可重構智能表面技術：研究進展、原型機及挑戰

李南希，朱劍馳，郭 婧，佘小明

(中國電信股份有限公司研究院，北京 102209)

0 引言

可重構智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)技術是一項涉及材料學、電磁學、無線通信等多領域的跨學科新興技術。基于可編程信息超材料，RIS可以實現對電磁波的主動調控，進而實現無線信號的傳播方向控制、特定區域的信號增強以及干擾抑制，從而構建可編程的無線傳播環境[1]。除上述技術優勢外，RIS在成本、能耗上也存在一定天然優勢。與傳統的無線通信設備相比，RIS通常由無源或近無源的電磁器件構成，無需相關射頻器件(如濾波器、功放器件等)，從而具有低成本、低能耗、低復雜度等優勢，有利于其面向未來6G無線網絡的商用部署。

1 RIS主要研究方向及進展

RIS一般具有二維平面結構，其表面主要由電磁超材料構成。所謂電磁超材料，是指經過人為設計，對具有特定幾何形狀的宏觀基本單元進行排列，從而形成的具有特殊物理結構的人工電磁材料[2]。這種材料可實現自然材料不具備的特殊性質，如對電磁波的調控特性。通過將這種特性應用到無線通信中，可以實現諸如覆蓋補盲、熱點增流、高精度定位等功能[3-5]。

目前，學術界關于RIS技術的研究主要聚焦在兩個方向：一是將RIS用于發射機，以期能替代當前的大規模天線系統，從而實現低成本、低功耗的綠色通信系統；二是將RIS用于中間節點，以反射面的形式輔助無線通信，通過對反射波的控制實現傳輸增強。

1.1 基于RIS的無線收發機

基于RIS的無線收發機主要為解決傳統大規模天線系統的高成本、高功耗問題，通過利用RIS對電磁信號的幅度、相位、頻率等調控能力替代大規模天線系統中的模擬前端及射頻鏈路功能，以期實現低成本、低功耗的綠色通信。

基于RIS的無線發射機一般架構如圖1所示，主要由兩部分組成：空饋載波信號生成部分和RIS主系統。其中，空饋信號生成器主要用于生成單音電磁信號并打向RIS；RIS主系統通過數字基帶生成各電磁單元的控制信號，調整各單元的電磁參數，從而對上述入射的單音電磁信號進行調制，并將調制后的電磁波反射出去實現信號的傳輸。

圖1 基于RIS的無線發射機示意圖Fig.1 Illustration of RIS-based transmitter

文獻[6-8]基于該架構開展信號調制方案的研究工作，其中文獻[6]基于對1 bit和2 bit相位調制頻譜響應的諧波分析，通過調節RIS電磁單元的偏置電壓實現了二進制頻移鍵控(Binary Frequency-Shift Keying,BFSK)，為該架構的可行性驗證做出了初步嘗試；文獻[7]進一步將該工作擴展到正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)，實現了Mbit/s級的視頻流傳輸；文獻[8]面向更高階的調制方案，實現了QPSK、8PSK和16QAM，使得將高階調制應用于RIS成為可能。上述研究主要針對單用戶單流傳輸，文獻[9]針對RIS發射機的雙流傳輸開展了研究工作，在系統架構方面依舊采用單一空饋信號生成器，但是將RIS面板分為左、右兩個部分，通過兩路獨立的數控信號分別控制兩部分面板中電磁單元的偏置電壓，從而形成兩路傳輸信號，最終實現了約20 Mbit/s的傳輸速率。

基于RIS的無線接收機的相關研究較少，文獻[10]初步探索了基于RIS的接收機架構，實現了對接收電磁波的下變頻處理，但是從系統架構上來看，該接收機與前述的RIS發射機還存在著較大差異。目前，業界尚未形成統一的RIS收發機架構，從商用部署的角度來看，這或成為RIS收發機研究的一個關鍵問題。

1.2 基于RIS的反射面

基于RIS的反射面旨在為無線通信網絡中的弱覆蓋、熱點區域容量增強等問題提供一套低成本、低功耗的解決方案。此外，它還具備提供高精度定位等功能的潛在能力。RIS反射面主要通過對其表面電磁元件參數的聯合控制，實現對入射電磁波的反射相位、角度、幅度等參數的調整，從而形成期望的反射電磁波圖樣。

基于RIS的反射面的一種典型結構[11]如圖2所示，主要由三部分組成：反射表面、隔離板以及控制電路。其中，最外層的反射表面由大量的可調電磁單元構成，與入射電磁波直接相互作用，調整其反射參數；中間的隔離層主要用于降低入射電磁波的能量泄露；最內層是控制電路板，與控制器連接，用于實時控制每個電磁單元的參數，從而實現對反射電磁波的參數調整。控制器又可分為自主型和非自主型，其主要區別在于控制信息是由控制器自主決定，還是基于其他的外部指示(如基站指示)，目前業界主要關注非自主型控制器。

圖2 基于RIS的反射面結構示意圖Fig.2 Illustration of RIS-based reflector

從RIS反射面在無線網絡中的功能來看，它與傳統中繼有著相似之處，為了更深入地剖析它們之間的區別，文獻[11-14]將RIS反射面和傳統中繼(包括解碼轉發中繼和放大轉發中繼)進行了對比，并闡明了其主要差異，具體如表1所示。從表中可以看出，除了硬件差異以及性能差異外，關鍵差異還體現在傳輸模型、信道估計等方面，而這些方面會在很大程度上影響RIS反射面的設計以及應用方式，因此也成為業界和學術界著重關注的問題。

表1 RIS反射面與傳統中繼的主要差異

在傳輸模型方面，目前通常采用兩路信號疊加的建模方式[15-17]，其中一路信號由基站經信道HBS_UE直接到達用戶；另一路信號由基站經信道HBS_RIS到RIS表面，通過RIS反射再經信道HRIS_UE到達用戶，該傳輸模型的一般表達式為：

y=(HBS_UE+HRIS_UEΓHBS_RIS)x+n,

(1)

式中，Γ=diag{γ1ejα1,γ2ejα2,…,γMejαM}為一對角矩陣，表征RIS反射面對入射電磁波的幅度和相位調整，其中γm∈[0,1]，αm∈[0,2π]表示RIS反射面第m個電磁單元的反射系數及相移。式(1)中涉及的各部分信道一般可建模為萊斯信道，以HBS_RIS為例，它可以表示為如下形式：

(2)

在信道估計方面，需要考慮到RIS反射面結構的特殊性。由于RIS反射面不能主動發射信號，可能也無法解調基站發送的參考信號，因此如何對基站到RIS、RIS到用戶的級聯信道進行信道估計面臨著巨大的挑戰。雖然已有許多相關的研究積累，如文獻[19-21]，但是目前來看，針對RIS反射面的信道估計仍缺少切實有效的方案。另外，有的文獻提到了利用上、下行信道的互異性來獲得信道信息，然而對于RIS反射鏈路，是否存在信道互異性仍有待進一步的研究與測試。RIS反射面在未來演進中，很可能會引入部分解調和發射功能，屆時也將會對信道估計方案帶來新的影響。但無論如何，都需要保持引入RIS的初心，確保其低成本、低功耗特性，否則可能會對RIS反射面的最終落地及商用帶來很大的挑戰。

2 RIS原型機的測試驗證

2.1 國外測試驗證情況

2018年11月，日本移動通信運營商NTT DOCOMO聯合毫米波雷達技術公司Metawave首次演示了RIS反射面在5G系統中28 GHz頻段下的實際應用[22]，驗證了RIS反射面對于覆蓋和容量提升的潛在能力。本次演示所采用的RIS反射面由大量不同形狀的元結構(meta-structure)排列組成，每個元結構的尺寸與所采用的電磁波波長可比擬，其物理形狀與所處的陣列位置相關。測試地點選擇在建筑物腳下，不存在與基站的視距路徑。通過對比測試發現，不采用RIS反射面時，所選擇3個測試位置(位于同一道路，測試點間距為米級)的下行數據速率分別為27 Mbit/s、16 Mbit/s和60 Mbit/s；將RIS反射面部署在合適的位置后，下行速率分別提升至315 Mbit/s、300 Mbit/s和560 Mbit/s。

2020年1月，NTT DOCOMO又聯合全球玻璃制造商AGC使用28 GHz頻段進行了新型透明超表面原型機的測試驗證[23]。該超表面具備光學透明特性，可作為建筑物和車輛的窗戶進行部署，可對電磁波的反射、穿透進行動態操控，實現全透射、部分反射和全反射3種模式間的切換。2021年1月，NTT DOCOMO聯合AGC在該原型機的基礎上實現了一種新型薄膜狀超表面透鏡[24]，所采用的材料對6 GHz頻段以下的無線電波沒有影響，但是對高頻信號會產生特殊的聚焦效果。在測試中，通過將該超表面部署在窗戶表面，成功實現了將室外的28 GHz 5G無線信號透射到室內的特定地點，實現了特定區域的信號增強。

2020年2月，美國麻省理工學院(MIT)發表了一篇關于RFocus原型機測試驗證的文章[25]，驗證了辦公室環境下RFocus對無線信號強度及系統容量的提升效果。MIT所搭建的RFocus表面由3 200個低成本天線組成，每個天線為(λ/4)×(λ/10)的金屬矩形(其中λ為電磁波波長，頻段為2.4 GHz)。天線陣列的水平間距為(λ/10)，縱向緊密排列且相鄰的天線由射頻開關器件連接。當射頻開關全部關閉時，表面呈半透明特性；當某個射頻開關開啟時，與之相連的兩個天線就形成了一個半偶極子天線，會與入射電磁波形成強相互作用。通過這種設計，RFocus的每個電磁單元可在反射與透射兩種狀態之間相互切換，從而可形成期望的電磁波導向效果。在測試驗證中，RFocus控制器根據接收機周期性上報的接收信號強度，優化各射頻開關的狀態，最終實現了2倍以上的平均系統容量提升。

2.2 國內測試驗證情況

東南大學早在2014年就提出了可編程超材料的概念，并分別對1 bit 和2 bit可編程超材料進行了測試驗證[26]。通過特定的數控序列對超材料上各個電磁單元進行控制，可以實現期望的電磁特性，如控制波束方向、改變散射特性等。時至今日，東南大學在RIS原型機的測試驗證方面積累了豐富的經驗與成果，目前已實現了支持BFSK、QPSK、8PSK和16QAM的RIS發射機[6-8]，同時也實現了基于RIS發射機的雙流傳輸[9]，可支持20 Mbit/s的傳輸速率。2021年7月，東南大學、中國移動以及杭州錢塘信息有限公司在南京開展具備可調電磁器件的RIS技術驗證[27]，測試結果表明：部署RIS后，室外小區邊緣覆蓋平均可提升3～4 dB；在室外覆蓋室內場景下，室內覆蓋提升約10 dB。

清華大學設計實現了2 bit的RIS電磁單元，該元件由5個PIN二極管組成，通過對不同PIN二極管的狀態控制，可實現4種離散相位偏移[28]。基于該電磁單元，清華大學進一步實現了工作頻段分別為2.3 GHz、28 GHz的RIS發射機，表面電磁單元數目均為256個。通過測試驗證表明，所開發的原型機在兩個工作頻段均能實現顯著的波束賦形增益。

中興通訊于2021年6月先后聯合中國電信、中國聯通，開展RIS反射面原型機的高頻、中頻外場測試驗證工作[29-30]。測試結果表明，通過使能RIS反射面，在5G中頻基站非視距小區邊緣，接收信號強度可提升10 dB，小區邊緣用戶性能提升40%以上；在距5G高頻基站(26 GHz)150 m以上的弱覆蓋區域、覆蓋盲區，接收信號強度可提升12.5 dB。

3 RIS面臨的主要挑戰

自RIS的概念誕生開始，學術界和業界便掀起了一股勢不可擋的RIS研究熱潮，無論是理論研究還是測試驗證都取得了相當的積累和成果。為確保RIS的研究和發展方向的合理性，需要著眼于未來通信網絡的真正需求，理清RIS面向未來商用落地時的主要挑戰和痛點問題。

3.1 RIS無線收發機的主要挑戰

對于基于RIS的無線收發機，其面臨的挑戰主要包括以下幾個方面：

① 工作帶寬：目前基于RIS的發射機的相關研究以窄帶系統為主。相較于MIMO數十年的發展，RIS的研究可以說是剛剛起步。著眼于未來，RIS發射機可能也會面臨由窄帶到寬帶，由單載波到多載波的演進。這中間勢必會遇到不小的挑戰，首先是硬件器件特性，這其中又包含兩個方面：一是RIS中的電磁器件需要支持相應的帶寬；二是電磁器件可能在不同頻段的相位偏移情況并不一致。其次是系統架構，目前的RIS發射機主要采用單一空饋信號生成器，若要實現多載波，則需要多路數控信號將單音電磁波調制到多個載頻上，且每路數控信號所連接的電磁器件相互獨立、沒有交疊，這實際上是將RIS面板進行了拆分，即載波數量與RIS面板的拆分情況相關。因此，目前的系統架構并不能很好地支持多載波傳輸。

② 多用戶同時傳輸：如何有效支持多用戶的同時傳輸是RIS收發機面臨的另一挑戰。由于RIS電磁器件在同一時間只能具備一種狀態，即如果要同時向兩個不同的用戶進行數據傳輸，需要使用兩組相互獨立的電磁器件及數控序列。該問題與多載波傳輸問題相類似，目前缺少有效的解決方案。

③ 收發機一體化：目前業界、學術界尚未形成統一的RIS收發機架構，若采用收、發獨立的架構將不利于RIS的部署。因此，收發機一體化是基于RIS的收發機研究的一個關鍵問題，也是其面向落地的痛點問題。

3.2 RIS反射面的主要挑戰

對于基于RIS的反射面，其面臨的挑戰主要包括以下幾個方面：

① 信道估計：由于RIS反射面并不具備射頻、基帶處理能力，無法處理基站發送的參考信號，同時也無法主動發送無線信號。因此，現有的信道估計方案無法用于估計RIS反射鏈路的級聯信道。目前，學術界主要提出兩種信道估計方法[11]：一種是純無源式信道估計，主要運用數學方法，通過矩陣運算獲得RIS反射鏈路的級聯信道；另一種是半無源式信道估計，主要通過改變RIS結構，在表面添加部分有源傳感器用于信道測量和反饋，從而完成信道估計。但目前看來，這兩種方法尚不成熟，仍需進一步研究與測試驗證。

② 對不同運營商的影響：在實際無線蜂窩網絡中，不同運營商對RIS反射面的部署需求可能并不一致，但是在某一運營商部署RIS反射面后,可能會對同區域內其他運營商的網絡性能帶來影響。如果該影響切實存在且無法消除，那對RIS反射面的落地將是致命的。因此，評估RIS反射面對不同運營商網絡的影響至關重要，如何避免或消除該影響是RIS面向落地的一個痛點問題。

③ 空口協議：由于RIS相關的標準化工作尚未開展，空口協議目前仍為空白。在探討該問題之前，需要首先明確RIS反射面的器件組成以及RIS反射面的控制方式，即究竟誰是RIS的大腦。目前看來，RIS反射面狀態受基站的控制更具備合理性和可實施性，但具體方案仍有待探究。

4 結論

本文分別針對基于RIS的無線收發機以及基于RIS的反射面進行分析，對其研究方向及進展、國內外原型機的測試驗證情況以及面臨的主要挑戰進行了全面的闡述。可以看出，雖然RIS的研究取得了一定的積累與成果，但是仍面臨許多挑戰與痛點問題。希望業界與學術界共同努力，著眼于未來通信網絡的需求，推動RIS技術的進一步發展。