智能超表面技術(shù)專(zhuān)題導(dǎo)讀

專(zhuān)題策劃人

趙亞軍，中興通訊股份有限公司無(wú)線(xiàn)研究院技術(shù)預(yù)研總工；目前主要從事5G標(biāo)準(zhǔn)化和6G技術(shù)研究；主要研究方向包括智能超表面（RIS）、頻譜共享、CoMP 及靈活雙工等；已申請(qǐng)4G/5G 相關(guān)發(fā)明專(zhuān)利200 余項(xiàng)，其中有20余項(xiàng)納入4G/5G標(biāo)準(zhǔn)。

費(fèi)澤松，北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，工業(yè)和信息化部重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室副主任；主要研究領(lǐng)域包括移動(dòng)通信（5G/6G）、衛(wèi)星通信、通信感知融合、智能通信等；先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等科研項(xiàng)目10 余項(xiàng)；獲中國(guó)電子學(xué)會(huì)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；發(fā)表論文100余篇。

隨著無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量需求的持續(xù)快速增長(zhǎng)，無(wú)處不在的無(wú)線(xiàn)連接將在未來(lái)十多年真正成為現(xiàn)實(shí)，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也成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。一直以來(lái)，“隨心所欲”地調(diào)控電磁波是人們不斷追尋的夢(mèng)想。麥克斯韋方程組的出現(xiàn)使得人類(lèi)對(duì)電磁波的掌控能力有了飛速提升，但受限于材料相對(duì)固定的電磁參數(shù)，人們對(duì)電磁波的控制力僅局限于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。

近年來(lái)，智能超表面（RIS）因其能夠靈活操控信道環(huán)境中的電磁特性，一出現(xiàn)就吸引了業(yè)界的廣泛關(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)智能調(diào)控，形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場(chǎng)。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，可以應(yīng)對(duì)未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)面臨的需求與挑戰(zhàn)。RIS的引入使得無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境從被動(dòng)適應(yīng)變?yōu)橹鲃?dòng)可控，有助于構(gòu)建一個(gè)人為可控的智能無(wú)線(xiàn)環(huán)境。

從2020 年開(kāi)始，中國(guó)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合開(kāi)展了一系列RIS產(chǎn)業(yè)推進(jìn)活動(dòng)，極大地促進(jìn)了RIS的技術(shù)研究與工程化進(jìn)程。2020 年6 月，IMT-2030（6G）推進(jìn)組無(wú)線(xiàn)技術(shù)組成立“RIS 任務(wù)組”；同年9 月，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（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》；2021 年9 月24日，“第一屆智能超表面技術(shù)論壇”1.智能超表面技術(shù)論壇，http://www.risforum.com大會(huì)召開(kāi)；2022年4月7 日，智能超表面技術(shù)聯(lián)盟（RISTA）2.智能超表面技術(shù)聯(lián)盟，http://www.risalliance.com成立，成為RIS 技術(shù)被學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界廣泛認(rèn)可的標(biāo)志性事件。

作為未來(lái)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)極具潛力的方向，RIS有機(jī)會(huì)在5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)中提前落地，并可能在未來(lái)6G 網(wǎng)絡(luò)中使能智能無(wú)線(xiàn)環(huán)境，帶來(lái)全新的網(wǎng)絡(luò)范式。近幾年，RIS的技術(shù)研究與工程化進(jìn)展迅速，在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)初步展示其強(qiáng)大的性能。但在規(guī)模商用前，RIS仍在技術(shù)研究與工程應(yīng)用方面面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。本期專(zhuān)題的論文從方法論、基本原理、軟硬件關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用等角度探討RIS的研究進(jìn)展及相關(guān)成果，期望能對(duì)讀者有所幫助。RIS引入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為有機(jī)會(huì)給無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)全新的網(wǎng)絡(luò)范式。

鄔江興院士、金梁教授等在《無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展范式與RIS的賦能作用》中首次較為全面地闡述“改造定制無(wú)線(xiàn)環(huán)境”的無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展新范式，并給出對(duì)于新范式的理論探索以及智能超表面賦能的實(shí)踐規(guī)范。

太赫茲波的靈活高效調(diào)控一直是其應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，來(lái)自北京理工大學(xué)的呂昕教授、司黎明副教授等在《集成石墨烯的太赫茲波束成形智能超表面》中提出了一種基于石墨烯的太赫茲RIS，為靈活調(diào)控太赫茲波提供了新的思路。

作為RIS研究領(lǐng)域引領(lǐng)性團(tuán)隊(duì)之一，來(lái)自東南大學(xué)的程強(qiáng)教授等在《智能超表面的設(shè)計(jì)及應(yīng)用》中較為系統(tǒng)地介紹了智能超表面的基本概念、物理機(jī)理和設(shè)計(jì)方法，以及空間波束賦形、非線(xiàn)性諧波調(diào)控和多諧波聯(lián)合調(diào)控技術(shù)，進(jìn)而展示智能超表面技術(shù)的一些示范性應(yīng)用。

RIS的引入對(duì)無(wú)線(xiàn)信息與能量同傳帶來(lái)了新的可能，來(lái)自澳門(mén)大學(xué)的武慶慶等在《智能反射面輔助的無(wú)線(xiàn)信息與能量傳輸研究綜述》中全面介紹了RIS輔助無(wú)線(xiàn)信息與能量傳輸方面的全球研究現(xiàn)狀，并展望了物理層安全、無(wú)人機(jī)通信和多IRS協(xié)同輔助等6個(gè)新的研究主題和研究方向。

根據(jù)對(duì)信號(hào)操作方式的不同，RIS可以被分為透射型和反射型，來(lái)自上海交通大學(xué)的陳文教授等在《透射可重構(gòu)超表面多天線(xiàn)通信系統(tǒng)》中較為全面地介紹了基于透射RIS的多天線(xiàn)系統(tǒng)，為B5G/6G 無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)架構(gòu)提供了新的設(shè)計(jì)思路。來(lái)自北京航空航天大學(xué)的張巖等在《寬帶透射陣設(shè)計(jì)及其近場(chǎng)研究》中提出并設(shè)計(jì)了一種基于緊耦合偶極子的寬帶透射陣天線(xiàn)，引入等效延遲距離的概念用于設(shè)計(jì)透射陣，并對(duì)其菲涅爾區(qū)電場(chǎng)進(jìn)行研究。

相對(duì)于傳統(tǒng)多輸入多輸出（MIMO），RIS的碼本設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)。來(lái)自中興通訊股份有限公司的崔亦軍和竇建武等在《基于標(biāo)量衍射理論的RIS波束碼本設(shè)計(jì)》中研究了基于傅里葉光學(xué)中標(biāo)量衍射理論的RIS物理波束調(diào)控的碼本設(shè)計(jì)方法。

RIS將成為未來(lái)通感一體化的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。來(lái)自大連理工大學(xué)的李明教授等在《智能超表面在通信感知一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用》中系統(tǒng)闡述了智能超表面輔助無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)和雷達(dá)感知系統(tǒng)的工作原理、性能優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)而介紹了智能超表面輔助通感一體化系統(tǒng)的可行性、優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景。而來(lái)自北京理工大學(xué)的鄭重等在《智能超表面輔助通信感知一體化》中針對(duì)通感一體化面臨的挑戰(zhàn)，探討了RIS 輔助通信感知一體化系統(tǒng)的典型應(yīng)用，并深入討論了RIS 輔助通信感知一體化系統(tǒng)在聯(lián)合波束設(shè)計(jì)、RIS 單元模式切換以及安全通信等方面的研究現(xiàn)狀。

另外，來(lái)自南京信息工程大學(xué)的李斌教授等在《智能超表面輔助車(chē)載邊緣計(jì)算》中，針對(duì)障礙物遮擋對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)中路邊單元（RSU）服務(wù)性能的影響，提出一種智能超表面輔助的車(chē)載邊緣計(jì)算（VEC）部分任務(wù)卸載方案。

本專(zhuān)題文章由來(lái)自中國(guó)的高校和企業(yè)中從事RIS技術(shù)研究的專(zhuān)家學(xué)者撰寫(xiě)，較為全面地反映了RIS技術(shù)創(chuàng)新的最新成果。在此，對(duì)各位作者的大力支持和精心撰稿表示衷心的感謝！希望本專(zhuān)題能對(duì)RIS技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展起到重要參考和積極推動(dòng)作用。