁学来分析超曲面的二维结构特征，如图1所示。2016年，john young教授及其团队首次提出了“界面电磁”的概念来分析超表面的电磁特性[17]。界面电磁理论旨在通过分析和解释二维界面上的各种电磁现象，指导各种电磁表面的设计和优化。
图1空间域电磁问题分类方法[18]
早期超曲面的物理结构确定后，功能和性能也就确定了。由于不支持按需动态调整，使用的灵活性受到限制。此后，可调超曲面成为研究的主流。有源元件(如开关二极管、变容二极管等。)或可调材料(如液晶、石墨烯等。)集成在超曲面上。通过改变外部激励，具有固定物理结构的超表面可以表现出动态可调或可重构的电磁特性。
初始超表面通常使用连续或准连续的参数，如表面极化率、表面阻抗、振幅和相位来表征界面处的电磁特性。这些表示都是基于物理层面的，可以称为“模拟超曲面”。2014年，东南大学崔铁军教授提出了“数字编码与可编程超材料/超曲面”的概念，创新性地使用二进制编码来表示超曲面[19]，标志着超曲面从模拟时代进入数字时代。在对可调超曲面的可调物理特性进行数字编码之后，我们可以使用t
除了上述分析RIS物理特征的理论，当RIS用于信息传播领域时，我们需要从信息科学的角度进行分析。2020年，崔铁军院士团队从信息论的角度建立了码本的几何信息熵I1和远场散射图样的物理信息熵I2之间的关系[22]:
(3)
2008年，F. K. GRUBER教授首先提出了电磁信息论(EIT)的概念来分析大规模MIMO系统的性能[23]。2021年，清华大学戴凌龙教授提出采用EIT理论揭示基于RIS的无线通信系统容量的基本物理极限。本文指出，EIT可以为推导通信系统的自由度、信道容量和其他重要性能要求建立一个新的分析框架[24]。
2.2关键技术
硬件结构和控制
无论是用于新型无线收发机，还是用于无线传输的中继节点，RIS的硬件架构都由可重构电磁面、馈电系统和控制系统三部分组成。可重构电磁面是系统中调控空间波的主体，其结构是周期或准周期面元的阵列。控制系统可以通过为可重构电磁面非线性器件配置低频控制信号来改变局部单元的电磁特性，从而实现对来自馈源系统的高频信号的动态调节。
(1)可重构电磁表面结构设计。
可重构电磁面设计是RIS技术的初衷和核心。需要根据实际应用需求确定单元设计目标，进而优化单元主体和偏置电路的设计。首先，需要在电磁仿真软件中建立合适的主体模型，设置周期性边界条件、Floquet端口激励、非线性元件的等效RLC模型等。然后选择合适的单元几何结构进行优化设计，使其在所需频段内满足预设的设计要求，如1比特反射单元的反射幅度接近0 dB，反射相位差为180[25]；最后，需要考虑用于连接控制系统的偏置线等结构，并验证其对机组性能的影响。1位数字相位单元及其反射相位如图2所示。
图21位数字相控单元及其反射相位[25]
(2)控制系统的设计
控制系统的控制方式主要包括机械控制、模拟信号控制和数字信号控制。机械控制由于响应速度慢，目前很少使用；在模拟信号控制中，控制模块产生连续分布的电平，并控制变容二极管等参数连续变化的器件产生不同的响应。在数字信号控制中，控制模块产生不同的电平，并控制PIN二极管(P-I-N结构的二极管)等开关器件产生不同的响应。其中，数字信号控制按可控状态数可分为1位、2位或更多位的状态控制，但更多的控制位会导致表面结构复杂度急剧增加，设计和实现难度更大。
控制系统软件设计的核心是控制码表的设计，即根据电磁波束的方向设计可重构电磁面元的相位分布。目前提取控制码表有两种方式：一种是离线查表方式，预先计算并存储各个方向的码表，根据上位机的指令按地址提取相应的码表并完成赋值；另一种是在线计算模式，将码表计算程序植入处理单元，由处理单元完成码表计算。
基带算法
(1)渠道建模
在传输信号模型中，信道响应矩阵是极其重要的一部分。作为一种将环境转化为智能可重构电磁空间的潜在技术，为其辅助传输系统建立准确高效的无线信道模型是保证无线通信系统合理性及相关技术评估的基础。当前主流渠道建模我
射线追踪法基于几何光学和一致性衍射理论，精确计算发射机-接收机、发射机-RIS和RIS-接收机链路之间的多径射线(传播路径)，从而确定多径射线的信道参数，如离去角、到达角、时延和功率。
(2)信道估计
与传统的MIMO系统相比，RIS无线系统的特性给信道估计带来了新的挑战。首先，典型的RIS一般采用无源元件，不具备复杂的信号处理能力，难以估计信道状态信息(CSI)。设计具有一些有源元件的RIS可以独立地估计CSI，但是它需要平衡信道估计的要求与复杂性和成本[27]。其次，RIS超大规模天线阵带来了高维信道估计的复杂性。此外，RIS的引入带来的分段信道特性也给RIS的信道估计带来了新的问题。
一方面，我们可以利用信道的双时标特性来估计分段信道，即用户设备(UE)的低维移动信道估计是频繁的，而高维的准静态基站(BS) -RIS信道只需要信道统计，不需要频繁的信道估计，从而降低整体的导频开销[28]。另一方面，通过优化RIS电磁单元的分组，可以降低估计高维RIS信道[29]和多用户信道[30]的复杂度。高频带场景可以利用RIS信道矩阵的低秩特性构造联合稀疏矩阵并设计矩阵填充问题实现级联信道估计[31]，也可以利用多用户信道在角度域的稀疏性降低导频开销[32]。RIS面板可以分成不同的子块，每个子块在不同的时隙使用不同的控制系数矩阵依次估计待估计的信道[33]。通感融合技术的发展使得利用感知信息辅助RIS信道估计成为可能[34]。此外，考虑到工程应用的复杂性，基于码本的信道估计是典型的低复杂度信道估计方法，但RIS信道的分段特性和近场特性会给传统的码本方案带来挑战[35]。
(3)波束形成
RIS引入的级联信道和超大天线阵的特性使得系统的波束形成设计更加复杂。RIS借鉴了大规模MIMO混合波束形成的模型架构。从系统模型的角度，RIS可以看作是一个外部模拟波束预编码单元，并设计了相应的相移矩阵。也就是说，RIS使用模拟波束形成来调整发射机信号的电磁波反射。
与传统波束形成相比，RIS波束形成具有一些新的特点：
超大规模RIS电磁单元的数量使得设计波束形成的电磁控制参数更加复杂。信道降维和电磁单元分组是平衡波束形成性能和复杂度的有效方法。
RIS传播信道是分段的，需要联合优化基站主动波束和RIS被动波束的设计。
超大天线口径带来传播信道的近场特性。
现有的波束训练设计依赖于基于远场信道模型的远场码本。然而，由于RIS的超大天线孔径，用户更有可能位于其近场区域。参考文献[35]设计了与近场信道模型相匹配的近场码本，提出了一种有效的近场波束训练方案。
2.2.3网络设计
考虑到通信环境的复杂性以及RIS部署和调控的复杂性，我们可以将部署场景分为两类：小型可控禁区和大型复杂环境。这两种场景对RIS网络的部署原则和要求有很大的不同。一个小的可控受限区域有机会部署足够密度的RIS，实现精确的电磁环境智能控制。对于大规模复杂环境，RIS主要对现有或新引入的主要传播路径/主要散射体进行调控，半动态或静态调控无线信道的大规模特性。所需的RIS表单简单易部署，成本低。
将RIS引入无线网络也将给网络共存带来新的挑战。文献[36]分析了RIS网络的共存，并提出了可能的解决方案。在实际网络中，入射到RIS面板上的无线信号既包括RIS最优调节的“目标信号”，也包括其他“非目标信号”。RIS将同时监管这两种信号。通过调整电磁波的振幅、相位和极化模式，RIS可以增强“目标信号”，也可以出人意料地调整“非目标信号”。在不受控制的情况下，RIS对来自其他网络的“非目标信号”进行意想不到的异常调节，这将导致严重的网络共存问题。文献提出了两种解决方案：带通滤波层的多层RIS结构和RIS阻塞机制。此外，网络共存的问题也说明，RIS的大规模部署需要网络的控制，以抑制其在无线环境中对“非目标信号”的随机和意外的异常调节，避免网络性能严重恶化。
2.3原型验证
(1)内场测试
2018年至2021年，普林斯顿大学、麻省理工学院和加州大学圣地亚哥分校分别建成了2.4 GHz LAIA、RFocus[37]和ScatterMIMO[38]智能超曲面原型系统；欧洲研究机构也在智能超曲面研发领域设立了VisorSurf和ARIADNE项目。通过数百次散射测试，验证了智能超曲面在室内场景中的波束形成、覆盖增强和多流增长能力。
我国智能超曲面原型系统的研发与其他国家基本同步。东南大学团队搭建了一系列原型系统，如SISO BFSK)/QPSK)/8 PSK/16 QAM(包括16个符号的正交调幅)/64QAM和MIMO QAM。清华大学团队开发了2.3 GHz/3.5 GHz/5.8 GHz/26 GHz/28 GHz频段64/100/256/1 024/2 304/4 096阵元等一系列原型系统[39-40]；很多团队，比如香港中文大学(深圳)、华中科技大学、西安电子科技大学等。开展了智能超曲面原型系统的研究和创新，并与各大设备厂商在典型内场场景下进行系统调试和测试，不断验证智能超曲面在覆盖盲和多流增长方面的性能增益。
(2)现场测试
2018年，NTT DoCoMo首次开展28 GHz智能超面外场测试，验证智能超面毫米波覆盖盲补能力；2020年，首次开展毫米波段透明动态超表面验证试验；2021年，进一步使用超曲面镜头验证从室外到室内的覆盖增强能力。2022年，韩国LG公司进行了3.5 GHz和28 GHz频段的智能超曲面外场测试验证。
国内三大运营商也开始了智能超曲面的实地测试验证。2021年下半年，中国联通[8]、中国移动[6]和中国电信[7]分别开展了3.5 GHz、2.6 GHz和毫米波频段的智能超曲面技术5G外场测试，验证了智能超曲面系统能够有效提升5G网络的深度覆盖、扩容和提速。近日，北京邮电大学开展了智能超地表环境自适应理论和工业场景快速通道重构方法研究，确保工厂在复杂电磁环境下的平稳高效运行。
3、 ris RIS技术的典型方案
近年来，根据RIS技术的特点，学术界和工业界对其典型应用场景进行了分析。本文在前人研究的基础上，根据RIS技术的发展阶段以及5G-Advanced和6G网络的发展趋势，进一步分析了RIS在5G-Advanced和6G网络中的典型场景。
3.1 5G-A阶段的典型场景
在5G-Advanced阶段，在移动通信网络的典型场景中，RIS将重点支持6 GHz以下和毫米波频段的传统通信场景的覆盖或速率提升。
(1)覆盖盲板
传统的蜂窝部署可以覆盖空腔区域，而RIS可以部署在基站和信号盲区之间。通过有效地反射/透射透射
对于业务密集的热点，可以通过RIS增加额外的无线通信路径和信道子空间，从而提高信号传输的复用增益。尤其是在视距传输的场景下，基于RIS的可控信道的引入，将大大改善发射和接收天线阵之间信道的空间相关特性，可用于数据传输的子空间数量将增加，从而大大提高系统的传输性能。
对于小区边缘区域，有用信号电平较弱，没有多径环境，终端侧的多天线能力无法充分发挥作用。在发射机和接收机之间增加了RIS设备，使小区边缘的用户可以根据需要使用终端的多天线能力，大大提高了传输性能。
3.2 6G阶段典型场景
(1)RIS支持高频通信。
高频毫米波和太赫兹是5G-Advanced和6G的潜在工作频段。高频信号最明显的特点是路径损耗大，小区半径小，受障碍物、雨雪天气、环境吸收影响大。根据3GPP 38.901(第三代合作伙伴计划中的协议)，在相同条件下，28 GHz毫米波信号的路径传输损耗约为18db；高于3.5 GHz信号。在穿透损耗方面，对于低频毫米波信号，混凝土和红外反射玻璃制成的障碍物几乎无法穿透。如表1所示，树叶、人体、车体等障碍物对低频毫米波信号的穿透损耗在10 dB以上，导致覆盖区域内大部分区域通信质量较差。因此，高频通信必然面临覆盖半径小、盲区多、部署运营成本高的严峻形势。
表1高频信号穿透损耗理论值和实测值3GPP
在基站和终端用户之间部署智能超曲面设备，可以在视距通信不可达或信号质量差的盲区或小区边缘动态建立非视距链路，从而提高网络深度覆盖质量，减少覆盖盲区。未来，随着超材料天线的应用和普及，智能超曲面设备的形式将更加多样，比如建筑外墙的装饰层。低成本、低功耗、易部署的智能超曲面设备将为基站提供有效的补充和延伸。
(2) RIS使轨道角动量成为可能
OAM技术有望突破传统通信中的香农极限，缓解频谱资源紧张和频段拥塞等问题，因此成为6G潜在的关键技术之一。产生OAM涡旋电磁场的方法有很多种，其中一种是基于智能超曲面的方法。通过反射和投射的智能超表面，可以产生双极化双频多模OAM涡旋电磁波，实现OAM涡旋电磁波线极化和圆极化的灵活转换。
(3)RIS支持通信感知整合
未来，移动通信系统正朝着更加智能化和软件化的方向发展，并有望通过集成环境感知技术、用户定位功能和智能无线环境新范式来进一步扩展其网络能力和应用场景。在智能超曲面辅助的无线通信系统中，利用智能超曲面的时空调制能力，不仅可以在NLOS环境下建立虚拟视距链路，还可以通过优化智能超曲面的反射系数矩阵来提高通信链路质量，并按需动态提供波束形成增益。而且，在同等条件下，系统可以具有更大的天线口径和更高的定位精度的优势，实现高精度的感知和定位能力。
:技术挑战和趋势
RIS技术的挑战和趋势主要涉及理论模型、应用技术、工程研究等方面。
虽然在描述RIS的理论模型方面已经有了一些积累(见2.1节)，但我们还需要进一步探索电磁调节的物理机制、电磁信息学、信道模型等才能构建
在应用技术研究方面，现有研究主要针对解决传统无线通信中的经典问题，如信道估计、波束形成、信息调制等，而对基于RIS的集成心灵感应、基于人工智能的RIS[41]和基于RIS的保密通信等新型应用领域的研究投入不足，相关研究成果较少。另外，现有的研究大多基于一些简单的系统模型，提供的机制一般只适用于理想场景。因此，后续研究需要关注RIS新的应用领域，考虑更复杂的模型。
在工程研究中，虽然已经有一些RIS原型的简单测试，在特定场景中也显示出一些性能增益，但离真正的工程应用还很远。
(ris标准化。3GPP 5G-A Rel-18建立了Smart[1]Repeater，为Rel-19中RIS的标准化及其基于5G网络的标准化工作奠定了良好的基础。与5G-A的标准化不同，6G标准有望成为RIS 6G标准化工作中一个全新的标准协议。因此，未来的RIS标准化工作将不需要考虑与传统系统的兼容性，对RIS技术的研究将更加成熟。
(2) RIS网络部署。从RIS工程应用来看，可以采用三阶段网络部署模式：第一阶段，在5G现网部署少量非标准静态RIS面板，解决覆盖空洞问题，尤其是高频覆盖问题；第二阶段，基于5G-A标准化机制部署半动态可调RIS，优化网络连续覆盖；第三阶段，智能灵活的RIS将在未来无线网络中无处不在，构建智能可控的无线环境，为未来6G带来全新的通信网络范式。
5结束语
移动通信网络是支撑百业数字化转型升级、推动经济发展质量变革、效率变革、动力变革的关键基础设施。未来，移动通信网络将面临频谱资源短缺、芯片集成度要求高、无线信道不可控、设备能耗高等一系列挑战。智能超曲面具有低成本、低能耗、可编程、易部署等特点。构建智能可控的无线环境，将为未来无线网络带来全新的范式，有机会成为基础原始创新的突破领域，同时引领全球产业链的成熟和发展。
表示感谢/感激
感谢中国联合网络通信有限公司无线技术研究中心李福昌主任、张忠浩博士和中兴通讯股份有限公司算法部赵亚军总工程师对本文的指导和支持。感谢智能超表面技术联盟(RISTA)提供了一个很好的技术研究和合作平台。
审核编辑：李倩
标签：RIS技术曲面