智能反射面发展概述

在无线通信发展的历史中，信源和信宿是考虑提升通信速率和质量的首选目标，但是在各种通信技术快速发展的今天，单独研究通信主体已经很少有跨越式的进步。目前对于信道没有很好的处理，主要的方法有通过MIMO技术、增加基站的发射功率、微站补盲等措施来减轻信道的影响，但并没有取得理想效果，而智能反射面的发展，则改变了这一现状。RIS的起源可追溯至“超材料”的研究，“超材料”是一类性质不同于常规材料的人造材料。研究表明，通过超材料可以改变光、电磁波性质，这样的效果是天然材料无法完成的，同时这种效果在通信中具有重要的应用。前苏联的Victor Veselago最早开始了对于超材料的研究，同时还提出了“左手媒质负折射”材料的猜想，这里说的负折射材料，是指该材料的折射角为负角度，即这种材料的入射光和折射光均位于法线同侧，与传统的一般材料折射方向相反。英国John Pendry爵士和美国的David R. Smith从理论和实验研究了负折射材料和超材料，并于2006年，David R. Smith与John Pendry合作完成了基于超材料的隐身衣。在2013年，超材料位于美国国防部公布的“六大颠覆性基础技术”清单的榜首，表明该技术具有重要的应用前景。在2014年，我国东南大学崔铁军院士团队首次提出了编码超材料的概念并验证了其可行性，对于智能反射面的发展起到了重要的推动作用。随着超材料的进一步研究和制造技术的发展，超材料开始被研究应用于电磁领域，实现了诸多功能，如负折射、电磁黑洞等。前期研究的超材料功能有限，运行模式单一，只能按照原始设计进行，不能实现对电磁波实时调控。随着技术进一步发展，超材料已经可以利用数字编码对内部的单元状态的进行动态控制，从而达到了对电磁波传播的实时控制，所以这时的超材料又称为“信息超材料”。智能反射面发展到现在，已经逐步应用于各类通信系统的研究，智能反射面技术也趋于成熟。

国外很多机构都验证了RIS良好的通信性能，日本DOCOMO公司于2019年首次在外场测试了基于静态的智能反射表面设备的28 GHz毫米波通信，其通信速率达到了560 Mb/s。美国麻省理工学院于2020年2月搭建了工作于2.4 GHz非授权频段的测试平台RFocus，验证了室内商场场景中部署智能表面的可行性，部署智能表面后的室内信号覆盖强度平均提升约2倍。国内对于RIS的研究要更早，2014年东南大学崔铁军院士团队首次提出了编码超材料的概念并分别对lbit和2bit可编程超材料进行了验证，东南大学在RIS原型机的测试验证方面积累了丰富的经验与成果。

智能反射面的基本结构

智能反射面（RIS）主要有三个子层和一个控制器组成，最外层是由众多反射单元印刷在介电基板上构成，与入射信号直接作用并反射信号；第二层设计的通常是一层铜板或其他金属板，该层的主要功能是防止信号穿透反射面，从而造成信号衰减；第三层是一层控制电路板，通过控制器可以独立地调整RIS所有反射单元中电容、电阻、电感的值，从而实现反射信号幅度或相位的调整；控制器通常使用现场可编程门阵列（Field-programmable Gate Array，FPGA），通过FPGA可以控制每一个反射单元的反射系数（包括振幅和相位）。在目前的智能反射