無線通信發展范式與RIS的賦能作用

金梁/JIN Liang，孫小麗/SUN Xiaoli，鐘州/ZHONG Zhou，許曉明/XU Xiaoming，陳如翰/CHEN Ruhan，張劍/ZHANG Jian，鄔江興/WU Jiangxing

（戰略支援部隊信息工程大學，中國鄭州 450002）

范式（Paradigm）的概念和理論最初由美國著名科學哲學家托馬斯·庫恩在1962年提出并在《科學革命的結構》中系統闡述[1]。范式從本質上講是一種理論體系、理論框架，是開展科學研究、建立科學體系、運用科學思想的坐標、參照系和基本方式。范式有3個基本特點：第一，在一定的范圍內含有普適性；第二，是一種以基本的定理、原理、應用及相關裝備等集成的綜合體；第三，為科研與技術開發提供了可重現的成功模板。

2007 年1 月11 日，圖靈獎得主吉姆·格雷發表了一個名為“科學方法的革命”的演講[2]，將科學研究分為4 類范式：實驗/測量、理論分析、數值模擬/仿真和數據驅動。18 世紀以前，人類的科學研究主要以記錄和描述自然現象為特征，稱為“實驗科學”（第1 范式）。以“現代科學之父”伽利略的物理學、動力學為代表的科學發展開啟了現代科學之門。然而，由于實驗/經驗科學經常從主觀的感覺經驗出發并且受到實驗條件的限制，因此結論會帶有盲目性。18—19 世紀，研究者開始在已有經驗、事實、認知的基礎上嘗試盡量簡化實驗模型，通過去除復雜干擾盡可能抓住關鍵因素，并經過演繹推理，歸納出新的理論或模型，這稱為“理論科學”（第2 范式）。在該范式的指導下，數學中的集合論、圖論、數論和概率論，物理學中的牛頓三大定律、量子理論、相對論，電磁學中的麥克斯韋理論，生物學中的達爾文進化論等應運而生。該范式存在的挑戰是：隨著理論驗證的難度和代價越來越高，科學研究面臨瓶頸。20 世紀中期以后，電子計算機的發明使得研究者們能夠利用計算機對復雜的現象進行模擬仿真和相關計算。簡言之就是用計算機來做實驗，這稱為“計算科學”（第3 范式）。該范式主要包括數值模擬、模型擬合與數據分析、計算優化三大領域。21 世紀以后，隨著信息技術的飛速發展，人類社會產生的數據呈爆炸式增長。此外，計算機處理和存儲能力也在不斷提升，這使得計算機不僅能做模擬仿真，還能對海量數據進行處理和分析總結，發現新規律，揭示新機制，從而產生“數據驅動科學”（第4 范式）。該范式是在大數據驅動下科學知識發現模式的新變革，而前3 種科學范式則以假設為驅動，數據只是用來驗證假設的支撐。可以看出，科學研究范式是一個歷史階段的思維視角和方法論，不是一種范式取代另外一種范式，他們之間存在繼承發展的關系。其中，經驗科學是理論科學的實踐基礎，理論科學能夠對經驗科學提供理論指導，計算科學是對經驗科學和理論科學方法的進一步優化，而數據驅動科學是對前3 類范式的補充。此外，范式的變革往往在現有問題無法解決、科學研究面臨瓶頸時才會應運而生。

無線電應用始于1897 年“無線電通信之父”馬可尼的無線電報通信實驗。100多年來，無線通信的飛速發展對于人類生活和社會進步有著重大的意義。本文根據范式的定義，回顧和總結無線通信發展歷程，給出無線通信發展范式的思考與展望。由于任何發展范式總有其適用范圍和階段性特點，原有無線通信范式無法解決目前無線通信中一些瓶頸問題，本文從世界觀和方法論的角度提出無線通信演進中可預見的新范式及其實踐規范，為未來無線通信變革性發展提供理念參考。

1 無線通信發展范式回顧與分析

無線通信發展范式是與無線通信技術演進相關的自然規律、理論基礎和實踐規范，如同一般科學發展范式一樣，也是階躍式發展的。

無線通信是通過電磁波在無線環境中傳遞信息的過程，同時也是對抗與無線環境密不可分的廣義不確定擾動的過程。其中，無線通信中的廣義不確定擾動是指直接或間接利用無線環境的不確定性和不可操控性引發的非期望事件，包括自然因素和人為因素引發的擾動。如圖1所示，自然擾動因素包括地形/地貌/地物、天氣、衰落、傳播媒質、電磁彌散等，人為擾動因素包括無意干擾、有意干擾、接入攻擊等。

圖1 無線廣義不確定擾動

從電磁波與無線環境相互作用規律的認知過程來看，無線通信的發展歷程就是一部對抗廣義不確定擾動的歷史?；谑澜缬^和方法論的視角，無線通信的發展過程可分為3種范式：發現與使用電磁波、被動適應無線環境、主動利用無線環境。下面我們對無線通信發展已有的3種范式進行簡要闡述，歸納各種范式實踐規范的特點，并從科學范式的視角探討無線通信的發展與困局。

1.1 無線通信發展范式1：發現與使用電磁波

1873 年麥克斯韋在《電學和磁學論》中提出了電磁波的傳播機理。1887 年赫茲通過實驗驗證了電磁波的存在，從而為無線電通信的產生創造了條件，并為1897 年馬可尼使用電磁波首次實現跨洋的無線電報通信奠定基礎。這便形成了無線通信發展的最初范式。該范式所蘊含的世界觀為：在麥克斯韋、赫茲等人的工作基礎上，首次發現電磁波的存在及傳播的科學規律，認識到人類可以擺脫有線通信的束縛、開啟無線電通信的新時代；對應的方法論為：如何利用電磁波承載信息實現遠距離通信，解決無線通信的有無問題，其中標志性技術是無線電報。無線通信發展的最初范式僅采用增加發射功率、簡單編碼、重復發送等方式（如摩爾斯碼）來對抗自然擾動，還沒有涉及復雜無線環境中存在的人為擾動及安全等問題。

1.2 無線通信發展范式2：被動適應無線環境

隨著無線通信的發展，廣義不確定擾動逐漸成為發展中的主要矛盾。在香農提出信息論之前，人們普遍認為固定速率信息發送的誤差概率是不可忽略的，而香農從理論上證明了當通信速率低于信道容量時，總能找到一種編碼方式，以任意低的錯誤率傳送信息[3]，即給出了特定信道上的無差錯最大傳輸速率，為有效的信息傳輸提供了上界，為數字通信奠定了基礎。因此，第2范式所蘊含的世界觀以香農信息論和香農信道容量為代表。它闡明了無線環境帶來的擾動與無線通信質量之間存在內在聯系，即要在不可靠的信道上進行可靠的信息傳輸，必須要有與之匹配的傳輸方式。為實現上述目標，該范式的方法論是如何適應復雜無線環境，尋找逼近無線通信能力極限的方法。

在對抗自然擾動方面，該范式主要經歷了模擬與數字通信兩個階段，利用編碼、調制、濾波以及波形設計等把信號轉換成適合在信道上傳輸的形式，從而提高信息傳輸的可靠性。其中，預編碼技術通過在發射端對信號進行設計使得發送信號與信道匹配，從而降低符號間干擾，提高傳輸性能，同時能夠有效降低接收機處理復雜度；均衡技術在接收端對經過信道畸變的信號進行均衡處理，通常用濾波器來校正和補償失真的脈沖，減少碼間干擾的影響；自適應調制編碼技術根據終端反饋的信道狀況來確定信道容量，從而自適應調整調制方式和編碼速率，以便數據傳輸適合信道變化，實現更高的通信速率。

在對抗人為擾動方面，最初是主要通過對時、頻等無線公共資源進行劃分與管理來實現的。世界各國都對時頻等無線公共資源進行科學合理的規劃，結合不同應用領域或場景的特點，給各類無線電業務劃分專用頻段并成立有關部門進行嚴格監督管理[4]。隨后，頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）技術也相繼在移動通信中得以應用，通過給不同用戶分配正交的頻率、時間和碼塊資源來抵抗用戶間干擾。然而，無線電頻譜等資源是有限的資源，無線通信對頻譜的依賴性越來越大。因此，業界不斷開發新的頻率資源，例如，毫米波與太赫茲通信等[5]，用來有效解決日益緊張的頻譜資源和當前無線系統容量限制的問題。另外，為了提高頻譜利用率，認知無線電技術近年來得到了學術界的廣泛關注。通過從環境中感知可用頻譜，認知無線電技術自適應改變通信參數，可實現動態頻譜分配和頻譜共享。

在對抗無線安全威脅方面，該范式主要采用了擴譜、加密、認證、完整性保護等標志性技術。以移動通信為例，1G基本上是沒有采用安全防護機制的，但2G數字通信系統開始增加了空口信息加密、身份認證鑒權和身份標識碼等安全防護手段并不斷更迭演進。例如，為彌補加密算法的缺陷，移動通信加密算法已由2G A51/A52、3G KASUMI演變為4G、5G的高級加密標準（AES）、SNOW3G、祖沖之密碼算法（ZUC）等加密強度較高的組密鑰或流密鑰加密算法[6]，密鑰長度也由2G的64 bit不斷增加到5G的256 bit。為解決2G因單向鑒權機制引起的偽基站問題，3G 時代引入了能夠同時鑒別用戶和移動通信網絡的合法性的雙向鑒權機制；為應對不法用戶截獲明文傳輸的用戶永久身份標識進行識別、定位和跟蹤等問題，5G利用基于公鑰基礎設施（PKI）機制的公鑰加密方法對用戶永久身份標識（SUPI）進行加密后傳輸[7]。

該范式提升了應對無線擾動的能力，但是存在以下幾方面的不足：（1）適應無線環境的能力受限于對無線環境的感知，缺乏對“差異化”無線環境的“精細化”感知能力；（2）因存在頻譜資源有限、用戶間干擾等問題，通過動態頻譜分配、頻譜共享等方法提高頻譜利用率和系統容量會受到“頻譜墻”的制約；（3）無線通信中時/頻/碼域資源是公共資源，本質上具有不可調和性，無法根本阻斷干擾、消除安全威脅，缺乏對無線環境“個性化”資源的開發利用；（4）采用打補丁、外掛式的技術路線，基于密碼學的安全手段來增強信息層面的安全，缺乏從安全與通信共有的本源屬性來探索安全與通信一體化的內生安全機制。

1.3 無線通信發展范式3：主動利用無線環境

隨著通信業務的不斷擴展，被動適應無線通信中時/頻/碼域的公共資源對抗擾動的方式無法滿足日益增長的需求，亟待挖掘和利用新的無線環境資源。由于電磁波傳播機理可用麥克斯韋方程及其邊界條件來刻畫，而差異化的無線環境對應的邊界條件決定了差異化的方程解，因此可以利用空域資源的差異性來突破時/頻/碼等無線資源公共屬性的束縛。第3 范式中所蘊含的理論觀點是：相比于時/頻/碼域等公共資源，空域資源是無線個性化資源，可以利用天然的、內在的空域資源差異應對無線擾動。

在對抗自然擾動方面，該范式主要通過收發分集、空域均衡/預均衡、空時編碼等手段來減小衰落和噪聲的影響。標志性技術包括分集發送/接收、波束賦形、集中式與分布式多輸入多輸出（MIMO）、大規模MIMO等。其中，分集技術通過在無線信道傳輸同一信號的多個副本（同時在接收端合并接收）來補償衰落信道損耗，可有效提高通信質量，降低發射功率；多天線技術是近年來無線通信發展較快的熱點技術之一，從3G 的智能天線到5G 的大規模MIMO，天線規模不斷增加，獲得的功率增益、空間分集增益、空間復用增益和陣列增益也在不斷提升；空時編碼是通過空間和時間二維聯合構造碼字的信號編碼技術，能夠獲得分集增益和編碼增益，有效抵消衰落。

在對抗人為擾動方面，該范式主要通過定向發送與空域濾波來實現干擾抑制。以蜂窩化小區、空域抗干擾技術為例：蜂窩系統在移動通信中廣泛應用，即相鄰小區采用不同頻率而距離較遠的蜂窩則復用相同的頻率，在對抗干擾的同時可提高頻譜利用率；空域抗干擾通過自適應天線設計使得陣列接收方向圖在干擾方向上形成零陷以規避干擾。

在對抗無線安全威脅方面，該范式主要利用無線信道的隨機性、多樣性、時變性等內生安全屬性，在物理層對抗安全威脅，如圖2 所示。標志性技術是無線物理層安全技術，例如，信道指紋加密[8-11]、信道指紋認證[12-14]、物理層安全傳輸[15-18]等。其中，信道指紋加密和認證技術分別通過提取收發雙方的唯一、互易的無線信道指紋并將其用于密鑰生成和數據認證，在信號層面抵御無線主被動攻擊；物理層安全傳輸根據信道指紋的差異設計與位置強關聯的信號傳輸和處理機制，使得只有在期望位置上的用戶才能正確解調信號，而在其他位置上的信號是置亂加擾且不可恢復的。

圖2 基于信道指紋的物理層安全技術原理

該范式選擇“個性化空域資源”，挖掘并利用無線環境的差異性對抗無線擾動，但沒有從根本上改變受限于無線環境的狀況。擴大空域資源自由度的解決思路是通過增加天線陣元單位規模來提升通信容量等性能指標，但因天線孔徑受限等現實問題導致受到“空譜墻”的制約，對抗無線擾動的能力還處于“靠天吃飯”的階段。

2 無線通信發展新范式及理論探索

2.1 無線通信發展范式4：改造定制無線環境

“空譜墻”的制約使得范式3 無法應對無線通信數據業務量的爆發式增長和終端的多樣化服務質量需求，因此需要探索“改造定制無線環境”的無線通信發展新范式。該范式的核心觀點是：無線廣義不確定擾動可歸因于無線環境操控性的缺失，要徹底解決這一問題必須提高無線環境操控的自由度；通過改造定制環境約束條件，實現通信的優化目標，而要改造定制無線環境就必須從無線內生屬性出發。因此，該范式對應的方法論是如何挖掘無線內生屬性，基于內生屬性實現內生構造，創造對抗無線擾動的最優環境。具體表現包括以下幾個方面：（1）通過對無線環境進行動態編程和按需重構來對抗自然擾動；（2）通過塑造、拉大無線環境的差異性來對抗人為擾動；（3）通過塑造、強化無線環境的內生安全屬性來對抗無線安全威脅。該范式由無線信道“不可操控”向“改造定制”進化，實現從“靠天吃飯”向“天人合一”的技術變革。

2.2 無線通信的廣義魯棒控制機制——動態異構冗余（DHR）構造

內生安全DHR 構造為無線通信發展新范式提供了一種解決廣義不確定擾動問題的機制。理論與實踐已經證明內生安全DHR 構造可以同時應對可靠性失效和安全攻擊等廣義不確定擾動[19]，即能實現功能安全與信息安全一體化的廣義魯棒控制功能。內生安全DHR 構造提供了對抗廣義不確定擾動的實踐規范。因此，如果能在無線通信中找到一種符合DHR 屬性規范的構造，則也可以應對無線廣義不確定擾動[20]。

無線通信的發展也是抵抗無線廣義不確定擾動方法的演進過程。用數學模型刻畫廣義不確定擾動可分為兩類：一類是與自然擾動相對應的，可以用概率表述的隨機過程，即已知的未知；另一類是與人為擾動相對應的，無法用概率精確刻畫的不確定事件，即未知的未知。作為新范式的一大標志性技術，無線內生安全技術[20]從電磁波及網絡空間內源性缺陷產生的共性和本源問題出發，探索無線網絡自身構造或運行機理中的內生安全效應及其科學規律，并基于無線環境內生屬性的利用和改造，解決無線環境中的自然擾動和人為擾動帶來的問題，提供抵御“已知的未知”和“未知的未知”的能力。

無線內生安全理論是內生安全普遍原理和DHR 構造實踐規范在無線通信中的拓展，為“改造定制無線環境”這一無線通信新發展范式提供理論探索。如圖3所示，內生安全DHR構造[21-23]包含輸入代理、功能等價異構執行體集合、多模裁決、輸出代理和負反饋控制器。其中，輸入代理將輸入序列分發到多個功能等價的異構執行體，對經過執行體處理后的輸出矢量進行多模裁決；多模裁決器對多模輸出矢量內容的合規性進行判決，一旦發現非期望裁決狀態就將激活負反饋控制器，對差模輸出執行體進行替換和清洗。異構冗余構造是“相對正確公理”的邏輯表達與實現方式，能夠發現和應對不確定攻擊與隨機擾動，保證系統安全/穩定運行。基于上述原理可以構造出基于迭代裁決的、多維動態重構反饋的運行環境，能夠形成“測不準”效應，變確定性為動態性，破壞“試錯攻擊”的前提（即破壞擾動的時空一致性）。內生安全DHR 構造是在“構造決定論”指導下的網絡安全利劍[24-25]。

圖3 動態異構冗余構造抽象模型

從電磁波的傳播機理來看，無線環境（信道）是無線通信的內生屬性。信道源于電磁波傳播過程中的直射、反射、散射、折射等各種效應組合，是自然界中一種天然的隨機源，其產生機理決定了信道指紋具有各點異性、隨機時變性和第三方測不準特性。這就導致通信雙方的信道是不可測量、不可復制的，在其他時空坐標上發起攻擊產生的擾動，必然會破壞原有信道物理結構的完整性。因此，無線信道是天然的DHR 異構執行體，可以作為新質內生安全屬性，在電磁波傳輸過程中抵御已知和未知的自然擾動和人為擾動。

如圖4 所示，典型無線通信系統天生具有DHR 構造的基本屬性。其中，無線信道是功能等價的異構執行體，發信機端的編碼、調制、多天線發送等可起到代理作用，接收機端的解碼、解調、多天線接收等可起到裁決作用，收發鏈路間的導頻、功控、碼本等為反饋機制。無線信道作為無線通信的DHR 異構執行體，具有不可操控性。如何改造并定制無線環境、異構執行體，即差異化信道的構造，成為無線通信DHR構造的關鍵。然而，無線通信范式2和范式3分別為“適應”和“利用”自然改變的無線環境，導致異構執行體不可控，使得無線通信的DHR 構造受無線環境限制，通信性能受限。為解決上述問題，無線通信新范式在“利用”自然無線環境和挖掘內生安全屬性的同時，能夠通過“塑造定制”無線環境來主動改造內生安全屬性，為實現可控的異構執行體構造提供技術途徑。

圖4 無線通信系統的動態異構冗余構造模型

3 RIS對無線通信新范式的作用

“改造定制無線環境”的無線通信新范式指導下的DHR構造通過對信道環境進行人工塑造，可使異構執行體構造更加可控，能夠對抗無線廣義不確定擾動。近年來各類新興技術的出現為改造定制無線環境提供了有效支撐。智能超表面（RIS）作為下一代移動通信技術潛在的關鍵候選技術之一[26-29]，由超材料技術發展而來，是一種由大量可編程超材料單元排布構成的新型電磁器件。該技術能夠實時控制和改變每個粒子單元的狀態，進而控制電磁波的傳播方向、相位、幅度、頻率和極化等特性，具有功耗低、體積小、成本低、布設方式靈活等優點。目前關于RIS 的研究通常是將其作為反射/透射面，布設在通信雙方間，以擴大信號的覆蓋范圍，提升系統容量。另外，也有研究將RIS 與射頻器件合并，形成RIS天線或稱為動態超材料天線（DMA）[30]。RIS 天線利用超材料在模擬域對電磁波進行調控，增強了射頻最前端的信號處理能力，能夠增加對無線環境感知的精細程度，進而實現與多徑相匹配的細粒度編碼、調制、濾波等信號傳輸技術，可大大提高通信性能。

3.1 RIS賦能無線DHR構造

RIS 對電磁波的操控能力為無線信道的人工塑造提供了可行的技術手段，使得異構執行體由不可操控向按需改造轉變。無線通信DHR 構造將不再受限于自然信道環境。如圖5所示，新范式下無線通信的DHR 構造可通過自然改變的信道環境和人工塑造的信道環境來實現。

圖5 智能超表面輔助的無線通信動態異構冗余構造模型

RIS 作為材料科學與信息科學的交叉融合技術，能夠實現對無線環境的實時重構、動態編程，構造無線DHR 中的異構執行體——差異化信道。優化設計RIS的電磁波調控參數可達到人工塑造無線環境的效果，為差異化的無線信道構造提供關鍵技術支撐?；赗IS柔性可重構的特性和操控電磁波傳播特性的能力，在無線信道天然內生安全的基礎上，進行人為可控的優化與改造，最大限度地構造內生安全屬性的安全增量，強化賦能無線內生安全。這將促使無線內生安全技術由被動利用無線內生安全屬性向改造定制內生安全屬性的方向發展。RIS技術的出現使無線通信DHR 構造不再受限于自然信道，為無線通信新范式的實現與落地提供實踐規范。

3.2 RIS推動無線通信計算架構演進

從無線通信計算架構發展來看，在模擬通信階段，當采用模擬器件的物理特性來實現數學運算時，形成的模擬計算架構是固化的。在數字通信階段，人們主要采用高速數字處理集成電路完成信號處理。此時在軟件化/虛擬化技術的帶動下，基站射頻拉遠單元（RRU）與基帶單元（BBU）分離，形成了模擬計算、采樣和數字相結合的計算架構。由于沒有改變模擬電路固化的問題，模擬計算能力受限，計算能力提升主要靠后端的數字處理增強。該階段進入一個以“大算力、大數據”為特點，以規模決定論為指導的“數字化大時代”。

從解決模擬電路固化問題入手，基于RIS 的智能化模擬計算能力，可為移動通信提供新的模數混合柔性計算結構。從哲學角度看，RIS推動移動通信計算架構按照“模擬”到“數字”再到“增強模擬+數字”的方式螺旋式上升；從信息論角度看，數控模擬計算前端最大限度地保真了信息量。RIS的模擬計算能力在現有的研究中已得到證明[27]。在東南大學所提出的新型無線通信發射系統中，RIS能直接對單音信號進行調制，簡化了傳統發射機構架。另外，對RIS面板的單元狀態進行設計，能夠實現數字卷積定理的頻譜搬移能力，使得復雜的波束調控設計大大簡化。

表1 無線通信計算結構發展

3.3 RIS促進無線通信陣列變革

眾所周知，陣列天線技術在移動通信的演進中發揮了重要作用。為提高移動通信速率和通信容量，4G、5G采用了MIMO、Massive MIMO 技術來挖掘和利用空域資源，提高空間自由度。然而，當前陣列形態屬于同構陣列，依賴于規模性增益。受限于天線陣列孔徑，實際系統會出現MIMO 信道矩陣秩損的現象，實際自由度遠小于理論自由度，系統性能受到限制。如果依然遵循“規模決定論”的技術路線，通過簡單地增加陣列規模來實現每秒太比特的峰值速率、20 GHz 的大寬帶等性能，那么6G 將面臨嚴峻的挑戰。

實現從“規模決定論”向“構造決定論”轉型是應對現有挑戰的全新技術路線[31]。利用具有時空二維敏捷可重構特性的DHR陣列是該路線的一種可行實現方式。如圖6所示，對于同一時刻，不同的陣元能夠形成異構的方向圖；對于同一陣元，不同時刻也具有異構的方向圖。DHR 陣列與同構陣列的本質區別在于，天線陣元具有實時可重構、動態可編程的能力，可帶來自由度的提升。

圖6 動態異構冗余陣列

與當前以5G 超大規模天線為代表的同構陣列相比，DHR 陣列通過動態捷變與異構構造，為改造無線環境提供技術手段，在通信和安全性能方面均表現出明顯的優越性[32]，具體表現包括3 個方面：一是在感知無線環境方面，利用差異化的手段解析差異化的無線環境，可以精確感知到每條多徑，進而實現與每條多徑匹配的細粒度編碼、調制、濾波等信號傳輸技術；二是在改造無線環境方面，利用空域和時域提供的自由度，可以拉大多流信號間的差異性，實現單RIS 陣元的DHR 陣列接收和發送多流信號，在提高通信容量的同時提升波束方向的分辨率；三是在安全方面，利用動態捷變改造信道的隨機性和時變性“基因”，借助異構改造不同信道的差異性“基因”，提升無線信道指紋的安全能力。因此，這為有效對抗無線擾動，保障信息可靠和安全傳輸的細粒度、精細化信號傳輸或處理技術的設計提供了技術支撐。

3.4 RIS驅動電磁信息理論發展

香農信息論基于信號和統計理論，未考慮涉及信號電磁傳播特性的麥克斯韋電磁理論。單純基于香農信息論的系統設計理念使無線通信性能面臨天花板，難以滿足B5G/6G 對無線通信性能提出的更高要求。香農限的理論分析依賴于無線信道的準確建模。在傳統的信道模型中，輸入輸出通常為連續時間信號，信道則建模為線性時不變系統。其中，線性高斯信道模型被廣泛采納，當前無線通信賴以生存的采樣和濾波理論均建立在該模型基礎上。然而，隨著通信頻帶的不斷攀升和大尺寸天線的應用，Fraunhofer 遠場區條件將不再滿足，經典的信道模型與電磁波近場傳輸的現實已不再相匹配。因此，為了刻畫實際環境下無線鏈路的特性，基于場波視角的信息傳輸理論引起了廣泛關注[33]。

在電磁信息理論中，信道輸入與輸出均為連續的時空四維信號。由于實際收發端天線尺寸受限，輸入與輸出信號在空間維度出現緊支撐。信源到信宿間的電磁傳播由格林函數完全刻畫，因此電磁信道應當建模為Hilbert 空間上的積分算子。相較于經典模型，電磁信息理論不再局限于單純改變電磁波的幅度與相位，而是可以將發射信號視為空間上不同的電磁分布。

顯而易見，電磁信息理論解鎖了發射信號的空間維度，也將帶來更大的傳輸自由度。需要注意的是，獲取該自由度增益的前提是發射天線具有在給定空間區域產生任意電磁分布的能力。得益于超材料的物理性質，RIS能夠同時進行電磁波調控和數字信息處理，完成從數字編碼/比特流信息到電磁信息的映射，建立信息理論和電磁理論的橋梁，使得信息理論和麥克斯韋電磁理論完美結合，天然地適配于電磁信息理論，為無線通信發展帶來了新的契機。

東南大學崔鐵軍團隊首次提出了基于信息超材料的電磁信息論，把香農信息理論應用到電磁理論中，給出了RIS 數字編碼與電磁波兩類信息之和的上限[34-36]、數字編碼完全隨機時的方向圖信息，以及一定面積的信息超材料所能輻射的正交方向圖信息的理論上限值。另外，RIS 能夠將數字信號處理的方法從信號域引入到電磁域[37]，利用不同數字編碼與其方向圖之間的傅里葉變換關系實現方向圖搬移，即信息超材料的卷積定理。基于該定理，當RIS 面積足夠大時，2 bit 數字編碼即可實現上半空間無死角的波束掃描。為了充分利用RIS 的全息能力從而逼近無線信道容量，需要進一步發展與完善電磁信息理論，特別是在電磁信號的正交展開、空間采樣、信道測量和天線樣式設計等方面。

3.5 RIS支撐多模態無線傳輸環境

網絡技術體系發展經歷了從網絡與業務緊耦合、綜合業務數字網、網絡與業務相對分離到網絡技術體系與支撐環境相分離這一新范式的轉變[38]。網絡發展新范式下的方法論是建立多模態網絡。多模態網絡是一種基于全維可定義技術的可共生共存、動態并發、演進變革融合的多元化網絡技術架構的一體化網絡支撐環境——網絡之網絡，它既能保障各類業務及網絡技術體系的可自持發展，又能實現多元網絡的智能、高效一體化部署和管理，擁有與具體網絡體系及相關業務無關的全維可定義的技術物理環境與生態。

如圖7所示，相比于多模態網絡中的全維可定義網絡支撐環境，RIS的柔性可重構特性和操控電磁波的能力可使無線通信技術體制與無線支撐環境相分離，能夠針對各類無線傳播環境，構建全維可定義無線傳輸支撐環境，支撐編碼、調制、多址、組網、安全等多種模態，形成無線網絡與技術體制的無線支撐環境，也就是“環境之環境”。如圖8所示，以5G 三大應用場景為例，針對增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器類通信（mMTC）、超可靠低時延通信（URLLC）不同的傳播環境和通信需求，利用RIS反射面、DHR陣列構建任何通信體制的無線支撐環境，形成可匹配任何無線環境的柔性適配層，能夠屏蔽各類傳播環境的差異性，使得無線業務與自然環境解耦。

圖7 多模態網絡通信與多模態無線通信

3.6 RIS助力人工智能發展

人工智能技術誕生于20 世紀中葉，近年來由于算力、學習數據量的大幅提升以及網絡模型與算法的不斷突破，得以再次復興。人工智能特別是深度學習在計算機視覺、自然語言處理、語音識別等領域已獲得巨大成功。無線通信與人工智能技術的有機融合也將大幅度提升無線通信系統的效能。

人工智能的研究主要集中在基于計算機的機器學習方法，如深度學習和強化學習。與傳統使用計算機平臺來實現人工神經網絡的方法不同，基于波的人工神經網絡采用3D 打印光學透鏡陣列形成全光學衍射深層神經網絡[39]，利用光子的波動特性實現并行計算，成為一類新型的人工智能方法。但這種基于波的人工神經網絡一旦產生，自身的網絡架構就會固定下來，這限制了它的功能和應用。RIS的可編程特性為建立可重新訓練的基于波的人工神經網絡提供了可能。如圖9 所示，文獻[40]提出了一種可編程和現場訓練的人工智能機（PAIM）。PAIM采用RIS透射面作為神經網絡的網絡層，進行波傳感和通信，可以在波空間進行計算和光速處理，通過切換超表面狀態來實現圖像識別、自動聚焦、無線通信等不同功能和應用。基于RIS的可編程人工智能機為人工智能在無線通信不同場景的應用提供了新的可行技術路徑。

圖9 基于智能超表面的可編程人工智能機器[40]

4 結束語

本文從思維視角和方法論的層面對無線通信發展進行思考，將現有無線通信發展歸納為三大范式，并給出了每個范式的適用范圍、階段性特點和關鍵技術。針對目前發展范式“受限于”無線環境、對抗無線擾動的能力處于“靠天吃飯”階段等問題，提出了“改造定制無線環境”的無線通信發展新范式，并給出對于新范式的理論探索。文中以無線通信發展新范式為指導，利用RIS 構建物理（模擬）世界和信息（數字）空間的橋梁，賦能無線環境的內生構造，將被動適應無線環境的“信道編碼”向主動改變無線環境的“編碼信道”轉型，實現改造定制無線環境的無線通信新范式。

致謝

特別感謝東南大學崔鐵軍院士、程強教授、金石教授和中興通訊股份有限公司趙亞軍總工等專家對本文的貢獻！