面向6G的智能表面技术综述

智能表面技术是一种新兴的6G通信技术，通过大规模的可变响应单元阵列和控制模块，实现对无线信号的波束赋形和覆盖增强。其核心在于通过控制每个单元的响应状态，动态调整信号传播方向，从而提升通信覆盖和性能。智能表面在6G系统中可应用于覆盖增强、热点业务扩展和Massive MIMO技术结合，通过减少设备成本和功耗同时提升通信质量。国内外研究显示，基于智能表面的通信系统已实现560 Mb/s的通信速率，性能提升显著。未来研究重点包括器件单元设计、信道建模、信道测量与反馈机制等。

摘 要

摘 要

【关键词】 6G；智能表面；MIMO；覆盖增强；超表面

0 引言

智能表面是一个跨学科新兴领域，亦被称为大型智能表面(Large Intelligent Surface)、可重新配置智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface)、金属超表面(Metasurface)以及软件定义超表面(Software Defined Surface)/金属超表面(Metasurface)等。智能表面技术最初由电磁学和材料学领域的科学家进行研究，随后被实际应用于电磁隐身材料、全息成像、雷达波束扫描等技术领域。智能表面概念自20世纪便已提出，其技术的前身是军用雷达和反雷达设备，主要应用于毫米波、太赫兹等高频波段，因此在早期并未引起移动通信系统的关注。2017年，Nature Communication杂志上发表了一篇关于智能表面的论文[1]，该论文详细介绍了工作在7.8 GHz频段的反射型智能表面，并通过1 bit相位控制实现了动态全息成像。智能表面技术近年来再次受到广泛关注，尤其是通信领域对其高度评价，已被视为6G技术体系的关键技术之一。

在5G和6G阶段，为支持更高的数据通信速率，毫米波和太赫兹频段逐步开放，被用于无线通信领域。在2019年世界无线电通信大会WRC19上，毫米波频段被修订，划分为26 GHz、40 GHz、66 GHz，并被确定为5G及国际移动通信系统未来发展的频段。2019年4月，Oulu大学首次举办6G无线峰会，发布了首版6G白皮书，确认太赫兹通信为6G通信的关键技术之一[2]。智能表面技术已被成功应用于雷达技术中的无源阵列天线，显著提升了天线性能。智能表面技术可被引入6G通信系统，以提升高频段通信系统的通信质量。

本文旨在系统性地回顾智能表面技术的各个方面，详细阐述其硬件架构设计具有显著的创新性，同时深入探讨6G技术在潜在应用场景中的应用前景。研究现状显示，该领域在研究深度和广度上均取得了显著成果，未来研究方向将聚焦于提升技术的智能化和网络化水平。

1 智能表面技术概述

1.1 技术概述

智能表面设备由大规模器件阵列和阵列控制模块组成，如图1所示。大规模器件阵列均匀分布在平面底板上，由大量器件单元以规则的间隔排列。为了实现可观的信号操控效果，通常需要几百到几千个器件单元共同组成器件阵列。每个器件单元都包含一个可变的器件结构，例如，器件单元中包含一个PIN二极管，其开关状态决定了该单元对外界无线信号的响应模式。智能表面的阵列控制模块负责控制每个器件单元的工作状态，从而实现动态或半静态地调节每个单元对无线信号的响应模式。大规模器件阵列中的每个单元的无线响应信号会叠加在一起，在宏观上形成特定的波束传播特征。控制模块扮演着“大脑”的角色，根据通信系统的需求，确定智能表面设备的无线信号响应波束，使得原本静态的通信环境得以“智能”、“可控地”进行调整。

智能表面技术在多个技术领域均有应用，其具体应用形式因场景而异，呈现多样化设计。基于器件单元的物理原理[3]，可以将其分为可变电容型Tunable Resonator、波导型Guided Wave、极化型Element Rotation等多种类型；从无线信号输出的角度来看，又可分为反射型智能表面和透射型智能表面；根据无线信号响应参数[4]的不同，可以划分为相位控制型、幅度控制型以及幅度相位联合控制型；按照响应参数控制的分类方式，可分为连续控制型和离散控制型；在控制幅度和相位的时序划分上，可以分为静态、半静态/动态控制的智能表面，其中静态智能表面已成功应用于4G/5G系统。在实际研究中，学术界更倾向于采用单一信号响应参数的离散控制型器件单元进行研究。目前，学术界广泛探讨的智能反射表面IRS（Intelligent Reflecting Surface）即为一种基于信号反射的相位控制型智能表面，通过1 bit指示信息调节器件单元的反射相位，实现0或π的相位翻转。

智能表面设备相较于传统无线通信收发设备具有哪些优势？其得益于无需进行射频和基带电路的处理，这使得其在性能和效率上具备显著的优势。

（1）智能表面设备有更低的成本和实现复杂度；

（2）智能表面设备具有更低的功耗；

（3）智能表面不会引入额外的接收端热噪声；

（4）智能表面设备厚度薄、重量小，可以实现灵活的部署。

但是智能表面无法对无线信号进行数字处理，只能实现模拟的信号波束。

1.2 智能表面技术在6G系统中的应用场景

未来的6G通信业务对传输速率和网络密度提出了更高的要求[2]，需要充分利用频谱资源以提升频谱效率。许多新兴技术被视为6G通信系统的潜在技术方向，包括太赫兹通信、大规模MIMO技术和其它相关技术。智能表面技术通过整合上述技术方向，能够在多个实际应用场景中显著提升通信系统的性能。

在无线通信环境中，遮挡物会导致阴影衰落，从而降低信号质量。传统的无线通信系统通过调节发射设备的信号波束方向和接收设备的信号接收方向，以提升接收信号的质量。在毫米波和太赫兹频段，高频信号的穿透性和绕射能力较弱，通信质量更容易受到遮挡物影响。在实际部署中，智能表面能够为被遮挡的终端提供转发信号波束，从而扩大小区覆盖范围，如图2（a）所示。针对高流量的热点业务，如虚拟现实（VR）应用，传统的直通链路可能无法满足足够的数据传输需求。智能表面能够为热点用户提供额外的信号传输路径，从而提升其吞吐量，如图2（b）所示。

智能表面技术可以与大规模MIMO技术结合，有效应对收发天线数量增加带来的成本和功耗问题。在降低设备成本的同时，智能表面技术能够有效提升MIMO系统的空间分集增益，**如图2（c）**所示。4G时代，Massive MIMO概念的引入带来了显著的性能提升，但随着天线数量的增加，基站需要更多的射频链路，导致功耗和复杂度显著上升，从而使得基站的成本急剧增加，限制了Massive MIMO技术在大规模天线部署方面的进一步发展。智能表面技术作为Massive MIMO技术的演进方向，通过避免射频链路的复杂性，成功降低了硬件复杂度和功耗消耗，从而为多天线系统规模的进一步扩展带来了更大的可能性，带来了更高的波束赋形增益。

2 智能表面技术研究现状

2.1 理论研究进展

在理论分析阶段，惠更斯-菲涅尔衍射准则被用来模拟智能表面器件单元的响应信号。在设计智能表面器件单元时，其尺寸与无线系统的工作频段对应的波长相匹配。例如，文献[1]详细描述了7.8 GHz频段的信号响应，其中智能表面器件单元的尺寸为6 mm×6 mm×2 mm，相当于0.156×0.156×0.05λ3。每个智能表面器件单元被建模为独立的信号节点，智能表面设备通过调整每个器件单元的工作状态，使所有器件单元的响应信号在终端节点实现正向叠加。

以相位控制型智能表面为例，器件单元(m, n)的理想补偿相位为：

其中，

分别以基站、终端以及器件单元(m, n)的坐标向量为基础。当终端与智能表面之间的相对位置满足远场辐射条件时，智能表面发送至终端的信号可近似为平行信号。此时，基站与智能表面之间的信号传输同样可进行相应的近似处理。

这类1 bit离散相位控制型智能表面，采用离散化处理方法，将理想补偿相位映射至离散相位上，例如：

与连续控制方案相比，离散化控制方案的性能存在一定损失，这种损失的大小取决于参数的量化阶数[5]。从理论分析可知，采用1 bit离散相位控制方案时，其信号质量与理想情况的差距约为-3.9 dB；而采用2 bit离散相位控制方案时，信号质量与理想情况的差距不超过-1 dB。智能表面的信号正向叠加方案能够显著提升分集增益，这种增益与器件单元数量的平方成正比[6]。

智能表面设备具备无线信号的高效转发能力。当智能表面的器件数量大量部署时，终端接收信号质量及总功耗优于传统放大转发中继[6]和解码转发中继[7]。图3展示了基于智能表面的波束赋形工作原理。

2.2 样机和测试结果

该通信系统通过智能表面设备在国内外高校和研究机构进行了测试，如图4所示。

国外方面，日本DOCOMO公司于2019年在外场测试中首次实现了静态智能反射表面设备在28 GHz毫米波通信中的应用，具体通信速率达到560 Mb/s。与未采用智能反射表面设备相比，在相同测试环境下，端到端通信速率仅为60 Mb/s。麻省理工学院在2.4 GHz非授权频段构建了测试平台RFocus，证实了在室内商场等场景中部署智能反射表面设备的可行性，且在部署智能表面后，室内信号覆盖强度平均提升了约2倍。

国内高校在智能表面设备通信系统方面也取得了显著进展。在智能表面设备器件单元的结构设计和系统架构设计方面有独特的创新。清华大学[10]开发了2 bit离散相位控制模块，该模块由两个PIN二极管构成2 bit控制模块。清华大学制造了256个智能反射表面设备的单元模块，该设备在28.5 GHz频段的波束赋形增益可达19.1 dB。东南大学[11]研发了基于电压控制的智能反射器件，该器件具有良好的电压-反射相位的线性关系。基于这一新型器件单元，东南大学实现了智能反射表面在8PSK信号上的调整，通信速率达到6.144 Mb/s。值得注意的是，与传统的被动反射或折射第三方信号的智能表面不同，东南大学设计的智能表面还具备第三方信号传输功能，即通过调节第三方信号的相位，实现了智能表面信号的传输。从本质上讲，这种设计可视为一种backscatter技术。

2.3 未来的研究方向

该通信系统通过智能表面技术证实了这项新技术的可行性，并带来了显著的系统性能提升。在产业化之前，智能表面技术仍面临诸多未解之谜，我们整理并列出了当前学术界最为关注的三个关键问题。

器件单元的设计与建模理论在智能表面通信设备中起着关键作用。为了有效支持智能表面通信设备，这些器件单元必须能够接收并处理双极化信号，并在双极化信号下保持幅度和相位响应的一致性。在设计阶段，需要从器件材料选择和结构设计两个方面，综合考虑通信系统的需求，构建符合要求的智能硬件系统。理论分析过程中，通常将智能表面器件单元理想化为反射单元，但实际应用中，由于入射角、出射角、入射信号极化方向等因素的影响，其响应参数会存在复杂的变化。建立精确高效的信号响应模型是评估智能表面设备性能的基础性工作。

（2）智能表面的信道建模。在未来的通信环境中，智能表面设备的部署量可能会显著增加。由于智能表面设备的复杂性远超传统通信节点的特性，现有的无线通信信道模型在智能表面场景中存在明显局限性。学术界有必要对智能表面设备与基站或终端节点之间的信道特性进行系统性分析、建模以及实验验证工作。特别地，智能表面的信道特性受基站位置、终端部署情况以及智能表面布置环境的多重因素影响。基于此，系统仿真需要构建智能表面的空间模型，以准确评估系统性能。

（3）信道测量与反馈机制。由于智能表面由大量独立的器件单元构成，且不具备射频和基带处理能力，基站无法单独获取基站与智能表面之间的信道信息，也无法单独获取智能表面与终端之间的信道信息。基站或终端接收到的信号是所有智能表面器件单元响应信号的叠加，因此单个或少量器件单元的状态改变不会对接收信号产生显著影响。一种可能的解决方案是[12]：在智能表面中部署少量有源器件单元，使其具备信道测量与反馈能力；而基站则利用压缩感知或深度学习算法，基于有限的信道信息推断出合理的智能表面配置参数。基于智能表面的通信系统需要一种高效的信道测量机制，在保证其低复杂度的同时，尽可能提升端到端的信号质量。

此外，从智能表面通信系统的角度进行理论性能评估，同时对多用户MIMO系统的性能进行深入分析，以及深入探讨智能表面在不同应用场景中的部署方案，这些都是后续研究的重要方向。

3 结束语

在6G技术发展中具有重要地位的智能表面技术，通过调节每个设备单元对入射到智能表面的无线信号的响应特性，实现了信号传播效率的优化。这种技术实质上相当于重构或强化了信道传播环境。本文深入探讨了智能表面的工作原理及其应用潜力。进一步而言，文章归纳了智能表面技术在6G系统中的多种典型应用场景。此外，文章系统总结了学术界对智能表面的理论研究进展，包括国内外研究机构的样机开发和性能测试结果。最后，文章展望了智能表面未来的发展方向，重点包括设备单元的先进设计与建模、信道建模与测量技术，以及动态反馈机制等关键领域。