智能超表面的設計及應用

柯俊臣/KE Junchen，梁竟程/LIANG Jingcheng，程強/CHENG Qiang

（東南大學，中國南京 210096）

5G技術目前正處于快速商用的時期，同時6G技術也在緊鑼密鼓地研發之中。萬物互聯帶來的人與人、人與物、物與物之間的海量數據傳輸，對現有網絡的可靠性、實時性、傳輸速率、網絡容量、流量密度等方面提出了全新挑戰。在眾多新興技術中，具有智能感知、操控能力的智能超表面（RIS）技術逐漸引起了全球通信領域學者的密切關注[1]，成為6G無線通信的關鍵使能技術之一。

超表面是一種由亞波長尺度單元（典型值為1/10～1/3個波長）按特定空間排布形成的人工電磁結構，具有輕質量、低剖面、易集成、易共形等特點[2]。傳統的超表面在設計制造完成后，其電磁波響應及電磁功能就被固化了，無法再根據實際需求進行改變。但為應對復雜電磁系統的需求，超表面的電磁特性往往需要靈活調節，因此可編程超表面的概念應運而生。2014 年崔鐵軍教授首次提出了數字編碼與可編程超表面的概念[2]，將超表面單元的反射和透射響應的不同狀態用二進制數值0/1來表示，并將預先設計的二進制編碼序列輸入至超表面控制器，實現對整個超表面陣列電磁特性的編程，進而實現特定的電磁功能。數字編碼與可編程超表面的提出為超表面設計提供了全新的思路，簡化了超表面設計與優化流程，并可與數字信號處理器件相結合形成更為先進的RIS。

通過加載特定的調控器件，如PIN 管（P-I-N 型二極管）、變容管和微機電系統（MEMS）開關等，RIS 可以對電磁波的幅度、相位、頻率、極化等特性進行實時可編程調控[3-5]，進而控制電磁波在自由空間中的傳播行為，突破傳統無線信道無法主動調控的局限，構建智能可編程無線環境的新范式[6]。同時，基于RIS 的無線通信收發機硬件架構具有架構簡單、功耗低、成本低等特點[7]，僅使用RIS 和基帶模塊即可完成信息調制與傳輸，省去了信號混頻、上變頻、放大等過程，為下一代無線通信提供了新的解決方案。

1 RIS對電磁波的操控原理

1.1 空間波束賦形

圖1（a）展示了一種由二進制數字“0”或“1”單元構成1 bit 反射式RIS。其中，RIS 在不同工作狀態下的幅相響應如圖1（b）所示：單元在兩種狀態下的反射相位差為180°。我們規定0°相位為編碼“0”，180°相位為編碼“1”。通過在RIS上輸入不同的編碼序列，實現對散射波束不同的調控效果，如圖1（c）和（d）所示。

圖1 RIS的空間波束賦形原理

1.2 非線性諧波調控

在時間編碼RIS 提出之前，大多數研究工作只關注RIS的空間編碼分布[8]，而忽視了其在時間維度上的應用。時間編碼RIS是一種利用時態參數來實現電磁波頻譜調控的時變器件。當RIS單元的電磁特性是時間函數時，它將變成一個時變系統，并會產生非線性現象。文獻[4]提出了時域RIS的基礎理論與設計方法。通過在時間域上對RIS的反射系數進行周期性調制，反射波中將會產生非線性諧波分量，如圖2（a）所示。此時，反射波的頻譜相當于RIS的反射系數的頻譜被搬移到入射波頻率處。那么對反射系數頻譜的調控即可簡單地等效為對反射波頻譜的調控。這意味著時間編碼RIS擁有調控電磁波頻譜的能力。

然而經進一步的研究發現，根據文獻[4]提出的方法產生的諧波的相位在幅度調節的過程中也發生了變化。為了解除諧波幅度和相位之間的固有耦合，文獻[9]提出了一種簡單高效的方法來實現諧波的幅度和相位的獨立控制，如圖2（b）所示。由傅里葉變換理論可知，時間延遲的引入可以在保持振幅的同時為頻譜分量帶來額外的相移。因此諧波幅度和相位可以通過設計時間編碼的相位差和時移來實現獨立的控制。

一個nbit的空間編碼RIS包含2n種編碼單元。RIS的比特數越高，其相位量化誤差就越小，同時對電磁波的操控也更精準，但是過高的比特數會造成單元結構和控制線路與系統的設計非常復雜。文獻[10]提出了一種基于時間編碼來實現多比特相位的設計方法，具體如圖2（c）所示。該方法利用一種矢量合成分析法來設計任意多比特的可編程相位，解決了多比特RIS設計的難題。通過設計時間編碼序列，將原向量進行矢量疊加，可以實現任意的新向量。通過不同時間編碼調制的反射波等效相位和幅度，相位覆蓋率幾乎可以達到預期的360°。在這種時空編碼策略的支持下，可以用簡單的單元結構和控制線路系統來實現一個任意多比特RIS[11]。

1.3 多諧波聯合調控

文獻[12]提出了時空編碼RIS，通過在空間域和時間域對RIS 進行編碼，可以實現RIS 在空、時、頻域上對電磁波的多維度調控[12-13]。如圖2（d）所示，時空編碼RIS 由加載了可調諧器件的單元構成，其中每個單元可由周期性的時間編碼獨立控制。通過將不同的控制信號加載到單元上，時空編碼RIS 的狀態在空域和時域上共同編碼，實現反射波波前和頻譜的同時操控。由于在空間編碼的基礎上引入了時間調制，時空編碼RIS 可以在基波頻率和諧波頻率下分別實現高精度的波束成形。

為了實現靈活和連續的諧波波前控制，參照空間域的卷積定理（即在一個RIS 上進行傅里葉運算），文獻[14]提出了非線性散射方向波束偏轉的方法。該方法可以將諧波的散射波束偏折到任意方向，如圖2（e）所示。文中將時間延遲t0引入時變反射系數Γ(t)中，因此在第k階諧波頻率上將有一個額外的相位因子e-2πkf0t0。通過動態刷新單元之間的時延梯度，可以實時地調整RIS上諧波的相位分布。將諧波的初始編碼與預設的波束偏轉編碼做卷積，就可以將諧波波束偏轉到指定的角度。

圖2 RIS在非線性諧波調控中的應用

2 RIS的應用

2.1 可編程全息成像系統

全息成像是一種通過對空間中電磁波/光的特征參數進行編碼來實現成像的技術?；诔砻娴娜⒊上窬哂懈咝?、高分辨率以及低噪聲等特性，在過去的十幾年中，科研工作者們相繼提出了適用于各個電磁波頻段的超表面全息技術。然而，其中大多數工作都是基于無源超表面實現的，它們對電磁波/光的幅度/相位等特征參數的編碼是固定的，因此僅能用于重建靜態的全息圖像，應用場景受限。為了打破這一限制，文獻[15]提出了基于1 bit 相位編碼RIS 的可編程微波全息成像系統[15]。

圖3（a）是基于RIS的動態全息成像示意圖。在不同偏壓下，加載PIN二極管的RIS單元具有不同的電磁性能，因此可以通過改變偏壓來動態調控其相位特性：當偏壓分別為3.3 V/0 V時，二極管的狀態為“ON”/“OFF”，單元分別工作在“0”/“1”兩種狀態（7.8 GHz）。利用改進的Gerchberg-Saxton 算法，可以計算出不同全息圖像所需的編碼圖案，并將其轉換為電壓編碼序列預存在現場可編程門陣列（FPGA）中。通過這些電壓序列對20×20的RIS亞胞陣列（每個亞胞包含5×5個單元）進行饋電。在平面波的照射下，RIS形成特定的1 bit相位分布，從而在空間中實現了一組動態全息圖效果。實測的全息圖像如圖3（a）所示，得到的全息影像清晰，且具有較高的分辨率和信噪比。另外，通過設計幅度和相位獨立可調的RIS，可以提高該成像系統的性能。此外，該方法也可以向更高頻段拓展。

圖3 RIS在可編程全息成像和自適應智能感知中的應用

2.2 自適應智能感知

對于大多數數字編碼和RIS而言，其豐富的電磁波調控功能都是依靠預先編寫好的FPGA控制程序來實現的，因此人工干預的步驟必不可少。這使得一方面，基于超表面的系統一直是一個開環系統，不利于復雜環境中的多系統協調運作；另一方面，這些系統不包含傳感和反饋組件，難以建立具有自動決策功能的閉環智能系統。解決這個問題的關鍵在于將傳感器集成到可編程超表面中，從而構建具有自適應功能的RIS。

為了具體展示自適應RIS 的應用，文獻[16]預設了一個RIS在衛星通信中的應用場景，如圖3（b）所示。當飛機繞地球飛行時，其飛行姿態將發生變化，RIS可以感知該變化并自適應地調節波束輻射方向，從始至終聚焦于衛星來進行穩定的通信。這種自適應RIS的特點是在超表面的背面集成一個陀螺儀傳感器、微控制器單元（MCU）和FPGA：傳感器可以檢測RIS及其環境的空間姿態和運動狀態，并將相應的角度數據信息實時反饋并發送到FPGA；MCU 和FPGA 處理這些數據并按預設的反饋算法產生相應的RIS波束賦形編碼序列。在這種機制下，RIS無需人工操作即可執行自主決策功能，自動實現自適應波束轉向，其波束隨方位角的變化情況如圖3（b）所示。這種自適應智能感知模式在未來可以與人工智能（AI）、大數據等先進技術相結合，從而進一步擴展其對周圍環境的高精度感知、學習和記憶等高級功能。

2.3 新體制無線通信系統

在無線通信領域中，傳統的通信系統需要利用數模/模數轉換器、調制/解調器、混頻器以及射頻組件等器件將數字信息調制和發射，其系統架構繁雜，各組件的成本也比較昂貴。RIS能夠根據編碼序列形成動態的遠場輻射方向圖/近場圖案，而不同的方向圖/近場圖案可以表征不同的信息?；谶@一思想，文獻[17]、[18]提出了一種基于RIS 的新體制無線通信架構，稱之為直接數字調制（DDM）系統。DDM 系統主要由FPGA、RIS和接收器組成，圖4（a）展示了信息調制在遠場輻射方向上的DDM系統的通信機制示意圖；圖4（b）展示了待傳輸的原始圖像和接收到的圖像，該結果證明了該系統的有效性。

圖4 RIS在新體制無線通信系統中的應用

近幾年，科研人員在時域編碼和時空編碼RIS的理論研究中取得了豐碩的成果[4],[9-14]。時域編碼和時空編碼RIS能夠便捷、精確地控制信號幅度譜和相位譜，這使得基帶信息的調制可以直接在RIS 界面上進行，無需經過數模轉換、混頻、射頻發射等過程。基于時域編碼RIS理論，文獻[4]提出了一個二進制頻移鍵控（BFSK）無線通信系統。圖4（c）為BFSK系統的示意圖，圖4（d）展示了接收端恢復出來的圖像信息，該結果證明了BFSK通信系統高效傳輸信息的能力。系統在3.6 GHz的載波頻率下工作，其數據傳輸速率為78.125 kbit/s。為了提高通信系統的數據傳輸速率，文獻[19]進一步提出了基于RIS 的正交相移鍵控（QPSK）無線通信系統[19]，系統的數據傳輸速率可達到1.6 Mbit/s，實現了流暢、無損的視頻傳輸。圖4（e）展示了電影的無線傳輸場景實物圖。此后，文獻[7]、[20]、[21]基于QPSK通信架構進一步地開發了基于RIS 的八進制相移鍵控（8PSK）、正交幅度調制16QAM、256QAM的高階調制體制無線通信方案，其中文獻[21]甚至推廣到了毫米波領域應用，使得基于RIS 的新體制無線通信架構得到了廣泛推廣。

在5G和6G移動通信中，服務于多用戶場景的多信道無線通信技術一直備受重視。解決多信道無線通信的一條重要技術途徑是信道復用技術。文獻[22]提出了一種基于時空編碼RIS 的空間-頻率分集復用的多通道無線通信系統，它實現了為多個不同位置的用戶以不同頻率獨立地傳輸多個信息源的功能，系統示意圖如圖4（f）所示：從圖中可以看出，不同的數據流可以直接路由到位于不同方向的指定用戶，每個指定用戶都有自己獨立的接收頻道和空間信道，而位于其他信道的“無關”用戶則無法接收到正確的信息。另外，文獻[23]、 [24] 提出了將MIMO 技術融入到基于RIS 的新體制無線通信系統的多用戶通信解決方案，可進一步發揮RIS 在多用戶通信系統中的巨大應用潛力，為將來更先進的低成本的超大規模MIMO 系統提供了一種很有潛力的實現方案。

2.4 波達方向（DOA）估計

波達方向估計技術是無線通信、雷達和聲吶探測領域內的一項關鍵技術。通過處理接收到的來波信號來估測、定位待測目標的距離、方位等重要信息，該技術有助于構建智能無線網絡。RIS能夠在一定的孔徑面上同時、準確地感知和操控空間電磁波，這為構建新型DOA 估計系統提供了有力支持。最近，文獻[25]提出了一種基于RIS的DOA估計方案：作為一個“隨機電磁采樣接收器”，RIS 生成一系列隨機的輻射方向圖來感知、接收入射信號，隨后通過壓縮感知（CS）和正交匹配追蹤（OMP）算法對信號進行處理，從而恢復出DOA信息。系統原理圖如圖5（a）所示。更進一步地，文獻[26]所提出的系統將DOA概念和方法應用在毫米波測向應用中，利用時空編碼RIS在毫米波頻段實現了DOA估計，并且可以根據不同的來波方向產生不同的電磁功能。系統原理圖如圖5（b）所示。上述兩種新型DOA估計系統為高精度電磁波探測和操控鋪平了道路，也促進了先進成像、雷達和無線通信系統的開發。

圖5 RIS在波達方向估計中的應用

3 結束語

本文首先系統地介紹了RIS的基本概念、物理機理和設計方法，展現了其在時-空-頻等多維度內對電磁波進行調控的能力，如空間波束賦形、非線性諧波調控與多諧波聯合操控。其次，展示了RIS 的一些突破性應用，包括全息成像、智能感知、無線通信與波達方向估計。作為超表面領域的里程碑之一，RIS將會為擴展超表面的應用領域，激發新的活力，并且在未來更先進的系統中發揮重要作用。

致謝

本文得到了東南大學信息科學與工程學院戴俊彥老師和在讀博士生汪正興的幫助和支持，在此表示感謝！