智能表面(RIS)技术具有低成本、低能耗、可编程和易部署的特点。通过构建智能可控的无线环境，RIS有机会突破传统无线通信的束缚，为未来的移动通信网络带来全新的范式，因此具有广阔的技术和产业前景。认为在当前和未来的应用中，需要明确智能超表面技术在理论模型、应用技术、工程研究和标准化推进等方面面临的诸多问题和挑战。

1、研究背景

随着无线网络容量需求的持续快速增长，无处不在的无线连接将在未来十年左右成为现实，而交流-感知-计算也将成为可能。然而，高度复杂的网络、高成本的硬件和不断增加的能耗将成为未来无线网络面临的关键问题[1]。

长期以来，随意控制电磁波一直是人们不断追求的梦想。麦克斯韦方程使人美国控制电磁波的能力迅速提高。但是，由于材料的电磁参数相对固定，人们美国控制电磁波的能力仅限于发射器和接收器。近年来，智能超曲面(RIS)可以灵活控制信道环境中的电磁特性，自出现以来就引起了业界的广泛关注。RIS通常由大量精心设计的电磁单元组成。通过向电磁单元上的可调元件施加控制信号，RIS可以动态控制这些电磁单元的电磁特性，从而以可编程的方式实现空间电磁波的主动智能控制，形成相位、幅度、极化和频率可控的电磁场。RIS作为超材料的二维实现，天然具有低成本、低复杂度、易部署的特点，可用于解决未来无线网络面临的问题。随着RIS的引入，无线通信环境从被动适应转变为主动控制，从而构建了智能无线环境(SRE)[2]。

自2020年以来，中国学术界和工业界联合开展了一系列RIS产业促进活动，极大地推动了RIS的技术研究和工程化进程。2020年6月，国际移动通信(IMT) -2030推进小组无线技术组成立了RIS特遣部队。同年9月，中国通信标准协会(CCSA)TC5-WG6成立RIS研究项目。2021年9月17日，IMT-2030 (6G)推进组正式发布行业6G研讨会RIS分论坛第一场《智能超表面技术研究报告》。2021年9月24日，首届智能超表面技术论坛1是以实现智能无线环境，重构未来移动通信网络[3].2022年4月7日，智能超表面技术联盟(RISTA)2及其第一次会员大会在北京召开，这标志着智能超表面技术联盟正式成立[4]。

目前，中国在RIS的材料技术、理论研究、实现算法和工程试验方面做出了巨大贡献。作为未来关键通信技术的潜在方向，RIS有机会提前在5G-Advanced网络中落地，并可能在未来的6G网络中启用智能无线环境，从而带来全新的网络范式[5]。

最近，业界在现有网络中对RIS技术进行了一系列测试和验证[6-10]。许多测试结果表明，部署RIS可以有效提高无线网络的吞吐量和覆盖性能。

RIS作为一种动态电磁参数控制技术，已经在许多领域初步展示了其强大的性能。然而，在大规模商用之前，RIS在技术研究、工程应用、网络部署和标准化方面仍面临诸多问题和挑战。本文将从背景、基础和关键技术、典型应用场景、趋势和挑战等方面对RIS进行探讨。

2、RIS的理论与技术

RIS是多学科融合的技术。存在

广义来说，RIS是超材料(也叫电磁超材料)的一个分支。材料可分为三维超材料和二维超曲面，超曲面可分为固定参数超曲面和动态可调超曲面。RIS通常被认为是一个动态可调的超曲面。当然，工业界有时认为固定参数超曲面是RIS研究的一个特例。超材料最初被称为左手材料和双重负面媒体。1967年，V. VESELAGO教授用俄文发表了一篇论文。1968年，这篇文章被翻译成英文出版[11]。本文提出了左手材料首次提出，即介电常数和磁导率为负的材料，并系统分析了电磁波在双负介质中的传播特性，从理论上预言了许多新奇的反常调节现象。1996年J. B. PENDRY爵士认识到并验证了负介电常数[12]，1999年提出了周期排列验证负磁导率[13]。人工电磁表面(即超表面)最早的研究是D. F. SIEVENPIPER教授在1999年提出的蘑菇状高阻抗表面(HIS)[14]。

传统的等效介质参数(介电常数和磁导率)可以用来描述三维超材料的电磁特性，但不再适合分析二维超曲面[15]。根据超曲面的二维结构特点，研究者们提出了各种理论进行分析和建模。其中，最有代表性的是广义的斯内尔卡帕索教授提出的万有引力定律。s团队在2011年[16]。广义斯内尔定律可以很好地描述电磁超曲面的物理特性，如公式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

其中，公式(1)是广义Snell 的折射定律，公式(2)是广义的斯内尔反射定律，ni和nt是入射和出射界面的折射率，i和t是入射角和出射角。

也有学者提出，应该用基于著名麦克斯韦方程组的现代电磁学来分析超曲面的二维结构特征，如图1所示。2016年，约翰杨教授及其研究小组提出了界面电磁学首次对超曲面的电磁特性进行分析[17]。界面理论旨在通过分析和解释二维界面上的各种电磁现象来指导各种电磁表面的设计和优化。

图1空间域电磁问题分类方法[18]

早期超曲面的物理结构确定后，其功能和性能也就确定了。因为不支持按需动态调整，所以灵活性有限。之后，可调超曲面成为研究的主流。有源元件(如开关二极管、变容二极管等。)或可调材料(如液晶、石墨烯等。)都集成在超曲面上。通过改变外部激励，固定物理结构的上表面可以呈现动态可调或可重构的电磁特性。

初始超表面通常用连续或准连续的表面极化率、表面阻抗、振幅和相位来表征界面处的电磁特性。这些表象是基于物理层面的，可以称为模拟超曲面。2014年，东南大学崔铁军教授团队提出了数字编码和可编程超材料/超表面，并创新性地用二进制编码的形式来刻画超曲面[19]，标志着超曲面从模拟时代向数字时代的过渡。对可调超曲面的可调物理特性进行数字化编码后，就可以利用计算机科学领域成熟的编码理论和软件算法对超曲面的物理参数进行优化设计。这样，人工智能(AI)算法可以更好地用于智能调控[20]。2017年，崔铁军教授团队发表论文总结了现有的研究，提出了信息超材料/超表面[21].

除了上述分析RIS身体特征的理论，当RIS是我们

2008年，F. K. GRUBER教授首先提出了电磁信息论(EIT)的概念来分析大规模多输入多输出(MIMO)系统的性能[23]。2021年，清华大学戴凌龙教授提出用EIT理论揭示RIS无线通信系统容量的基本物理极限。本文指出，EIT可以建立一个新的分析框架来推导通信系统的自由度(DoF)、信道容量等重要性能要求[24]。

2.2关键技术

2.2.1硬件结构和规定

无论是用于新型无线收发机，还是用于无线传输的中继节点，RIS的硬件架构都包括三个部分：可重构电磁面、馈电系统和控制系统。可重构电磁表面是调节系统中空间波的主体，其结构是周期性或准周期性排列的表面单元阵列。控制系统可以通过为可重构电磁面非线性器件配置低频控制信号来改变局部单元的电磁特性，从而实现对来自馈源系统的高频信号的动态调节。

(1)可重构电磁表面结构设计

可重构电磁面设计是RIS技术的初衷和核心。需要根据实际应用需求确定单元的设计目标，进而优化单元体和偏置电路的设计。首先需要在电磁仿真软件中建立合适的主体模型，包括周期性边界条件、Floquet端口激励、非线性元件的等效RLC模型等。然后选择合适的单元几何结构进行设计优化，使其在所需频段内满足预设的设计要求，例如1比特反射单元的反射幅度接近0 dB，反射相位差为180[25]；最后，需要考虑用于连接控制系统的偏置线的结构，并验证其对机组性能的影响。1位数字相位控制单元及其反射相位如图2所示。

图2 1 bit数字相位控制单元及其反射相位[25]

(2)控制系统的设计

系统的控制方式主要包括机械控制、模拟信号控制和数字信号控制。机械控制由于响应速度慢，目前很少使用；在模拟信号控制中，控制模块产生连续分布的电平，用连续变化的参数控制变容二极管等器件产生不同的响应。在数字信号控制中，控制模块产生不同的电平，并控制开关器件如PIN二极管(P-I-N二极管)产生不同的响应。其中，数字信号控制根据可控状态的个数可分为1位、2位或更多位的状态控制，但更多的控制位会导致表面结构的复杂度急剧增加，使得设计和实现更加困难。

系统软件设计的核心是控制码表的设计，即根据电磁波束的方向设计可重构电磁面元的相位分布。目前提取控制码表有两种方式：一种是离线查表方式，预先计算并存储各个方向的码表，使用时根据上位机的指令按照地址提取并分配相应的码表；另一种是在线计算模式，将码表计算程序植入处理单元，由处理单元完成码表计算。

基带算法

(1)渠道建模

在传输信号模型中，信道响应矩阵是极其重要的一部分。作为一种将环境转化为智能可重构电磁空间的潜在技术，RIS为其辅助传输系统建立了准确高效的无线信道模型，这是保证无线通信系统及相关技术评价合理性的基础。当前主流的信道建模方法包括基于几何的统计建模和基于射线追踪的确定性建模。统计建模方法通过专用测量设备采集真实场景中的信道数据，通过大尺度和小尺度参数统计描述信道数据的隐藏特征。2021年，院士

与传统的MIMO系统相比，RIS无线系统的特性给信道估计带来了新的挑战。首先，典型的RIS一般采用全无源元件，不具备复杂的信号处理能力，难以估计信道状态信息(CSI)。具有一些有源元件的RIS可以独立地估计CSI，但是它需要在信道估计与复杂度和成本的要求之间进行权衡[27]。其次，RIS超大型天线阵带来了高维信道估计的复杂性。此外，RIS的引入带来的分段信道特性也给RIS的信道估计带来了新的问题。

一方面，可以利用信道的双时间尺度特性进行分段信道估计，即用户设备(UE)的低维移动信道估计是频繁的，而高维的准静态基站(BS) -RIS信道只需要信道统计，不需要频繁的信道估计，从而降低整体的导频开销[28]。另一方面，通过优化RIS电磁单元的分组，可以降低估计高维RIS信道[29]和多用户信道[30]的复杂度。在高频场景下，可以利用RIS信道矩阵的低秩特性构造联合稀疏矩阵，设计矩阵填充问题实现级联信道估计[31]，也可以利用多用户信道在角度域的稀疏性降低导频开销[32]。RIS面板可以分成不同的子块，每个子块在不同的时隙采用不同的控制系数矩阵，依次估计待估计的信道[33]。通感技术的发展使得利用感知信息辅助RIS信道估计成为可能[34]。此外，考虑到工程应用的复杂性，基于码本的信道估计是典型的低复杂度信道估计方法，但RIS信道的分段和近场特性会给传统的码本方案带来挑战[35]。

(3)波束形成

RIS引入的级联信道和超大天线阵的特性使得系统的波束形成设计更加复杂。借鉴了RIS大规模MIMO混合波束形成的模型架构。从系统模型的角度，RIS可以看作是一个外部模拟波束预编码单元，并设计了相应的相移矩阵。也就是说，RIS使用模拟波束形成来调节发射机信号的电磁波反射。

与传统波束形成相比，RIS波束形成具有一些新的特点：

大规模RIS电磁单元的数量使得波束形成的电磁控制参数设计更加复杂。信道降维和电磁单元分组是平衡波束形成性能和复杂度的有效方法。

RIS的传播信道是分段的，需要联合优化基站的主动波束和RIS的被动波束的设计。

超大天线口径带来传播信道近场特性。

现有的波束训练设计依赖于基于远场信道模型设计的远场码本。然而，由于RIS天线的大口径，用户更有可能在RIS的近场区域。参考文献[35]设计了与近场信道模型相匹配的近场码本，提出了一种有效的近场波束训练方案。

2.2.3网络设计

考虑到通信环境的复杂性以及RIS部署和调控的复杂性，我们可以将部署场景分为两类：小范围的有限区域和大范围的复杂环境。这两种场景在RIS网络部署的原则和要求上有很大的不同。可控范围小的有限区域有机会部署足够密度的RIS，实现精确的电磁环境智能控制。对于大规模复杂环境，RIS主要调控现有或新引入的主要传播路径/主要散射体，半动态或静态调控无线信道的大规模特性。所需的RIS简单、易于部署且成本低。

将RIS引入无线网络也将给网络共存带来新的挑战。文献[36]分析了RIS网络的共存性，并提出了可能的解决方案。在实际网络中，RIS面板上的无线信号包括目标信号由RIS和其他非目标信号。RIS将同时调节这两种信号。通过调整电磁波的振幅、相位和极化，RIS可以增强“电磁波的传播”目标信号并对非目标信号&quot。在失控的情况下，RIS对非目标信号这将导致严重的网络共存问题。文献中提出了两种解决方案，即带通滤波层的多层RIS结构和RIS阻塞机制。此外，这种网络共存问题也表明，大规模部署的RIS需要受到网络的控制，以抑制其随机的意外的异常调节非目标信号并且避免了网络性能的严重恶化。

2.3原型验证

(1)内场测试

2018-2021年，普林斯顿大学、麻省理工学院和加州大学圣地亚哥分校分别建成了LAIA、RFocus[37]和ScatterMIMO[38]的2.4 GHz智能超曲面原型系统；欧洲研究机构也在智能超曲面研发领域设立了VisorSurf和ARIADNE项目。通过数百次散射测试，验证了智能超曲面在室内场景中的波束形成、覆盖增强和多流增长能力。

我国智能超曲面原型系统的研发与其他国家基本同步。东南大学团队构建了智能超曲面单输入单输出二进制频移键控(SISO BFSK)/正交相移键控(QPSK)/八进制相移键控(8 PSK)/16 QAM(16符号正交调幅)/64QAM、MIMO QAM等一系列原型系统。清华大学团队开发了2.3 GHz/3.5 GHz/5.8 GHz/26 GHz/28 GHz频段64/100/256/1 024/2 304/4 096阵元等一系列原型系统[39-40]；香港中文大学(深圳)、华中科技大学、西安电子科技大学等多个团队开展了研发；智能超面原型系统的研发和创新，并与各大设备厂商在内场典型场景下进行系统联调和测试，不断验证智能超面在覆盖盲区和多流提速方面的性能增益。

(2)现场测试

2018年，NTDoCoMo首次开展28 GHz智能超曲面外场测试，验证智能超曲面毫米波覆盖的补盲能力；2020年，首次开展毫米波段透明动态超表面验证试验；2021年，超曲面镜头将进一步用于验证室外到室内的覆盖增强能力。2022年，韩国LG公司进行了3.5 GHz和28 GHz频段的智能超曲面外场测试验证。

国内三大运营商也开始了智能超曲面的外场测试验证。2021年下半年，中国联通[8]、中国移动[6]和中国电信[7]分别在3.5 GHz、2.6 GHz和毫米波频段开展了智能超曲面技术的5G外场测试，验证了智能超曲面系统能够有效提升5G网络深度覆盖和扩容能力。近日，北京邮电大学开展了面向工业场景的智能超地表环境自适应理论和快速通道重构方法研究，以保障复杂电磁环境下工厂的顺畅高效运行。

3、 ris ris技术的典型场景

近年来，根据RIS技术的特点，学术界和工业界对其典型应用场景进行了分析。本文在前人研究的基础上，根据RIS技术的发展阶段以及5G-Advanced和6G网络的发展趋势，进一步分析了RIS在5G-Advanced和6G网络中的典型场景。

3.1 5G-A阶段的典型场景

在5G-Advanced阶段，RIS将重点支持以下典型场景中6GHz以下和毫米波频段的传统通信场景的覆盖或速率提升

对于业务密集的热点，可以通过RIS增加额外的无线通信路径和信道子空间，提高信号传输的复用增益。尤其是在视距传输场景下，当引入基于RIS的可控信道时，发射和接收天线阵列之间的信道的空间相关特性将大大改善，可用于数据传输的子空间数量将增加，从而大大提高系统的传输性能。

对于小区边缘区域，有用信号的电平较弱，缺乏多径环境，因此终端侧的多天线能力可以不能充分发挥它的作用。在发射机和接收机之间增加了RIS设备，使小区边缘的用户可以根据需要利用终端的多天线能力，大大提高了传输性能。

3.2 6G阶段的典型场景

(1)RIS支持高频通信。

毫米波和太赫兹是5G-Advanced和6G的潜在工作频段。高频信号最明显的特点是路径损耗大，小区半径小，受障碍物、雨雪天气、环境吸收等影响大。根据3GPP 38.901(第三代合作伙伴计划中的协议)，在相同条件下，28 GHz毫米波信号的路径传输损耗增加约18db；与3.5 GHz信号相比。在穿透损耗方面，对于低频毫米波信号，混凝土和红外反射玻璃制成的障碍物几乎无法穿透。如表1所示，树叶、人体、车体等障碍物对低频毫米波信号的穿透损耗。高于10 dB，这导致在覆盖区域内的大部分区域中通信质量从好变到很差。因此，高频通信必然面临覆盖半径小、盲区多、部署运营成本高的严峻局面。

表1高频信号穿透损耗理论值和实测值3GPP

在基站和终端用户之间部署智能超面设备，可以在视距通信不可达或信号质量差的盲区或小区边缘按需动态建立非视距链路，从而提高网络深度覆盖质量，减少覆盖盲区。未来，随着超材料天线的应用和普及，智能超材料表面设备将更加多样，比如建筑外墙的装饰层。低成本、低功耗、易于部署的智能超面设备将是基站的有效补充和延伸。

(2) RIS使轨道角动量成为可能

OAM技术有望突破传统通信中的香农极限，缓解频谱资源短缺和频段拥塞问题，因此成为6G潜在的关键技术之一。产生OAM涡流电磁场的方法有很多种，其中一种是基于智能超曲面的涡流电磁场产生方法。通过反射式和投射式智能超表面，可以产生双极化双频多模OAM涡旋电磁波，实现OAM涡旋电磁波线极化和圆极化的灵活转换。

(3)RIS实现了传播感知的整合

未来，移动通信系统正朝着更加智能化和软件化的方向发展，并且有望通过集成环境感知技术、用户定位功能和智能无线环境的新范式来进一步扩展其网络能力和应用场景。在智能超曲面辅助的无线通信系统中，利用智能超曲面的时空调制能力，不仅可以在非视距环境下建立虚拟视距链路，通过优化智能超曲面的反射系数矩阵提高通信链路质量，按需动态提供波束形成增益，还可以使系统在同等条件下具有更大的天线口径和更高的定位精度，实现高精度的感知定位能力。

:技术挑战和趋势

RIS技术的挑战和趋势主要涉及理论模型、应用技术、工程研究等方面。

虽然在描述RIS的理论模型方面已经有了一些积累(见2.1节)，但仍有必要进一步探讨

在应用技术研究方面，现有研究主要针对解决传统无线通信中的经典问题，如信道估计、波束形成、信息调制等，而对基于RIS的通感融合、AI使能的RIS[41]和基于RIS的保密通信等新型应用领域的研究投入不足，相关研究成果较少。此外，现有的研究大多基于一些简单的系统模型，所提供的机制一般只适用于理想场景。因此，后续研究需要关注RIS的新应用领域，考虑更复杂的模型。

在工程研究方面，虽然已经有了一些RIS原型的简单测试，在特定场景下也表现出了一些性能增益，但是距离真正的工程应用还有很长的路要走。

(1) RIS标准化。3GPP 5G-A Rel-18建立了Smart[1]Repeater，为RIS奠定了良好的基础Rel-19中的s标准化项目及其基于5G网络的标准化工作。与5G-A的标准化不同，6G标准有望成为RIS 6G标准化工作中一个全新的标准协议。因此，未来的RIS标准化工作将不需要考虑与传统系统的兼容性，届时RIS技术研究将更加成熟。

(2) RIS网络部署。从RIS工程应用的角度来看，可以采用三阶段网络部署方式：第一阶段，在5G现有网络中部署少量非标准静态RIS面板，解决覆盖空洞问题，尤其是高频覆盖问题；第二阶段，部署基于5G-A标准化机制的半动态可调RIS，优化网络的连续覆盖；第三阶段：在未来无线网络中部署智能灵活的RIS泛在，构建智能可控的无线环境，为未来6G带来全新的通信网络范式。

5结束语

移动通信网络是支撑各行各业数字化转型升级、推动经济发展质量、效率和动力变革的关键基础设施。未来移动通信网络将面临频谱资源短缺、芯片集成度要求高、无线信道不可控、设备能耗高等一系列挑战。智能超曲面具有低成本、低能耗、可编程、易部署等特点。构建智能可控的无线环境，将为未来无线网络带来全新的范式，有机会成为基础原始创新的突破领域，同时引领全球产业链的成熟和发展。

快递一it’谢谢/感激

感谢中国联合网络通信有限公司无线技术研究中心主任李福昌主任、中兴通讯股份有限公司无线研究院算法部张忠浩博士、赵亚军总工程师对本文的指导和支持。感谢智能超表面技术联盟(RISTA)为技术研究和合作提供了一个良好的平台。

编辑：李倩

标签：RIS技术曲面