6G网络智能超表面技术探索

智能超表面（RIS）作为6G无线通信网络的关键技术之一，具有低成本、高效率的特点。其核心技术原理包括可重配置能力、智能化程度和材料设计优化。RIS通过主动调控空间电磁波，在5G网络中实现辅助通信场景下的信号增强与优化。目前主要应用于高铁覆盖场景、热点多流增强场景等复杂环境，并通过大规模部署提升信道质量。然而，在材料性能、信道测量与反馈机制以及大规模集成等方面仍面临诸多挑战。未来研究方向包括器件设计优化、信道测量改进以及与MIMO等技术的融合创新[1-25]。
摘要： 智能超表面（RIS）作为6G无线通信网络的关键技术之一，在5G网络中的应用显著提升信号传输效率与覆盖范围。通过主动调控空间电磁波特性，在高铁覆盖场景中实现信号增强与干扰抑制；但其材料性能限制及信道测量反馈机制仍需突破。未来研究将聚焦于优化RIS器件设计与信道管理，并探索其与其他先进通信技术的融合创新[1-25]。
关键词： 6G；无线通信；智能超表面

摘 联

摘 联

【关键词】 6G；无线通信；智能超表面

0 引言

《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》围绕2030年碳达峰目标展开规划部署，并明确规定"加强新型基础设施用能管理"的要求。该通知不仅为国家"双碳"战略实施提供了宏观指导作用，在信息通信领域也提出了更高的技术要求。通信运营商在推进绿色节能进程中持续深入地探索技术创新路径，在这一过程中不断优化网络设备运行效率和能源利用效率方面取得了显著进展。随着信息技术的快速发展与演进，5G网络等关键领域设备能耗持续增加的同时也在不断适应日益多样化且复杂的网络业务需求。人工智能等新兴技术的快速发展推动了相关领域的深度融合与协同发展，在这一背景下智能反射面（RIS, Reconfigurable Intelligent Surface）技术应运而生并逐渐成为解决当前频谱资源分配与能源消耗问题的重要手段之一。该技术通过主动调控空间电磁波场实现了频谱资源的有效优化配置并进一步提升了能源使用效率；其工作模式主要采用无源发射、吸收与透射相结合的方式进行信号处理同时具备良好的绿色节能性能以及较高的硬件设计灵活性特点这些优势使其成为未来5G网络发展的重要候选关键技术之一

1 智能超表面技术原理

1.1 发展历程

1999年,D.F.SIEVENPIPER教授开创性地提出了蘑菇状结构的高强度表面,这是人工电磁材料（即超表面）领域的初始成果。随后,2014年东南大学崔铁军团队提出了一种"数字编码与可编程超材料/超表面"理论框架,该理论以二进制编码形式表征超表面特性,实现了对其的编程控制。2016年,杨帆教授及其课题组首次系统性地开展界面电磁学研究,并制定了分析和指导超表面电磁特性及设计优化的方法论框架。2017年,Cui Tiejun团队构建了信息超材料与超表面的理论体系框架。近年来,RIS技术呈现出快速突破性发展的态势,其中于2020年6月IMT-2030推进组无线技术组正式成立了RIS任务组,而智能超表技术联盟（RISTA）则于2022年4月应运而生[1]。

1.2 RIS简介

RIS技术源于一种基于超材料的创新技术。其硬件架构主要由智能超表面阵列、馈电系统及控制系统构成。每个智能反射单元均具备独立调节入射信号幅度和相位的能力，并通过这一特性实现对无线传播信道的主动调节与优化。如图1所示 ，接收端信号模型可表示为r=s×w+n0，在该模型中s代表基站发送的调制符号,w表示信道衰减因子,n0为方差为σ2的高斯噪声叠加项,H代表基站至RIS的传播路径,g则表示RIS至终端之间的衰减系数。值得注意的是,若直接通信路径被障碍物阻挡,则依赖于RIS表面反射特性,即可间接完成信息传递任务,此时可借助外部控制器精确调控其工作状态以确保通信质量得到保障[2]。

基于技术成熟度，RIS技术包含三个关键维度：可重新配置特性、智能化水平以及超材料表面制造工艺等要素。其中，可重新配置特性体现在超材料表面电磁特性的动态调节能力上；智能化水平则指通过实时监控无线环境中的变化及业务需求来提升表面控制效果；此外，在频谱管理方面表现突出的智能反射面系统能够主动优化信号传输条件，在降低能量消耗的同时显著提升了网络运行效率[3]；在超材料表面制造工艺方面，则通过优化设计针对不同工作频段实现了最佳性能平衡，在提升系统效率的同时有效降低了运营维护成本

该技术按结构可分为被动型和主动型[4]（见图2）。被动型由多个无源反射元件构成，在优化各反射单元相移的基础上可调节入射信号方向。该方法具有无需射频链组件、能在无天线噪声放大及自干扰情况下实现全双工通信等优势特点：通过调节所有反射单元相移即可提升接收端信噪比并抑制干扰信号来源；从而实现了较低的硬件开发成本及能源消耗水平；但其局限性在于不具备信号处理与放大的功能，并且运行效果受限于其自身反射信道特性；相比之下主动型则由具备有源放大能力的反射元件构成；通过集成放大器可直接增强入射信号幅度；相比传统被动型不仅可在全双工模式下进行幅度放大还能进一步增强回波信号表现力；且无需依赖连接射频链的有源继电器设备；但相较于被动型其硬件配置及运行成本略为高昂。

2 应用场景

在无线通信系统中，在收发天线之间电波理想状态下沿直线传播的理想路径与实际折线传播路径之间存在n倍半波长的距离变化点形成了菲涅耳区这一空间区域该区域是以收发天线位置为中心具有直线传播轴线特性的椭球面形状其中n=1所对应的区域被称为第一菲涅耳区[6]在这一区域内没有任何障碍物会对无线电信号造成阻挡因此当接收端与发射端之间能够实现无阻碍直角传播时就形成了经典的视距传输（LOS即Line of Sight）而如果存在障碍物则会导致信号衰减进而出现非视距传输（NLOS即Non Line of Sight）两种不同的通信模式其中视距传输条件满足时无线电信号能够正常传递而无需衰减而当接收端与发射端间存在障碍物阻挡时则会引起信号能量衰减发射机衍射效应以及穿透障碍物的能力限制从而影响最终接收到的信号质量

在辅助移动通信网络组网方面，业内已对RIS在现有网络的典型场景中应用进行了研究，以RIS在高铁覆盖场景中应用为例，申瑜等阐述了RIS的引入可以在对2.1 GHz频段下为高铁的高架桥5G-R系统带来最大8.52 dB、平均3.91 dB的信号增益[8]，单馨漪等阐述了RIS的引入可以在对2.1 GHz频段下为高铁的车站场景5G-R系统带来最大8.1 dB、平均4.63 dB的信号增益，为高铁通信场景5G-R系统的设计提供了新思路[9]；奚韬等提出了在距离基站10 m的高铁轨旁布置一个RIS或者将RIS附在高铁车窗之上，其装备有N个能够调整反射波相位的可重构天线单元。通过RIS辅助高铁空间调制（SM, Spatial Modulation）来解决目前存在的多普勒频移和容易受未知干扰的问题[10]；赵亚军等进一步总结了高铁上RIS的部署包含铁路沿线、车厢顶部、车窗玻璃、车厢内壁四种部署方式[11]，上述研究均拓展了RIS在网络中应用中的思路和解决方案，基于上述研究，提出了RIS常用的典型应用场景如下，智能超表面既可以部署在收发端侧或者信道侧，在基站侧，智能超表面还可以用于改善AAU设计；在收发端侧，智能超表面可应用于简化收发信机设计，基于数字编码超表面的发射机将信源比特映射成智能超表面控制信号，调控智能超表面对入射波的电磁响应，可实现FSK、PSK、QAM调制收发信机[7]，动态调控电波传播方向和谐波能量分布，简化收发信机架构，降低设备功率消耗，如图3所示 。在信道侧，可以主动改善信道传播环境、增强有用信号等。

（1）室外覆盖空洞场景，在非视距传输场景，增加反射径，形成虚拟视距；

（2）室外覆盖室内场景，低楼层非视距场景，增加反射径，提升深度覆盖；

（3）边缘覆盖增强场景，提升服务小区边缘接收功率，抑制邻区干扰；

高铁覆盖场景中，在不同位置布置接收器是可行的方案之一，在铁轨旁及车厢顶部布置接收器也是可选方案之一；另外，在车窗玻璃上布置透射型接收器以及在车厢内壁上布置接收器都是有效的选择；这种布置方式使接收器能够接收基站信号并通过其传递至车内空间。

在短距离传播场景中，在热点多流增强场景中通过优化反射路径设计实现多条数据流的产生

透射型室外提供室内场景的信号传输。透射型RIS安装于建筑物玻璃表面。该系统接收外部信号并将其传输至内部区域。

3.2 基于原型样机的RIS实地测试

为了评估RIS的实际性能，在室内办公室和室外两种环境中搭建了相应的原型样机进行测试工作。其中，在试验过程中采用了以下关键参数设置：基站中心频率设置在27 GHz；通信带宽设定为400 MHz；单个基站发射功率维持在23 dBm水平；天线系统采用双极化设计并实现26 dBi的最大增益；收发模式选择标准的4T4R配置（即四天线四收端）。此外，在摆放位置上进行了优化设计：在室内场景下将基站置于中央位置，并与三个 RIS 元件单元（分别标记为 RIS1、RIS2 和 RIS3）保持 2.3 米、4.2 米和 3.6 米的距离；而在室外测试场景中，则选择了 NLOS 区域，并将基站天线放置于距试验区域中心点约 20 米的位置进行测试工作。具体布置情况如图 6 所示

通过多轮随机定点测试对不同位置UE的感知情况进行评估，并选取1号点和2号点作为研究对象。具体而言，在实验过程中我们采用了以下两种场景：一种是室内办公室环境中的定位测量；另一种是室外复杂环境下的顶端覆盖测量。其中，在实验数据中我们特别关注了当RIS采用固定波束工作时（如图7所示），对比无RIS状态时（如图8所示），UE1和UE2的最大覆盖增益可达11.25 dB；而在下行流量方面，则能达到最大值高达227.95 Mbps的提升效果。

4 挑战与展望

RIS可辅助多小区网络实现协同运行以及数能协同传输（SWIPT, Simultaneous Wireless Information and Power Transfer）技术、物理层的安全防护（PLS, Physical Layer Security）手段以及移动边缘计算技术（MEC, Mobile Edge Computing）的支持下完成通信任务[14]。以上述毫米波通信系统为例进行分析时可知：毫米波具有高频段特性、短波长、宽频带以及高数据传输速率等显著特点；然而这些优势同时也带来了严重的传播损耗问题；尽管如此但受限于障碍物的遮挡效应仍会严重影响其传播质量因此可以通过合理位置部署RIS来构建辅助信号传输通道以改善传播效果。

伴随着技术的不断发展，在未来，智能反射面技术可能与MIMO和MEC等先进技术和设备在多个领域展开深度融合以实现创新突破

首先,RIS与电磁波轨道角动量之间的融合,在现代通信领域具有重要意义。基于经典电动力学理论,此外,在经典电动力学中,人们认识到,除了能量和动量之外,光子还携带了一种称为"光子轨道角动量"的数量指标.这种特定类型的光子轨道角动量被定义为光子的属性之一,也被认为是一种能够传递空间信息的独特能力.因此,能够同时携带这种属性的光子也被命名为"涡旋光子",其产生机制多样丰富.其中一种途径即利用智能超表面来生成涡旋光子场模式.这种技术不仅可以实现双频段或多模态信号的有效传输和处理,而且在提高通信系统的性能方面也展现出显著的优势.

此外，在本节中讨论了基于反射面的信号处理技术与传统雷达系统的深度融合方案。其中包含两种关键的技术创新：一是创新性地提出了基于反射面的信号处理方法与传统雷达系统的深度融合方案；二是结合先进的计算能力，在理论上实现了多波束信号处理方法与传统雷达系统的深度融合方案。

随着RIS的发展，在行业内也深入探讨并指出了现有RIS系统存在的不足。针对这些挑战，进一步探讨未来可能的研究方向。

（1）设计与建模的原理及其向实践转化的过程，在智能表面技术的发展中占据重要地位。智能表面单元的设计必须满足通信系统具体的技术指标要求，并从材料选择与结构设计两个方面展开[18]。建立高效可靠的信号响应模型是评估智能表面设备性能的关键环节；同时现有大部分基于反射面的增益（RIS）研究及其在无线物理层的实际应用仍停留在理论分析与仿真验证阶段，在实际应用中仍存在较大提升空间。

（2）信道测量与反馈机制。智能表面由众多的小型设备单元组成，并不具备独立的射频及基带处理能力[19-20]。因此，在智能表面与基站之间以及智能表面与终端之间的信道信息无法单独获取[19-20]。基于此特性，在设计基于智能表面的通信系统时必须建立一套高效可靠的信道测量机制以保证系统的性能[19-20]

（3）考虑RIS的材料特性和制造工艺。NASSERDDINE V的研究表明，在30 GHz以上高频段应用变容二极管会导致品质因数显著下降[21]。通过采用PIN二极管并配合串联电阻进行限流设计，在保证增益的同时有效降低了RIS板上的功耗[22]。JIANG T及其团队则提出，在RIS单元数量增加的情况下，在接收端可测信号强度得到显著提升[21,23-24]。由于RIS性能高度依赖于材料特性与制造工艺，在优化过程中需要充分考虑这些因素以实现精准指导[25]。

5 结束语

本文深入探讨了智能超表面技术的本质特征，并对其在高速列车覆盖场景及热点多流增强场景等典型应用场景中的应用进行了系统性地考察。该技术方案不仅可以部署于收发端侧也可以布置于信道侧以实现优化AAU架构及完善收发信机设计的目标同时减少设备运行能耗并积极优化信道传播质量进而改善信号传输效果。通过建立完整的性能评估体系对现有RIS方案进行了全面验证结果表明相较于无RIS网络覆盖情况下行游流量均取得了显著性能提升效果。然而研究表明在研发与实际应用过程中仍面临材料性能及制造工艺等方面的制约因此建议进一步完善产业链布局以推动该技术的高效发展与广泛应用