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来源 | 航天星云 智库 | 云脑智库(CloudBrain-TT) 云圈 | 进“云脑智库微信群”,请加微信:15881101905,备注您的研究方向 未来十年，通信网络容量千倍增长，无线连接成为现实，但高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线通信面临的关键问题，而RIS以其独特的低成本、低能耗、可编程、易部署的特点脱颖而出。  什么是RIS技术？  智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）是一种具有实时可编程电磁特性的人工电磁表面结构，由超材料技术发展而来。 RIS是一种亚波长尺寸的人工二维材料，通常由金属、介质和可调元件构成，可以等效表征为RLC电路。调整电磁单元的物理性质，如容抗、阻抗或感抗，改变RIS的辐射特性，实现非常规的物理现象诸如非规则反射、负折射、吸波、聚焦以及极化转换，进而对电磁波进行动态调控。因其具有调控无线信道的能力，为通信系统的设计提供了一种新的范式，是未来6G中颇有前景的关键技术之一。
图1 RIS的应用场景 RIS 的典型特征 准无源：RIS利用对人工电磁材料物理特性的调控实现对电磁波的无源控制。其中，对物理特性的调控需要有源实现。 连续孔径：电磁单元紧密排布，实现近似连续孔径。 软件可编程：RIS具有可编程物理特性，可对超表面的电磁单元编程控制，实现对电磁响应实时调控，从而实现对电磁波的动态控制。 宽频响应：RIS可以工作在声谱、微波频谱，太赫兹谱或光谱等频段上。 低热噪声：RIS利用对人工电磁材料物理特性的调控实现对电磁波的无源控制，通常不需要放大器、下变频等对接收信号进行处理，不引入热噪声。 低功耗：RIS利用对人工电磁材料物理特性的调控实现对电磁波的无源控制，一般不需要高功耗器件。 易部署：作为二维平面结构，RIS的形状具有可塑性，尺寸简单易扩展。RIS无需大带宽回传链路，具有较轻重量，对供电要求低，因此易部署于无线传播环境中的各种散射体表面。 RIS潜在的应用场景 RIS未来应用场景主要分为传统通信场景和新型应用两类。 一传统通信场景应用1.克服覆盖空洞 传统蜂窝部署可能存在覆盖空洞区域，如在高大建筑物的阴影区域，在密集城区的信号覆盖等场景下，通信链路被阻挡，基站信号不容易到达，用户不能获得较好的服务。RIS可部署在基站与覆盖盲区之间，通过有效的反射/透射使传输信号到达覆盖空洞中的用户，从而为基站和用户之间建立有效连接，保证空洞区域用户的覆盖。  图2 RIS在克服覆盖空洞的应用2.边缘覆盖增强传统蜂窝小区的覆盖范围受基站发射功率的限制，小区边缘用户的接收信号质量较差。RIS 可部署在基站和边缘用户或弱覆盖区之间，既可以调整电磁单元的相位进行波束赋型来增强信号，又可以增加反射路径来提高信号质量。 图3 RIS用于边缘用户覆盖增强3.室内覆盖增强室内墙壁和家具的信号阻挡导致存在较多的覆盖空洞和盲区。信号传播可以通过RIS进行重构，使得到达目标用户的接收信号得以增强。 图4 RIS用于室内通信场景由于较大的穿透损耗，室外基站实现室内覆盖一直是工程实现的难点。RIS可以部署在建筑物的玻璃表面，它能有效接收基站传输的信号并透射到室内，室内用户可以接收来自 RIS的反射信号提高信号质量。 图5 RIS用于提升室内覆盖4.热点增流和视距多流传输业务密集的热点区域，可通过RIS增加额外的无线通信路径与信道子空间，从而提高信号传输的复用增益。尤其在视距传输场景中，引入基于RIS的可控信道，收发天线阵列间信道的空间相关特性将得到很大改善，可增加用于数据传输的子空间数目，极大提升系统及用户的传输性能。 图6 基于RIS的多流传输5.大规模天线收发机RIS技术可与大规模MIMO天线技术相结合。通过超表面引入一定相移实现任意方向的聚焦波束发射。这类天线可克服收发天线数量增加带来的成本和功耗增大问题，并提升MIMO的空间分集增益且聚焦波束的灵活性更强，未来在波束扫描、极化切换、波束赋形等方面有着极大的应用潜力。 图7 基于RIS的新型天线传统发射机是通过基带IQ数据操控载波信号的幅度和相位，而基于RIS的发射机的每个电磁单元都可以基于特定的控制信号而实现独立的灵活控制，基于RIS的发射机的最大优势是可以实现低功耗，同时可以实现信号的灵活控制。 图8 RIS发射机示意图二新型应用1.高精度定位传统的蜂窝网络提供了无线定位功能，它的定位精度受到有限的基站部署位置、定位基站数量的限制。RIS可灵活部署在基站服务区域的内部，辅助基站定位，提高定位精度。与传统多基站定位相比，RIS具有较大的天线孔径，空间分辨率更好，且RIS可以泛在部署，可以解决定位覆盖盲区问题，例如室内场景的高精度定位问题。 图9 RIS用于高精度定位2.车联网通信智能交通和自动驾驶对车联网的通信速率、时延和可靠性等系统性能提出更加严苛的要求。由于车辆动态性强，车联网的距离有限，使得车辆之间的有效通信难以保障。基于RIS的车联网系统可以提升车辆的覆盖范围，以一种类中继的作用提升车辆之间的有效通信距离，同时可以减少车联网的覆盖盲区，为车联网的发展提供了新的解决思路。 图10 基于RIS的车联网系统3.无人机通信将RIS加装在无人机(UAV)作为低空平台可在热点地区或覆盖盲区提供很好的通信链路，同时利用UAV的灵活性可以实现快捷的部署。无人机基站结合RIS，可实现灾区更广覆盖和更高能效的通信。RIS还可以用于辅助航路覆盖，将RIS部署在合适的地面、楼宇侧面或顶部等位置，将地面基站的信号反射至 UAV空中航线上。由于RIS的低成本易部署特性，有望实现大范围的航路信号覆盖。 图11 基于RIS辅助的无人机网络应用场景4.安全通信电磁环境的不确定性和不可操控性将带来保密信息泄露和复杂干扰等问题。将RIS设备部署在窃听用户附近，则RIS设备反射的信号可以被调谐以抵消来自窃听用户处所接收到的基站与窃听者之间的直达链路信号，从而有效地减少信息泄漏。 图12 RIS用于安全通信5.减少电磁污染电磁污染能影响对人体生物钟起作用的激素和传达神经信息的激素，还会破坏细胞膜。研究表明，电磁污染可直接杀伤人体细胞 DNA，促使基因突变而致癌。RIS能够把信号透射和反射到某一个方向，也可以通过调整幅度的方式，通过电磁的吸收，来减小电磁污染，并把电磁污染的一些波反射到不会产生电磁污染的方向上，达到抑制电磁污染的目的。 图13 RIS用于调整电磁干扰幅度6.降低移动边缘网络时延RIS可调节电磁单元反射参数，对空间环境进行控制，带来虚拟阵列增益和反射波束赋形增益。在边缘网络中，RIS可提升边缘设备的卸载成功率，提升整个网络性能，降低端到端信号传输时延。将RIS部署于边缘服务器附近，利用边缘服务器的计算能力，提升RIS电磁单元调控系数的调节效率，带来系统覆盖和传输容量增益，进而降低边缘网络传输和处理时延。 图14 RIS应用于移动边缘网络RIS未来的发展趋势 为加快RIS技术的成熟和规模化商用，RIS未来的主要研究趋势包括：RIS硬件架构及调控算法的研究、智能环境通信新理论和基带新算法的研究、无线网络新架构等研究方向。RIS通过构建智能可控无线环境，将给未来6G带来一种全新的通信网络范式，满足未来移动通信需求。简化版本的RIS将有机会在5G-Advanced阶段初步商业部署及标准化，尤其可以改善5G毫米波覆盖问题。RIS由中国自主提出并引发全球跟进，未来将成为我国在基础原创及全产业链全面领先的潜在突破领域之一。
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