引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線頻譜資源的稀缺性日益凸顯。為了滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，通信系統(tǒng)的工作頻段不斷向更高頻段邁進(jìn)。但高頻電波具有波動(dòng)性弱、繞射能力差的特點(diǎn)，在遇到障礙物時(shí)容易受到遮擋，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋并保證信號(hào)質(zhì)量，需要在城市密集區(qū)域建設(shè)更多基站。然而，基站數(shù)量的增加會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化變得更為復(fù)雜，建設(shè)和維護(hù)成本也會(huì)顯著增加。因此，傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力弱、能耗高、成本高的問(wèn)題也日漸凸顯，急需探索新技術(shù)為無(wú)線通信發(fā)展提供新的可能。

此時(shí)，智能超表面RIS（Reconfigurable Intelligent Surface）應(yīng)運(yùn)而生，它融合了人工電磁超材料和現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)，是一種全新的無(wú)線通信增強(qiáng)技術(shù)。作為5G-A和6G研究的關(guān)鍵技術(shù)，將有望突破傳統(tǒng)通信的不可控性，重塑無(wú)線傳輸環(huán)境，解決覆蓋和能耗等痛點(diǎn)。

RIS工作原理

智能超表面，全稱為可重構(gòu)智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface），可通過(guò)改變電磁波的傳播路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線信號(hào)的智能控制。

聽(tīng)起來(lái)是不是有點(diǎn)像魔法？其實(shí)，它的原理是基于物理學(xué)中的電磁波傳播特性。

智能超表面由可重構(gòu)人工電磁超材料構(gòu)成，包含大量獨(dú)立的無(wú)源亞波長(zhǎng)諧振單元，這些單元可以獨(dú)立地控制電磁波的相位、幅度、極化等電磁特性。通過(guò)改變陣子的單元結(jié)構(gòu)、空間分布等控制無(wú)線電波的反射、散射和折射，抵消多徑衰落的破壞性，無(wú)需復(fù)雜的編譯碼和射頻處理即可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的定向反射和增強(qiáng)，從而提高通信質(zhì)量和效率。

傳統(tǒng)通信技術(shù)往往依賴于固定的基站和天線布局，被動(dòng)地適應(yīng)信道環(huán)境，而RIS則能根據(jù)實(shí)時(shí)信道環(huán)境靈活調(diào)整信號(hào)覆蓋范圍和質(zhì)量，就像一面可以控制光線反射角度的鏡子一樣。這樣一來(lái)，無(wú)論我們身處何方，都能享受到穩(wěn)定而強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)啦~

RIS硬件結(jié)構(gòu)

典型的RIS硬件結(jié)構(gòu)，包含3層底板和一個(gè)智能控制器。

最外層是超表面板，是系統(tǒng)中對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)控的主體。其上規(guī)則地排列了大量的電磁單元，這些電磁單元通常由金屬、介質(zhì)和調(diào)控開(kāi)關(guān)構(gòu)成，其中調(diào)控開(kāi)關(guān)一般為PIN二極管、變?nèi)荻O管、液晶和石墨烯等非線性器件。通過(guò)控制調(diào)控開(kāi)關(guān)的偏置電壓，可以改變電磁單元的電磁特性（幅度、相位等），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的智能調(diào)控。例如通過(guò)控制每個(gè)單元的相位，可以讓反射波在特定方向上進(jìn)行疊加。

中間層是金屬背板（接地背板），主要作用是防止電磁波信號(hào)泄露。

最內(nèi)層是控制電路板，可根據(jù)控制器選擇的碼本對(duì)每個(gè)電磁單元施加控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超表面板的實(shí)時(shí)控制。

控制器則用于與基站交互，實(shí)現(xiàn)碼本選擇。碼本用于確定控制電路板的數(shù)字信號(hào)分布，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)超表面板的整體控制。

RIS發(fā)展階段

RIS相較于普通的墻面漫反射和常規(guī)材料表面的鏡面反射，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的波束賦形，可根據(jù)用戶所在位置實(shí)時(shí)、智能地調(diào)整信號(hào)反射角度。

RIS智能調(diào)控波束賦形的發(fā)展和應(yīng)用可分為三個(gè)階段。

第一階段：無(wú)源靜態(tài)RIS，波束固定不變。通過(guò)反射表面，快速實(shí)現(xiàn)弱覆蓋區(qū)域的補(bǔ)盲與網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的提升。

第二階段：半靜態(tài)RIS，波束半靜態(tài)變化。實(shí)現(xiàn)波束控制，每間隔一段時(shí)間進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，擴(kuò)展超表面波束覆蓋范圍、提升小區(qū)容量和速率。

第三階段：動(dòng)態(tài)智能RIS。通過(guò)編碼算法匹配信道環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能控制?？蓜?dòng)態(tài)跟蹤用戶、針對(duì)信道的實(shí)時(shí)變化做出最優(yōu)的波束響應(yīng)。

RIS應(yīng)用場(chǎng)景

RIS適用于室外覆蓋盲區(qū)和室外覆蓋室內(nèi)等場(chǎng)景的信號(hào)提升，為5G網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋以及未來(lái)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)提供了一種低成本、低功耗、科學(xué)可行的創(chuàng)新路徑。

O2O（Outdoor to Outdoor）場(chǎng)景：在基站和用戶之間部署RIS，能夠在視距通信不可達(dá)或信號(hào)質(zhì)量較差的盲區(qū)或小區(qū)邊緣，按需動(dòng)態(tài)建立非視距鏈路，解決因?yàn)榻ㄖ镎趽醯葘?dǎo)致的覆蓋弱區(qū)或盲區(qū)。對(duì)于熱點(diǎn)區(qū)域，也可以通過(guò)更大的角度擴(kuò)展增強(qiáng)空分復(fù)用的健壯性，增加流速，提升容量。

O2I（Outdoor to Indoor）場(chǎng)景：通過(guò)在建筑物墻體表面部署RIS，可將室外信號(hào)透射入室內(nèi)，達(dá)到室內(nèi)信號(hào)增強(qiáng)，補(bǔ)足深度覆蓋，提升室內(nèi)覆蓋性能。

I2I（Indoor to Indoor）場(chǎng)景：在室分的場(chǎng)景下，可通過(guò)部署RIS增加額外鏈路，進(jìn)行信號(hào)的收集與反射，提升用戶體驗(yàn)，并增強(qiáng)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和部署環(huán)境，中興通訊發(fā)布了系列化RIS產(chǎn)品，按照大類可以分為反射型RIS和透射型RIS。

反射型RIS用于實(shí)現(xiàn)基站信號(hào)的按需反射，可以部署在多種位置，如燈桿、廣告位、墻壁等。當(dāng)基站和用戶之間有障礙物（如高樓）時(shí)，部署反射型RIS可以使基站信號(hào)繞開(kāi)障礙物，反射到用戶所在位置，從而改善信號(hào)覆蓋質(zhì)量。

反射型動(dòng)態(tài)RIS：RIS面板和控制器一體化設(shè)計(jì)

透射型RIS用于增強(qiáng)信號(hào)以提升其穿透能力，主要貼附在玻璃表面，如建筑物窗戶或車廂窗戶等，實(shí)現(xiàn)室外覆蓋室內(nèi)或高鐵車廂覆蓋增強(qiáng)。為了不影響室內(nèi)采光，透射型RIS通常設(shè)計(jì)為透明形態(tài)，因此也被稱為透明RIS。

透射型動(dòng)態(tài)RIS：高透明設(shè)計(jì)

RIS優(yōu)勢(shì)

RIS與傳統(tǒng)基站相比，有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

低成本。RIS無(wú)需復(fù)雜的射頻鏈路，硬件成本更低。

低能耗。RIS以無(wú)源單元為主，不需要大規(guī)模供電。隨著技術(shù)的演進(jìn)，太陽(yáng)能供電、電池供電都是可能的方案。

易部署。RIS設(shè)備更輕薄，部署方式更靈活。無(wú)需鐵塔和站點(diǎn)機(jī)房，更易于部署和維護(hù)。

結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，智能超表面是一種具有巨大潛力的新型無(wú)線通信技術(shù)。隨著RIS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的推廣，智能超表面設(shè)備形態(tài)將更加豐富多樣，低成本、低功耗、易部署的智能超表面設(shè)備將為基站通信提供有效的補(bǔ)充和延伸。