智能超表面技術(shù)專題導(dǎo)讀

專題策劃人

趙亞軍，中興通訊股份有限公司無線研究院技術(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4G/5G 相關(guān)發(fā)明專利200 余項，其中有20余項納入4G/5G標(biāo)準(zhǔn)。

費澤松，北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，工業(yè)和信息化部重點學(xué)科實驗室副主任；主要研究領(lǐng)域包括移動通信（5G/6G）、衛(wèi)星通信、通信感知融合、智能通信等；先后主持國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項、國家重點研發(fā)計劃等科研項目10 余項；獲中國電子學(xué)會自然科學(xué)獎二等獎1項；發(fā)表論文100余篇。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)容量需求的持續(xù)快速增長，無處不在的無線連接將在未來十多年真正成為現(xiàn)實，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無線網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵問題。一直以來，“隨心所欲”地調(diào)控電磁波是人們不斷追尋的夢想。麥克斯韋方程組的出現(xiàn)使得人類對電磁波的掌控能力有了飛速提升，但受限于材料相對固定的電磁參數(shù)，人們對電磁波的控制力僅局限于發(fā)射機和接收機。

近年來，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)計的電磁單元排列組成，通過給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號，可以動態(tài)地控制這些電磁單元的電磁性質(zhì)，進而實現(xiàn)以可編程的方式對空間電磁波進行主動智能調(diào)控，形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場。作為超材料的二維實現(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)對未來無線網(wǎng)絡(luò)面臨的需求與挑戰(zhàn)。RIS的引入使得無線傳播環(huán)境從被動適應(yīng)變?yōu)橹鲃涌煽?，有助于?gòu)建一個人為可控的智能無線環(huán)境。

從2020 年開始，中國學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合開展了一系列RIS產(chǎn)業(yè)推進活動，極大地促進了RIS的技術(shù)研究與工程化進程。2020 年6 月，IMT-2030（6G）推進組無線技術(shù)組成立“RIS 任務(wù)組”；同年9 月，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）TC5-WG6 完成“RIS 研究項目”立項；2021 年9 月17 日，IMT-2030（6G）推進組在6G 研討會RIS 分論壇上正式發(fā)布業(yè)界首個《智能超表面技術(shù)研究報告》；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大會召開；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。

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

鄔江興院士、金梁教授等在《無線通信發(fā)展范式與RIS的賦能作用》中首次較為全面地闡述“改造定制無線環(huán)境”的無線通信發(fā)展新范式，并給出對于新范式的理論探索以及智能超表面賦能的實踐規(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)性團隊之一，來自東南大學(xué)的程強教授等在《智能超表面的設(shè)計及應(yīng)用》中較為系統(tǒng)地介紹了智能超表面的基本概念、物理機理和設(shè)計方法，以及空間波束賦形、非線性諧波調(diào)控和多諧波聯(lián)合調(diào)控技術(shù)，進而展示智能超表面技術(shù)的一些示范性應(yīng)用。

RIS的引入對無線信息與能量同傳帶來了新的可能，來自澳門大學(xué)的武慶慶等在《智能反射面輔助的無線信息與能量傳輸研究綜述》中全面介紹了RIS輔助無線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、無人機通信和多IRS協(xié)同輔助等6個新的研究主題和研究方向。

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

相對于傳統(tǒng)多輸入多輸出（MIMO），RIS的碼本設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)。來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》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)計方法。

RIS將成為未來通感一體化的關(guān)鍵使能技術(shù)之一。來自大連理工大學(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線通信系統(tǒng)和雷達感知系統(tǒng)的工作原理、性能優(yōu)勢和實際應(yīng)用，進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)勢及應(yīng)用前景。而來自北京理工大學(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、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《智能超表面輔助車載邊緣計算》中，針對障礙物遮擋對車聯(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載邊緣計算（VEC）部分任務(wù)卸載方案。

本專題文章由來自中國的高校和企業(yè)中從事RIS技術(shù)研究的專家學(xué)者撰寫，較為全面地反映了RIS技術(shù)創(chuàng)新的最新成果。在此，對各位作者的大力支持和精心撰稿表示衷心的感謝！希望本專題能對RIS技術(shù)的進一步研究和發(fā)展起到重要參考和積極推動作用。