近年來，智能超表面（RIS）技術逐漸引起了業界的廣泛關注。
從外表上看，它就是一張平平無奇的薄板。但是，它可以靈活部署在無線通信傳播環境中，并實現對反射或者折射電磁波的頻率、相位、極化等特征的操控，從而達到重塑無線信道的目的。
這種技術，被認為是6G關鍵技術之一。
究竟它有什么神奇之處？讓我們通過本文，一探究竟。
RIS是何方神圣 ？
智能超表面，也叫做“可重配智能表面”，或者“智能反射表面”，英文為RIS（Reconfigurable Intelligence Surface），或者IRS（Intelligent Reflection Surface）。
本文中，我們將以RIS來稱呼這項技術。
眾所周知，通信的三大主體，分別是信源（發送者）、信道（傳輸通道）和信宿（接收者）。
無線信道中，信號經歷了復雜的反射、折射、散射、繞射、穿透、干擾等一系列復雜的過程，很難做到完美傳播。
為了適應無線傳播環境，通信專家們最常用的手段，就是增強基站和終端的能力，或者優化組網架構。
比如采用高低頻協同、增大發射功率、增加收發天線數、頻選調度、多點協作、微站補盲等措施，千方百計地去克服無線信道的不確定性。
而RIS技術，換了一種思路，直接在無線傳輸信道上做文章。
RIS的技術基礎，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”開始，講述RIS的基本原理。
超材料是指一類自然界中不存在的，具有特殊性質的人造材料。它們擁有一些特別的性質，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質，而這樣的效果是傳統材料無法實現的。
超材料的英文是Metamaterial。看到這里的Meta，大家可能會覺得非常眼熟。
沒錯，最近大火的元宇宙Metaverse的前綴也是這個Meta。這個拉丁詞根，正是表示超出、另類之意。
怎么個“超”法呢？
地球上已知的物質都是由微觀原子構成的，大量的原子按照一定的方式聚集起來，就形成了的宏觀物體，也決定了材料的物理性質。
與此類似，如果我們能設計出亞波長大小的“人工原子”，并按照精密的幾何結構排列，就能實現很多天然材料所不具備的性質。
這種超越天然材料的人工材料，理所當然地，就被稱為“超材料”。
最早提出超材料概念的是前蘇聯的維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago），他于1965年提出了對“左手媒質負折射”材料的物理猜想。
維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）
所謂負折射材料，是指其光學性質與常見的玻璃、空氣等透明物質的性質不同，其入射和折射光位于法線同側，和常規折射的方向相反，也就是折射角為負。
1996年，英國的約翰·彭德里（John Pendry）爵士從理論上論證了負折射材料的存在。
約翰·彭德里（John Pendry）
2001年，美國的戴維·R·史密斯（David R. Smith）通過實驗驗證了負折射現象，證實了超材料技術的可行性。
戴維·R·史密斯（David R. Smith）
2006年，約翰·彭德里和戴維·R·史密斯兩人強強聯合，提出了變換光學，并成功設計出了世界上第一款隱身衣。
隱身衣原理示意
隱身衣實際效果
2011年，意大利科學家費德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面廣義定律。
費德里科·卡帕索（Federico Capasso）
2013年，在美國國防部公布的“六大顛覆性基礎技術”中，超材料赫然位于榜首。這表明，美國軍方對該技術前景的態度非常樂觀。
隨著相關理論和技術的成熟，在過去的十幾年中，超材料被廣泛用于操縱電磁波，實現了許多激動人心的物理現象，如負折射、電磁黑洞和幻覺光學等等。
早期的超材料功能單一，只能按照固化的模式工作，不能實時調控電磁波，因此我們將其稱之為模擬超材料。
后來，超材料可通過數字編碼實現對里面人工原子狀態的動態控制，從而實時操控電磁波，就叫做“信息超材料”。
信息超材料的基本結構如下圖所示，每一個人工原子（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現“ON”或者“OFF”等不同狀態，對電磁波的響應也是不同的。
實際實現時，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，正好可以對應到信息世界的0和1，通過把這些單元配置為0或者1，超材料也就具備了動態編碼的能力。
如上圖所示，在不同的編碼下，信息超材料可以通過反射形成不同形狀的電磁波束，從而實現動態操控電磁波的目的。
通過對信息超材料的深度設計，可以實現對入射電磁波多個維度的操控，包括頻譜、相位、幅度、極化等等，這就為將其在移動通信中的應用創造了條件。
RIS有何能耐 ？
那么，RIS到底是怎樣重塑無線信道的呢？我們來看看下面這幾個典型的場景。
1. 覆蓋盲區消除。
當基站和終端之間有不可逾越的障礙物時，它們之間就是非視距信道，如果信號傳播環境單一，缺乏反射徑的話，終端所能接收到的信號是非常微弱的。
有了RIS，可以操控反射波束，對準位于盲區的終端并動態跟蹤，這就相當于創建了虛擬的視距路徑，擴展了小區的覆蓋范圍。
2. 物理層輔助安全通信。
當網絡探測到竊聽者或者非法用戶時，可以利用調控RIS的反射信號的相位，讓其和直射信號在接收時進行抵消，從而減少信息泄露。
3. 多流傳輸增秩。
當信號傳輸的環境較為簡單時，往往缺乏獨立的多徑，難以實現足夠的多流傳輸。通過RIS的反射，可以人為增加信號傳播路徑，更好地實現多流傳輸，提升熱點用戶的吞吐量。
4. 邊緣覆蓋增強。
當終端（下圖中的終端1）位于小區邊緣時，使用RIS動態操控服務小區和鄰區的反射信號，使服務小區的信號同相疊加增強，來自鄰區的信號則反相疊加抵消，從而有效消除鄰區干擾。
5. 大規模D2D通信。
RIS可以通過對多路信號的智能反射，可以起到干擾抑制的作用，并同時進行低功率傳輸，有助于實現大規模的D2D通信。
6. 物聯網中無線功率和信息的傳輸。
無線攜能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技術可以同時傳輸信號和能量，即在與無線設備進行信息交互的同時，為無線設備提供能量。RIS可以起到類似中繼的作用，通過無源波束來補償長距離傳輸帶來的巨大能耗，幫助充電區域提高無線傳輸功率。
7. 室內覆蓋。
要解決室內覆蓋，可以通過室外基站信號穿透建筑外墻或者窗戶，也可以部署專業的室分系統（蘑菇頭天線或者有源室分）。這兩種方式都有RIS的用武之地。
對于室外穿透室內這種方式，可以在建筑窗戶的玻璃表面部署透明的RIS板，操控信號入射室內，并能實現一定的增益。
此外，在室內覆蓋場景，可通過RIS來操控室分系統的反射信號，從而增加額外鏈路，提升系統容量及可靠性。
8. 新型收發信機。
除了可重塑無線信道之外，通過RIS還可以實現信號發射機或者接收機的功能。這是怎么實現的呢？
既然RIS是可實時編碼的，那么我們將基帶信號以編碼的形式導入到RIS控制器，再將目標頻段的射頻載波發射到RIS上，通過反射就可以將基帶信號調制到載波之上了。
這種架構的發射機可省去復雜而低效的射頻鏈，節省高耗能的混頻器、功放等器件，從而顯著降低發射機的成本和功耗。
RIS離我們有多遠 ？
RIS這種創新技術，給我們帶來了諸多激動而心而充滿想象力的應用前景。那它目前實際測試的效果如何，技術是否成熟，研發處于什么狀態，我們什么時候可以用上RIS呢？
目前學術界和產業界正在積極探索RIS實際部署的性能，以期采用它來解決5G毫米波的覆蓋難題，并在未來也在太赫茲頻段中應用。
IEEE ComSoC在2020年8月份成立了獨立的RIS-ETI工作組，IEEE JSAC等權威期刊已將RIS列為6G潛在技術，加以研究。
今年，3GPP對5G下一階段演進：5G-Advanced的標準化正式提上日程，RIS也正是R18協議重點的研究課題之一。
大量測試結果表明，RIS的部署可以將用戶吞吐量提升1~2倍，室外小區邊緣覆蓋提升3~4倍，室內覆蓋提升約10dB。可見，RIS可帶來的增益是非常明顯的。
作為通信系統的一部分，RIS的成熟度與不同頻段器件的成熟度密切相關。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的成本和能耗優勢還難以充分體現。
此外，當前RIS的硬件架構設計、基帶處理算法、以及網絡架構設計還都處于探索階段，現階段主要以性能驗證為主，其商用部署還需要很長的路要走。
并且，要大規模應用RIS，選址和部署也存在一定的困難。RIS對信號的反射雖然可以做到準無源，但其動態編碼離不開控制器，而控制器也是需要供電的，由此帶來的成本也不低，也限制了RIS的使用。
因此，建議業界在驗證RIS技術時，先從預先編碼好的無源靜態RIS板開始，再逐漸過渡到半靜態可控的RIS，然后再結合AI技術，驗證全動態編碼下的RIS。這也是循序漸進、摸著石頭過河的歷程。
前途是光明的，道路是曲折的。RIS，這項旨在重塑無線傳播環境的創新技術，未來必將成為移動通信領域的重大突破。
讓我們在6G時代見證RIS的輝煌。
