關(guān)鍵詞：5G/6C網(wǎng)絡(luò)；信息超材料；智能超表面；通信；感知

0引言

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出前瞻布局6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)儲備的發(fā)展方向。目前，6G的前瞻布局已在全球范圍內(nèi)穩(wěn)步展開，成為各國科技競爭的焦點(diǎn)，其技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)競爭已成為改變?nèi)蚪?jīng)濟(jì)、政治、安全乃至醫(yī)療領(lǐng)域的重要因素，其發(fā)展水平已成為一個國家國力的重要體現(xiàn)。6G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)儲備強(qiáng)化數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新，已成為我國信息基礎(chǔ)設(shè)施的重中之重。

智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）是算法控制的數(shù)字化、可編程化和智能化的人工微結(jié)構(gòu)陣列。RIS起源于數(shù)字編碼與現(xiàn)場可編程超材料及融合電磁物理世界與數(shù)字世界的信息超材料，目前已發(fā)展成一種能根據(jù)自身或周圍環(huán)境變化進(jìn)行自適應(yīng)感知、推理和決策等功能的智能信息系統(tǒng)。信息超材料和RIS可用來實(shí)現(xiàn)新奇的物理現(xiàn)象、設(shè)計(jì)高性能器件、研制集多功能于一體的信息系統(tǒng)，在低成本、低功耗和易部署等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。RIS在5G和未來6G網(wǎng)絡(luò)中具有重要機(jī)遇和應(yīng)用前景。我國于2020年將RIS列為IMT2030（6G）候選技術(shù)之一，引起世界各國的高度重視；2022年由中國移動、中國聯(lián)通、東南大學(xué)等國內(nèi)外87家高校、企業(yè)、科研院所、政府智庫共同組成的“智能超表面技術(shù)聯(lián)盟”在北京成立，旨在推動RIS的產(chǎn)、學(xué)、研、用全產(chǎn)業(yè)鏈多方參與并形成合力；2023年RIS入選我國物聯(lián)網(wǎng)十大技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展趨勢。

近年來，國內(nèi)外在信息超材料和RIS方面的研究取得了顯著進(jìn)展，東南大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、香港中文大學(xué)（深圳）、美國麻省理工學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)分別開發(fā)研制了多個RIS原型機(jī)，實(shí)測驗(yàn)證了RIS在通信、感知和計(jì)算等領(lǐng)域的重要潛力。日本NTT Docomo、英國電信、中國移動、中國聯(lián)通等運(yùn)營商，以及華為、中興通信、中信科移動等設(shè)備商也在實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)中對RIS進(jìn)行了性能測試，驗(yàn)證了RIS可顯著提升信噪比及其他關(guān)鍵性能指標(biāo)。2023年，中興通訊攜手中國移動發(fā)布了動態(tài)RIS原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多個波束的快速掃描和實(shí)時(shí)用戶跟蹤。同年，東南大學(xué)聯(lián)合杭州錢塘信息高等研究院、中國移動，在杭州亞運(yùn)會的多個場館內(nèi)開展了RIS的示范應(yīng)用，是RIS首次在全球范圍內(nèi)的大型賽事中亮相。

1信息超材料和RIS通信技術(shù)

信息超材料是將“信息”和“電磁波”物理融為一體的智能平臺。利用其實(shí)時(shí)可編程調(diào)控電磁波的能力，RIS建立了從“被動適應(yīng)無線環(huán)境”到“主動改變無線環(huán)境”的無線通信新范式。如圖1所示，通過建立RIS輔助的智能無線環(huán)境，有望解決未來6G無線網(wǎng)絡(luò)在信號覆蓋范圍、通信質(zhì)量、系統(tǒng)能耗等方面的諸多問題與挑戰(zhàn)。

目前，信息超材料和RIS通信技術(shù)已吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，在基礎(chǔ)理論、算法設(shè)計(jì)、器件與系統(tǒng)演進(jìn)等方面均取得了顯著進(jìn)展。

在基礎(chǔ)理論方面，目前發(fā)展了較成熟的RIS信道增強(qiáng)理論，為分析RIS無線信道在多用戶分布、基站天線數(shù)、多址接人方式下的自由度、遍歷容量、中斷概率和檢測差錯概率等提供了重要理論指導(dǎo)。此外，也開展了信息超材料和RIS信息論方面的探索。這些結(jié)果表明，信息超材料和RIS有望提升無線通信信息傳輸速率和無線覆蓋效果，發(fā)掘系統(tǒng)性能提升的新增長點(diǎn)。

在算法設(shè)計(jì)方面，目前研究集中在信道估計(jì)和波束賦形等方面。信道估計(jì)是RIS通信系統(tǒng)高效工作的重要前提，但由于RIS單元數(shù)量龐大，RIS信道估計(jì)仍是一個公開的挑戰(zhàn)性難題。目前有兩類RIS信道估計(jì)方法：第一類方法利用RIS信道在時(shí)空維度上的結(jié)構(gòu)化特性來降低信道估計(jì)的導(dǎo)頻開銷，提高信道估計(jì)效率；第二類方法通過在RIS上加載感知器件（例如毫米波雷達(dá)、攝像頭等），利用多種信道物理特性與多元信息融合進(jìn)行信道估計(jì)。RIS波束賦形是增強(qiáng)通信質(zhì)量的關(guān)鍵，其中廣泛采用的波束賦形方法主要包括三類：①基于交替迭代的優(yōu)化方法，聯(lián)合迭代求解最優(yōu)的發(fā)射機(jī)和RIS的波束賦形權(quán)值；②基于碼本設(shè)計(jì)的波束搜索方法，利用預(yù)訓(xùn)練的碼本實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式搜索；③基于AI的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接生成RIS波束賦形所需參數(shù)。

在器件演進(jìn)方面，近年來業(yè)界涌現(xiàn)出一些對通用RIS器件的演進(jìn)方案，主要包括三個方向：①從無源到有源?，F(xiàn)有RIS大多是準(zhǔn)無源的，使得RIS反射鏈路面臨固有的“乘性衰落”效應(yīng)，而有源RIS通過在單元上集成功放來放大反射信號，可有效解決上述問題。②從低精度到高精度。為提高RIS波束賦形精度，業(yè)界提出了多種高分辨率RIS移相方法，可將移相精度從1bit提高到2bit甚至更高。③從反射到透射。主流RIS是反射式的，近年來出現(xiàn)了透射式RIS、聯(lián)合反一透射式RIS等新形態(tài)，以支持室外RIS同時(shí)服務(wù)于室內(nèi)外用戶，擴(kuò)大RIS的應(yīng)用范圍。

在系統(tǒng)演進(jìn)方面，基于時(shí)空編碼信息超材料對電磁波和數(shù)字信息的一體化調(diào)控機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字（基帶）射頻一體化，涌現(xiàn)出無需數(shù)模轉(zhuǎn)換、混頻等核心器件與模塊的新體制無線通信系統(tǒng)原型，包括BFSK、QPSK、8PSK、16QAM、256QAM等調(diào)制方式的極簡架構(gòu)以及空間一頻率分集復(fù)用和空間一頻率一極化分集復(fù)用的新體制架構(gòu)，有望為提升系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)成本與能耗開辟新途徑。

2信息超材料與RIS感知技術(shù)

信息超材料與RIS感知是指利用超表面對目標(biāo)狀態(tài)和行為進(jìn)行觀測、理解和預(yù)測的一種技術(shù)。信息超材料與RIS感知技術(shù)有兩種模式：一是通過操控協(xié)作信號實(shí)現(xiàn)目標(biāo)感知，即主動模式；二是調(diào)控空間中無處不在的已有電磁信號，將其轉(zhuǎn)化為“有用”信號，以極低成本和能耗實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的目標(biāo)感知，即被動模式。相比于現(xiàn)在廣泛使用的雷達(dá)感知技術(shù)，信息超材料和RIS感知具有以下幾方面的獨(dú)特優(yōu)勢。

在基礎(chǔ)建設(shè)方面，RIS感知技術(shù)具有低成本、低能耗、低剖面、易共形、易部署的特點(diǎn)，與我國“低碳”高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃高度契合。

在電磁機(jī)理方面，時(shí)空編碼信息超表面具有時(shí)一空一頻一極化等多維度電磁調(diào)控的特點(diǎn)，能勝任現(xiàn)有雷達(dá)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的感知任務(wù)。例如，利用時(shí)空編碼聯(lián)合操控的RIS可實(shí)現(xiàn)非互易電磁操控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測和隱身這兩個矛盾體的一體化；基于信息超材料也可實(shí)現(xiàn)通信和電磁攻擊一體化。文獻(xiàn)[14-16]提出了RIS電磁攝像機(jī)的概念，利用RIS調(diào)控WiFi信號實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和非視距人體成像、生命體征監(jiān)測以及肢體語言識別等一系列復(fù)雜的感知任務(wù)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有雷達(dá)感知體制將數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理視作兩個相對獨(dú)立、呆板的模塊，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴、數(shù)據(jù)采集效率低、數(shù)據(jù)后處理任務(wù)繁重等難題。例如，相控陣體制使用大規(guī)模有源天線陣實(shí)現(xiàn)高效率感知，但系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴，在一些實(shí)際情況中甚至難以實(shí)現(xiàn)。RIS感知技術(shù)充分利用信息超材料強(qiáng)大的電磁物理操控和信息處理能力，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和處理一體化。例如，文獻(xiàn)[17]提出并研制了機(jī)器學(xué)習(xí)賦智賦能的高速編碼RIS，其中RIS不僅作為天線進(jìn)行微波信號的輻射和接收，而且借助電磁波與RIS的相互作用，在物理層進(jìn)行微波數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理一體化的智能感知。

信息超材料和RIS不僅是通信和感知有效的單項(xiàng)技術(shù)，而且近年來實(shí)現(xiàn)了基于RIS的感知通信一體化。更進(jìn)一步，信息超材料與人工智能結(jié)合，孕育出電磁智能體的發(fā)展趨勢。例如受文獻(xiàn)[18-19]啟發(fā)，可構(gòu)造出信息超材料智能體。其中，利用現(xiàn)代大模型作為大腦負(fù)責(zé)抽象任務(wù)推理和規(guī)劃，RIS作為小腦負(fù)責(zé)控制具體電磁任務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為四肢負(fù)責(zé)執(zhí)行具體任務(wù)，如圖2所示?；诖?，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境的自主感知，以及與周圍物理空間環(huán)境的自主交互?？梢哉雇?，在6G時(shí)代，信息超材料電磁智能體將在人一機(jī)聯(lián)盟社會中扮演重要角色，為人類社會的健康發(fā)展提供重要保障。

3結(jié)束語

信息超材料和RIS在6G時(shí)代具有重要潛力，但其實(shí)際部署與應(yīng)用仍然面臨一些挑戰(zhàn)，需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界攜手突破，主要體現(xiàn)在如下三個方面。

在實(shí)時(shí)動態(tài)的RIS波束設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有的RIS原型驗(yàn)證大多基于靜態(tài)或半靜態(tài)方式。要根據(jù)實(shí)時(shí)變化的無線通信環(huán)境來靈活調(diào)整RIS波束，這涉及到對大量RIS單元的實(shí)時(shí)控制。因此，在功耗、器件速度、算法復(fù)雜度等因素的制約下，實(shí)時(shí)動態(tài)的RIS波束設(shè)計(jì)面臨較大挑戰(zhàn)。此外，物理層和網(wǎng)絡(luò)層的跨層優(yōu)化和信令交互也是一個復(fù)雜的問題，對現(xiàn)有系統(tǒng)的架構(gòu)和協(xié)議設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

在RIS獨(dú)立自主控制方面，由于RIS通常不具備信號處理能力，現(xiàn)有的RIS基本是在基站的控制下工作。這種方式需要在基站和RIS之間建立有線或無線的控制通道，導(dǎo)致RIS大規(guī)模部署困難。同時(shí)，復(fù)雜的控制流程將引入大量的額外信令開銷，對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的信令協(xié)議改動較大。因此，研發(fā)獨(dú)立自主控制的RIS，使RIS能脫離基站控制而獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自主信道感知和自主控制，有望解決上述難題。

在RIS實(shí)際部署中，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)大多有多家運(yùn)營商同時(shí)運(yùn)營，且不同運(yùn)營商占用的頻帶資源非常接近，而現(xiàn)有RIS設(shè)計(jì)無法保證足夠的帶外衰減。因此．目標(biāo)運(yùn)營商對其所屬RIS的調(diào)整會改變相鄰頻段其他運(yùn)營商的無線傳播環(huán)境，導(dǎo)致多運(yùn)營商之間的干擾。未來可以通過改進(jìn)RIS硬件設(shè)計(jì)以提升帶外衰減，并精心設(shè)計(jì)RIS相位以盡量避免改變相鄰頻段運(yùn)營商的傳播環(huán)境，從而解決RIS的多運(yùn)營商干擾問題。