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“一個(gè)理智的人，應(yīng)該改變自己去適應(yīng)環(huán)境。只有那些不理智的人，才會(huì)想去改變環(huán)境適應(yīng)自己，但歷史是后一種人創(chuàng)造的。”
—— 蕭伯納
在無(wú)線通信領(lǐng)域，也有一種不理智的技術(shù)，以“雖千萬(wàn)人吾往矣”的勇氣，改變環(huán)境適應(yīng)自己，硬是從一片荊棘的絕望中開(kāi)辟出一條康莊大道。
下面，就讓我們對(duì)這種技術(shù)一探究竟。
為什么要改變環(huán)境 ？
在無(wú)線通信的發(fā)展史上，我們一直重點(diǎn)關(guān)注的是通信的主體，也就是信源和信宿。迄今為止，所有技術(shù)的技術(shù)革新，都是在增強(qiáng)信源和信宿的能力上下功夫。
然而，對(duì)于信源和信宿之間的無(wú)線傳播環(huán)境，會(huì)使信號(hào)經(jīng)歷復(fù)雜的反射、折射、散射、繞射、穿透、干擾等一系列復(fù)雜的過(guò)程，我們一直對(duì)此束手無(wú)策，只能被動(dòng)地去適應(yīng)。
適應(yīng)無(wú)線傳播環(huán)境手段，就是增強(qiáng)基站和終端的能力，或者優(yōu)化組網(wǎng)架構(gòu)。比如高低頻協(xié)同、增大發(fā)射功率、增加收發(fā)天線數(shù)、頻選調(diào)度、多點(diǎn)協(xié)作、微站補(bǔ)盲等措施，千方百計(jì)地去克服無(wú)線信道的不確定性。
這些措施，猶如經(jīng)驗(yàn)豐富裱糊匠一樣，一路支撐著移動(dòng)通信從2G發(fā)展到了5G，雖然外表光鮮，但早已力不從心。5G毫米波的引入，更是直接戳破了那華麗而脆弱的外衣，讓高頻的覆蓋難題陰云籠罩。
一叢樹(shù)冠，幾個(gè)行人，乃至一場(chǎng)陰雨，都會(huì)讓毫米波的信號(hào)徹底“翻車(chē)”，更別提建筑的遮擋，以及巨大的穿透損耗了。枉有巨大的帶寬優(yōu)勢(shì)，無(wú)線傳播的無(wú)力卻成了毫米波規(guī)模商用的桎梏。
改變自身適應(yīng)環(huán)境這條看似理所當(dāng)然的道路，已然走到了盡頭。唯有正面出擊，主動(dòng)發(fā)力來(lái)重塑無(wú)線傳播信道，才是解決問(wèn)題的不二法門(mén)。
改變環(huán)境來(lái)適應(yīng)自己，是時(shí)候了！
近年來(lái)，有一種技術(shù)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，它從外表上看就是一張平平無(wú)奇的矩形薄板，卻可以靈活部署在無(wú)線通信傳播環(huán)境中，并實(shí)現(xiàn)對(duì)反射或者折射電磁波的頻率、相位、極化等特征的操控，從而達(dá)到重塑無(wú)線信道的目的。
這種技術(shù)，將有望在5G-Advanced協(xié)議中開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化，也被認(rèn)為是6G關(guān)鍵技術(shù)之一。
它的名字叫做“可重配智能表面”，也叫“智能反射表面”，英文為RIS（Reconfigurable Intelligence Surface）或者IRS（Intelligent Reflection Surface）。
下文，我們將以RIS來(lái)稱(chēng)呼這項(xiàng)技術(shù)。
RIS是何方神圣 ？
RIS的技術(shù)基礎(chǔ)，則是一種被叫做“信息超材料”的人工材料。下面我們將從“什么是超材料”開(kāi)始，講述RIS的基本原理。
超材料是指一類(lèi)自然界中不存在的，具有特殊性質(zhì)的人造材料。它們擁有一些特別的性質(zhì)，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質(zhì)，而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
超材料的英文是Metamaterial，看到這里的Meta，大家可能會(huì)覺(jué)得非常眼熟。沒(méi)錯(cuò)，最近大火的元宇宙Metaverse的前綴也是這個(gè)Meta。這個(gè)拉丁詞根，正是表示超出、另類(lèi)之意。
怎么個(gè)“超”法呢？
地球上已知的物質(zhì)都是由微觀原子構(gòu)成的，大量的原子按照一定的方式聚集起來(lái)，就形成了的宏觀物體，也決定了材料的物理性質(zhì)。
與此類(lèi)似，如果我們能設(shè)計(jì)出亞波長(zhǎng)大小的“人工原子”，并按照精密的幾何結(jié)構(gòu)排列，就能實(shí)現(xiàn)很多天然材料所不具備的性質(zhì)。這種超越天然材料的人工材料，理所當(dāng)然地就被稱(chēng)作“超材料”。
最早提出超材料概念的是前蘇聯(lián)的維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago），他于1965年提出了對(duì)“左手媒質(zhì)負(fù)折射”材料的物理猜想。
維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）
所謂負(fù)折射材料，是指其光學(xué)性質(zhì)與常見(jiàn)的玻璃、空氣等透明物質(zhì)的性質(zhì)不同，其入射和折射光位于法線同側(cè)，和常規(guī)折射的方向相反，也就是折射角為負(fù)。
1996年，英國(guó)的約翰·彭德里（John Pendry）爵士從理論上論證了負(fù)折射材料的存在。
約翰·彭德里（John Pendry）
2001年，美國(guó)的戴維·R·史密斯（David R. Smith）通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)折射現(xiàn)象，證實(shí)了超材料技術(shù)的可行性。
戴維·R·史密斯（David R. Smith）
2006年，約翰·彭德里和戴維·R·史密斯兩人強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，提出了變換光學(xué)，并成功設(shè)計(jì)出了世界上第一款隱身衣。
隱身衣原理示意
隱身衣實(shí)際效果
2011年，意大利科學(xué)家費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面廣義定律。
費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）
2013年，在美國(guó)國(guó)防部公布的“六大顛覆性基礎(chǔ)技術(shù)”中，超材料赫然位于榜首，這表明美國(guó)軍方對(duì)該技術(shù)前景的態(tài)度非常樂(lè)觀。
隨著相關(guān)理論和技術(shù)的成熟，在過(guò)去的十幾年中，超材料被廣泛用于操縱電磁波，實(shí)現(xiàn)了許多激動(dòng)人心的物理現(xiàn)象，如負(fù)折射、電磁黑洞和幻覺(jué)光學(xué)等等。
早期的超材料功能單一，只能按照固化的模式工作，不能實(shí)時(shí)調(diào)控電磁波，因此我們將其稱(chēng)之為模擬超材料。后來(lái)，超材料可通過(guò)數(shù)字編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)里面人工原子狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制，從而實(shí)時(shí)操控電磁波，就叫做“信息超材料”。
信息超材料的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，每一個(gè)人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏壓二極管的微電路組成，在不同的電壓下可以實(shí)現(xiàn)“ON”或者“OFF”等不同狀態(tài)，對(duì)電磁波的響應(yīng)也是不同的。
實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，人工原子也可以采用PIN管、三極管、MEMS、石墨烯、溫敏器件、光敏器件等其他材料。
“ON”和“OFF”這兩種狀態(tài)，正好可以對(duì)應(yīng)到信息世界的0和1，通過(guò)把這些單元配置為0或者1，超材料也就具備了動(dòng)態(tài)編碼的能力。
如上圖所示，在不同的編碼下，信息超材料可以通過(guò)反射形成不同形狀的電磁波束，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)操控電磁波的目的。
通過(guò)對(duì)信息超材料的深度設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波多個(gè)維度的操控，包括頻譜、相位、幅度、極化等等，這就為將其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
RIS有何能耐 ？
那么，RIS到底是怎樣重塑無(wú)線信道的呢？我們來(lái)看看下面這幾個(gè)典型的場(chǎng)景。
1. 覆蓋盲區(qū)消除。當(dāng)基站和終端之間有不可逾越的障礙物時(shí)，它們之間就是非視距信道，如果信號(hào)傳播環(huán)境單一，缺乏反射徑的話，終端所能接收到的信號(hào)是非常微弱的。
有了RIS，可以操控反射波束，對(duì)準(zhǔn)位于盲區(qū)的終端并動(dòng)態(tài)跟蹤，這就相當(dāng)于創(chuàng)建了虛擬的視距路徑，擴(kuò)展了小區(qū)的覆蓋范圍。
2. 物理層輔助安全通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)探測(cè)到竊聽(tīng)者或者非法用戶(hù)時(shí)，可以利用調(diào)控RIS的反射信號(hào)的相位，讓其和直射信號(hào)在接收時(shí)進(jìn)行抵消，從而減少信息泄露。
3. 多流傳輸增秩。當(dāng)信號(hào)傳輸的環(huán)境較為簡(jiǎn)單時(shí)，往往缺乏獨(dú)立的多徑，難以實(shí)現(xiàn)足夠的多流傳輸。通過(guò)RIS的反射，可以人為增加信號(hào)傳播路徑，更好地實(shí)現(xiàn)多流傳輸，提升熱點(diǎn)用戶(hù)的吞吐量。
4. 邊緣覆蓋增強(qiáng)。當(dāng)終端（下圖中的終端1）位于小區(qū)邊緣時(shí)，使用RIS動(dòng)態(tài)操控服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的反射信號(hào)，使服務(wù)小區(qū)的信號(hào)同相疊加增強(qiáng)，來(lái)自鄰區(qū)的信號(hào)則反相疊加抵消，從而有效消除鄰區(qū)干擾。
5. 大規(guī)模D2D通信。RIS可以通過(guò)對(duì)多路信號(hào)的智能反射，可以起到干擾抑制的作用，并同時(shí)進(jìn)行低功率傳輸，有助于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的D2D通信。
6. 物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)線功率和信息的傳輸。無(wú)線攜能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技術(shù)可以同時(shí)傳輸信號(hào)和能量，即在與無(wú)線設(shè)備進(jìn)行信息交互的同時(shí)，為無(wú)線設(shè)備提供能量。RIS可以起到類(lèi)似中繼的作用，通過(guò)無(wú)源波束來(lái)補(bǔ)償長(zhǎng)距離傳輸帶來(lái)的巨大能耗，幫助充電區(qū)域提高無(wú)線傳輸功率。
7. 室內(nèi)覆蓋。要解決室內(nèi)覆蓋，可以通過(guò)室外基站信號(hào)穿透建筑外墻或者窗戶(hù)，也可以部署專(zhuān)業(yè)的室分系統(tǒng)（蘑菇頭天線或者有源室分）。這兩種方式都有RIS的用武之地。
對(duì)于室外穿透室內(nèi)這種方式，可以在建筑窗戶(hù)的玻璃表面部署透明的RIS板，操控信號(hào)入射室內(nèi)，并能實(shí)現(xiàn)一定的增益。
此外，在室內(nèi)覆蓋場(chǎng)景，可通過(guò)RIS來(lái)操控室分系統(tǒng)的反射信號(hào)，從而增加額外鏈路，提升系統(tǒng)容量及可靠性。
8. 新型收發(fā)信機(jī)。除了可重塑無(wú)線信道之外，通過(guò)RIS還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)的功能。這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
既然RIS是可實(shí)時(shí)編碼的，那么我們將基帶信號(hào)以編碼的形式導(dǎo)入到RIS控制器，再將目標(biāo)頻段的射頻載波發(fā)射到RIS上，通過(guò)反射就可以將基帶信號(hào)調(diào)制到載波之上了。
這種架構(gòu)的發(fā)射機(jī)可省去復(fù)雜而低效的射頻鏈，節(jié)省高耗能的混頻器、功放等器件，從而顯著降低發(fā)射機(jī)的成本和功耗。
RIS離我們有多遠(yuǎn) ？
RIS這種創(chuàng)新技術(shù)，給我們帶來(lái)了諸多激動(dòng)而心而充滿(mǎn)想象力的應(yīng)用前景。那它目前實(shí)際測(cè)試的效果如何，技術(shù)是否成熟，研發(fā)處于什么狀態(tài)，我們什么時(shí)候可以用上RIS呢？
目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界正在積極探索RIS實(shí)際部署的性能，以期采用它來(lái)解決5G毫米波的覆蓋難題，并在未來(lái)也在太赫茲頻段中應(yīng)用。
IEEE ComSoC在2020年8月份成立了獨(dú)立的RIS-ETI工作組，IEEE JSAC等權(quán)威期刊已將RIS列為6G潛在技術(shù)加以研究。
今年，3GPP對(duì)5G下一階段演進(jìn)：5G-Advanced的標(biāo)準(zhǔn)化正式提上日程，RIS也正是R18協(xié)議重點(diǎn)的研究課題之一。
大量測(cè)試結(jié)果表明，RIS的部署可以將用戶(hù)吞吐量提升1~2倍，室外小區(qū)邊緣覆蓋提升3~4倍，室內(nèi)覆蓋提升約10dB?？梢?jiàn)，RIS可帶來(lái)的增益是非常明顯的。
作為通信系統(tǒng)的一部分，RIS的成熟度與不同頻段器件的成熟度密切相關(guān)。目前在較低頻段（Sub-6G，毫米波低頻段）的器件成熟度較高，然而在毫米波高頻段和太赫茲的成熟度較低，RIS的成本和能耗優(yōu)勢(shì)還難以充分體現(xiàn)。
此外，當(dāng)前RIS的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、基帶處理算法、以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)還都處于探索階段，現(xiàn)階段主要以性能驗(yàn)證為主，其商用部署還需要很長(zhǎng)的路要走。
并且，要大規(guī)模應(yīng)用RIS，選址和部署也存在一定的困難。RIS對(duì)信號(hào)的反射雖然可以做到準(zhǔn)無(wú)源，但其動(dòng)態(tài)編碼離不開(kāi)控制器，而控制器也是需要供電的，由此帶來(lái)的成本也不低，也限制了RIS的使用。
因此，建議業(yè)界在驗(yàn)證RIS技術(shù)時(shí)，先從預(yù)先編碼好的無(wú)源靜態(tài)RIS板開(kāi)始，再逐漸過(guò)渡到半靜態(tài)可控的RIS，然后再結(jié)合AI技術(shù)，驗(yàn)證全動(dòng)態(tài)編碼下的RIS。這也是循序漸進(jìn)、摸著石頭過(guò)河的歷程。
前途是光明的，道路是曲折的。RIS，這項(xiàng)旨在重塑無(wú)線傳播環(huán)境的創(chuàng)新技術(shù)，未來(lái)必將成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大突破。
讓我們?cè)?G時(shí)代見(jiàn)證RIS的輝煌。
參考文檔
1. Towards Smart and Reconfigurable Environment: Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Network. By Wu Q, Zhang R.
2. RIS前沿技術(shù)系列講座，東南大學(xué)，金石教授
3. 智能超表面技術(shù)演進(jìn)報(bào)告，6G推進(jìn)組
