智能超表面（RIS）的基本概念、方法和应用介绍

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5G技术目前正处于快速商用的时期，同时6G技术也在紧锣密鼓地研发之中。

万物互联带来的人与人、人与物、物与物之间的海量数据传输，对现有网络的可靠性、实时性、传输速率、网络容量、流量密度等方面提出了全新挑战。在众多新兴技术中，具有智能感知、操控能力的智能超表面 （RIS） 技术逐渐引起了全球通信领域学者的密切关注[1]，成为6G无线通信的关键使能技术之一。

超表面是一种由亚波长尺度单元（典型值为1/10~1/3个波长） 按特定空间排布形成的人工电磁结构，具有轻质量、低剖面、易集成、易共形等特点[2]。传统的超表面在设计制造完成后，其电磁波响应及电磁功能就被固化了，无法再根据实际需求进行改变。但为应对复杂电磁系统的需求，超表面的电磁特性往往需要灵活调节，因此可编程超表面的概念应运而生。

2014年崔铁军教授首次提出了数字编码与可编程超表面的概念[2]，将超表面单元的反射和透射响应的不同状态用二进制数值0/1来表示，并将预先设计的二进制编码序列输入至超表面控制器，实现对整个超表面阵列电磁特性的编程，进而实现特定的电磁功能。数字编码与可编程超表面的提出为超表面设计提供了全新的思路，简化了超表面设计与优化流程，并可与数字信号处理器件相结合形成更为先进的RIS。

通过加载特定的调控器件，如 PIN 管 （P-I-N 型二极管）、变容管和微机电系统 （MEMS） 开关等，RIS 可以对电磁波的幅度、相位、频率、极化等特性进行实时可编程调控[3-5]，进而控制电磁波在自由空间中的传播行为，突破传统无线信道无法主动调控的局限，构建智能可编程无线环境的新范式[6]。同时，基于RIS的无线通信收发机硬件架构具有架构简单、功耗低、成本低等特点[7]，仅使用RIS和基带模块即可完成信息调制与传输，省去了信号混频、上变频、放大等过程，为下一代无线通信提供了新的解决方案。

1 RIS对电磁波的操控原理

1.1 空间波束赋形

图 1 （a） 展示了一种由二进制数字“0”或“1”单元构成1 bit反射式RIS。其中，RIS在不同工作状态下的幅相响应如图1 （b） 所示：单元在两种状态下的反射相位差为180°。我们规定0°相位为编码“0”，180°相位为编码“1”。通过在RIS上输入不同的编码序列，实现对散射波束不同的调控效果，如图1（c）和（d）所示。

1.2 非线性谐波调控

在时间编码RIS提出之前，大多数研究工作只关注RIS的空间编码分布[8]，而忽视了其在时间维度上的应用。时间编码RIS是一种利用时态参数来实现电磁波频谱调控的时变器件。当RIS单元的电磁特性是时间函数时，它将变成一个时变系统，并会产生非线性现象。文献[4]提出了时域RIS的基础理论与设计方法。通过在时间域上对RIS的反射系数进行周期性调制，反射波中将会产生非线性谐波分量，如图2（a） 所示。此时，反射波的频谱相当于RIS的反射系数的频谱被搬移到入射波频率处。那么对反射系数频谱的调控即可简单地等效为对反射波频谱的调控。这意味着时间编码RIS拥有调控电磁波频谱的能力。

然而经进一步的研究发现，根据文献[4]提出的方法产生的谐波的相位在幅度调节的过程中也发生了变化。为了解除谐波幅度和相位之间的固有耦合，文献[9]提出了一种简单高效的方法来实现谐波的幅度和相位的独立控制，如图2（b）所示。由傅里叶变换理论可知，时间延迟的引入可以在保持振幅的同时为频谱分量带来额外的相移。因此谐波幅度和相位可以通过设计时间编码的相位差和时移来实现独立的控制。

一个n bit的空间编码RIS包含2n种编码单元。RIS的比特数越高，其相位量化误差就越小，同时对电磁波的操控也更精准，但是过高的比特数会造成单元结构和控制线路与系统的设计非常复杂。文献[10]提出了一种基于时间编码来实现多比特相位的设计方法，具体如图 2 （c） 所示。

该方法利用一种矢量合成分析法来设计任意多比特的可编程相位，解决了多比特RIS设计的难题。通过设计时间编码序列，将原向量进行矢量叠加，可以实现任意的新向量。通过不同时间编码调制的反射波等效相位和幅度，相位覆盖率几乎可以达到预期的360°。在这种时空编码策略的支持下，可以用简单的单元结构和控制线路系统来实现一个任意多比特RIS[11]。

1.3 多谐波联合调控

文献[12]提出了时空编码RIS，通过在空间域和时间域对 RIS 进行编码，可以实现 RIS 在空、时、频域上对电磁波的多维度调控[12-13]。如图 2 （d） 所示，时空编码RIS 由加载了可调谐器件的单元构成，其中每个单元可由周期性的时间编码独立控制。通过将不同的控制信号加载到单元上，时空编码 RIS 的状态在空域和时域上共同编码，实现反射波波前和频谱的同时操控。由于在空间编码的基础上引入了时间调制，时空编码 RIS 可以在基波频率和谐波频率下分别实现高精度的波束成形。

为了实现灵活和连续的谐波波前控制，参照空间域的卷积定理 （即在一个 RIS 上进行傅里叶运算），文献[14]提出了非线性散射方向波束偏转的方法。该方法可以将谐波的散射波束偏折到任意方向，如图 2（e） 所示。文中将时间延迟 t0 引入时变反射系数 Γ(t) 中，因此在第 k 阶谐波频率上将有一个额外的相位因子e-2πkf0 t0。通过动态图1 RIS的空间波束赋形原理 刷新单元之间的时延梯度，可以实时地调整RIS上谐波的相位分布。将谐波的初始编码与预设的波束偏转编码做卷积，就可以将谐波波束偏转到指定的角度。

2 RIS的应用

2.1 可编程全息成像系统

全息成像是一种通过对空间中电磁波/光的特征参数进行编码来实现成像的技术。基于超表面的全息成像具有高效率、高分辨率以及低噪声等特性，在过去的十几年中，科研工作者们相继提出了适用于各个电磁波频段的超表面全息技术。然而，其中大多数工作都是基于无源超表面实现的，它们对电磁波/光的幅度/相位等特征参数的编码是固定的，因此仅能用于重建静态的全息图像，应用场景受限。为了打破这一限制，文献[15]提出了基于1 bit相位编码RIS的可编程微波全息成像系统[15]。

图3（a）是基于RIS的动态全息成像示意图。在不同偏压下，加载PIN二极管的RIS单元具有不同的电磁性能，因此可以通过改变偏压来动态调控其相位特性：当偏压分别为3.3 V/0 V时，二极管的状态为“ON”/“OFF”，单元分别工作 在 “0”/“1” 两 种 状 态 （7.8 GHz）。 利 用 改 进 的Gerchberg-Saxton 算法，可以计算出不同全息图像所需的编码图案，并将其转换为电压编码序列预存在现场可编程门阵列（FPGA）中。通过这些电压序列对20 × 20的RIS亚胞阵列（每个亚胞包含5 × 5个单元）进行馈电。在平面波的照射下，RIS形成特定的1 bit相位分布，从而在空间中实现了一组动态全息图效果。实测的全息图像如图 3 （a） 所示，得到的全息影像清晰，且具有较高的分辨率和信噪比。另外，通过设计幅度和相位独立可调的RIS，可以提高该成像系统的性能。此外，该方法也可以向更高频段拓展。

2.2 自适应智能感知

对于大多数数字编码和RIS而言，其丰富的电磁波调控功能都是依靠预先编写好的FPGA控制程序来实现的，因此人工干预的步骤必不可少。这使得一方面，基于超表面的系统一直是一个开环系统，不利于复杂环境中的多系统协调运作；另一方面，这些系统不包含传感和反馈组件，难以建立具有自动决策功能的闭环智能系统。解决这个问题的关键在于将传感器集成到可编程超表面中，从而构建具有自适应功能的RIS。

为了具体展示自适应RIS的应用，文献[16]预设了一个RIS在卫星通信中的应用场景，如图3（b）所示。当飞机绕地球飞行时，其飞行姿态将发生变化，RIS可以感知该变化并自适应地调节波束辐射方向，从始至终聚焦于卫星来进行稳定的通信。这种自适应RIS的特点是在超表面的背面集成一个陀螺仪传感器、微控制器单元 （MCU） 和FPGA：传感器可以检测RIS及其环境的空间姿态和运动状态，并将相应的角度数据信息实时反馈并发送到FPGA；MCU和FPGA处理这些数据并按预设的反馈算法产生相应的RIS波束赋形编码序列。在这种机制下，RIS无需人工操作即可执行自主决策功能，自动实现自适应波束转向，其波束随方位角的变化情况如图3 （b） 所示。

这种自适应智能感知模式在未来可以与人工智能 （AI）、大数据等先进技术相结合，从而进一步扩展其对周围环境的高精度感知、学习和记忆等高级功能。

2.3 新体制无线通信系统

在无线通信领域中，传统的通信系 统 需 要 利 用 数模/模 数 转 换 器 、调制/解调器、混频器以及射频组件等器件将数字信息调制和发射，其系图3 RIS在可编程全息成像和自适应智能感知中的应用 统架构繁杂，各组件的成本也比较昂贵。RIS能够根据编码序列形成动态的远场辐射方向图/近场图案，而不同的方向图/近场图案可以表征不同的信息。基于这一思想，文献[17]、[18]提出了一种基于 RIS 的新体制无线通信架构，称之为直接数字调制（DDM） 系统。DDM系统主要由FPGA、RIS和接收器组成，图4（a）展示了信息调制在远场辐射方向上的DDM系统的通信机制示意图；图4（b）展示了待传输的原始图像和接收到的图像，该结果证明了该系统的有效性。

近几年，科研人员在时域编码和时空编码RIS的理论研究中取得了丰硕的成果[4],[9-14]。时域编码和时空编码RIS能够便捷、精确地控制信号幅度谱和相位谱，这使得基带信息的调制可以直接在 RIS 界面上进行，无需经过数模转换、混频、射频发射等过程。基于时域编码RIS理论，文献[4]提出了一个二进制频移键控 （BFSK） 无线通信系统。

图 4 （c）为BFSK系统的示意图，图4 （d） 展示了接收端恢复出来的图像信息，该结果证明了BFSK通信系统高效传输信息的能力。系统在3.6 GHz的载波频率下工作，其数据传输速率为78.125 kbit/s。为了提高通信系统的数据传输速率，文献[19]进一步提出了基于 RIS 的正交相移键控 （QPSK） 无线通信系统[19]，系统的数据传输速率可达到 1.6 Mbit/s，实现了流畅、无损的视频传输。图 4 （e） 展示了电影的无线传输场景实物图。此后，文献[7]、[20]、[21]基于QPSK通信架构进一步地开发了基于RIS的八进制相移键控 （8PSK）、正交幅度调制16QAM、256QAM的高阶调制体制无线通信方案，其中文献[21]甚至推广到了毫米波领域应用，使得基于RIS的新体制无线通信架构得到了广泛推广。

在5G和6G移动通信中，服务于多用户场景的多信道无线通信技术一直备受重视。解决多信道无线通信的一条重要技术途径是信道复用技术。文献[22]提出了一种基于时空编码RIS的空间-频率分集复用的多通道无线通信系统，它实现了为多个不同位置的用户以不同频率独立地传输多个信息源的功能，系统示意图如图4 （f） 所示：从图中可以看出，不同的数据流可以直接路由到位于不同方向的指定用户，每个指定用户都有自己独立的接收频道和空间信道，而位于其他信道的“无关”用户则无法接收到正确的 信 息 。

另 外 ， 文 献[23]、 [24] 提 出 了 将MIMO 技术融入到基于RIS 的新体制无线通信系统的多用户通信解决方 案 ， 可 进 一 步 发 挥RIS 在多用户通信系统中的巨大应用潜力，为将来更先进的低成本的超大规模 MIMO 系统提供了一种很有潜力的实现方案。

2.4 波 达 方 向（DOA）估计

波达方向估计技术是无线通信、雷达和声图4 RIS在新体制无线通信系统中的应用 呐探测领域内的一项关键技术。通过处理接收到的来波信号来估测、定位待测目标的距离、方位等重要信息，该技术有助于构建智能无线网络。RIS能够在一定的孔径面上同时、准确地感知和操控空间电磁波，这为构建新型 DOA 估计系统提供了有力支持。

最近，文献[25]提出了一种基于RIS的DOA估计方案：作为一个“随机电磁采样接收器”，RIS生成一系列随机的辐射方向图来感知、接收入射信号，随后通过压缩感知 （CS）和正交匹配追踪（OMP）算法对信号进行处理，从而恢复出DOA信息。系统原理图如图5（a）所示。更进一步地，文献[26]所提出的系统将DOA概念和方法应用在毫米波测向应用中，利用时空编码RIS在毫米波频段实现了DOA估计，并且可以根据不同的来波方向产生不同的电磁功能。系统原理图如图5（b）所示。上述两种新型DOA估计系统为高精度电磁波探测和操控铺平了道路，也促进了先进成像、雷达和无线通信系统的开发。

3 结束语

本文首先系统地介绍了RIS的基本概念、物理机理和设计方法，展现了其在时-空-频等多维度内对电磁波进行调控的能力，如空间波束赋形、非线性谐波调控与多谐波联合操控。其次，展示了 RIS 的一些突破性应用，包括全息成像、智能感知、无线通信与波达方向估计。作为超表面领域的里程碑之一，RIS将会为扩展超表面的应用领域，激发新的活力，并且在未来更先进的系统中发挥重要作用。

文章作者：柯俊臣/KE Junchen，梁竟程/LIANG Jingcheng，程强/CHENG Qiang