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智能超表面，6G时代的颠覆式技术揭秘

光电汇OESHOW

2022-02-02

导读：一个理智的人，应该改变自己去适应环境。只有那些不理智的人，才会想去改变环境适应自己，但历史是后一种人创造的。

“一个理智的人，应该改变自己去适应环境。只有那些不理智的人，才会想去改变环境适应自己，但历史是后一种人创造的。”

—— 萧伯纳

在无线通信领域，也有一种不理智的技术，以“虽千万人吾往矣”的勇气，改变环境适应自己，硬是从一片荆棘的绝望中开辟出一条康庄大道。

下面，就让我们对这种技术一探究竟。

为什么要改变环境？

在无线通信的发展史上，我们一直重点关注的是通信的主体，也就是信源和信宿。迄今为止，所有技术的技术革新，都是在增强信源和信宿的能力上下功夫。

然而，对于信源和信宿之间的无线传播环境，会使信号经历复杂的反射、折射、散射、绕射、穿透、干扰等一系列复杂的过程，我们一直对此束手无策，只能被动地去适应。

适应无线传播环境手段，就是增强基站和终端的能力，或者优化组网架构。比如高低频协同、增大发射功率、增加收发天线数、频选调度、多点协作、微站补盲等措施，千方百计地去克服无线信道的不确定性。

这些措施，犹如经验丰富裱糊匠一样，一路支撑着移动通信从2G发展到了5G，虽然外表光鲜，但早已力不从心。5G毫米波的引入，更是直接戳破了那华丽而脆弱的外衣，让高频的覆盖难题阴云笼罩。

一丛树冠，几个行人，乃至一场阴雨，都会让毫米波的信号彻底“翻车”，更别提建筑的遮挡，以及巨大的穿透损耗了。枉有巨大的带宽优势，无线传播的无力却成了毫米波规模商用的桎梏。

改变自身适应环境这条看似理所当然的道路，已然走到了尽头。唯有正面出击，主动发力来重塑无线传播信道，才是解决问题的不二法门。

改变环境来适应自己，是时候了！

近年来，有一种技术引起了业界的广泛关注，它从外表上看就是一张平平无奇的矩形薄板，却可以灵活部署在无线通信传播环境中，并实现对反射或者折射电磁波的频率、相位、极化等特征的操控，从而达到重塑无线信道的目的。

这种技术，将有望在5G-Advanced协议中开始标准化，也被认为是6G关键技术之一。

它的名字叫做“可重配智能表面”，也叫“智能反射表面”，英文为RIS（Reconfigurable Intelligence Surface）或者IRS（Intelligent Reflection Surface）。

下文，我们将以RIS来称呼这项技术。

RIS是何方神圣？

RIS的技术基础，则是一种被叫做“信息超材料”的人工材料。下面我们将从“什么是超材料”开始，讲述RIS的基本原理。

超材料是指一类自然界中不存在的，具有特殊性质的人造材料。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。

超材料的英文是Metamaterial，看到这里的Meta，大家可能会觉得非常眼熟。没错，最近大火的元宇宙Metaverse的前缀也是这个Meta。这个拉丁词根，正是表示超出、另类之意。

怎么个“超”法呢？

地球上已知的物质都是由微观原子构成的，大量的原子按照一定的方式聚集起来，就形成了的宏观物体，也决定了材料的物理性质。

与此类似，如果我们能设计出亚波长大小的“人工原子”，并按照精密的几何结构排列，就能实现很多天然材料所不具备的性质。这种超越天然材料的人工材料，理所当然地就被称作“超材料”。

最早提出超材料概念的是前苏联的维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago），他于1965年提出了对“左手媒质负折射”材料的物理猜想。

维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）

所谓负折射材料，是指其光学性质与常见的玻璃、空气等透明物质的性质不同，其入射和折射光位于法线同侧，和常规折射的方向相反，也就是折射角为负。

1996年，英国的约翰·彭德里（John Pendry）爵士从理论上论证了负折射材料的存在。

约翰·彭德里（John Pendry）

2001年，美国的戴维·R·史密斯（David R. Smith）通过实验验证了负折射现象，证实了超材料技术的可行性。

戴维·R·史密斯（David R. Smith）

2006年，约翰·彭德里和戴维·R·史密斯两人强强联合，提出了变换光学，并成功设计出了世界上第一款隐身衣。

隐身衣原理示意

隐身衣实际效果

2011年，意大利科学家费德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面广义定律。

费德里科·卡帕索（Federico Capasso）

2013年，在美国国防部公布的“六大颠覆性基础技术”中，超材料赫然位于榜首，这表明美国军方对该技术前景的态度非常乐观。

随着相关理论和技术的成熟，在过去的十几年中，超材料被广泛用于操纵电磁波，实现了许多激动人心的物理现象，如负折射、电磁黑洞和幻觉光学等等。

早期的超材料功能单一，只能按照固化的模式工作，不能实时调控电磁波，因此我们将其称之为模拟超材料。后来，超材料可通过数字编码实现对里面人工原子状态的动态控制，从而实时操控电磁波，就叫做“信息超材料”。

信息超材料的基本结构如下图所示，每一个人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏压二极管的微电路组成，在不同的电压下可以实现“ON”或者“OFF”等不同状态，对电磁波的响应也是不同的。

实际实现时，人工原子也可以采用PIN管、三极管、MEMS、石墨烯、温敏器件、光敏器件等其他材料。

“ON”和“OFF”这两种状态，正好可以对应到信息世界的0和1，通过把这些单元配置为0或者1，超材料也就具备了动态编码的能力。

如上图所示，在不同的编码下，信息超材料可以通过反射形成不同形状的电磁波束，从而实现动态操控电磁波的目的。

通过对信息超材料的深度设计，可以实现对入射电磁波多个维度的操控，包括频谱、相位、幅度、极化等等，这就为将其在移动通信中的应用创造了条件。

RIS有何能耐？

那么，RIS到底是怎样重塑无线信道的呢？我们来看看下面这几个典型的场景。

1. 覆盖盲区消除。当基站和终端之间有不可逾越的障碍物时，它们之间就是非视距信道，如果信号传播环境单一，缺乏反射径的话，终端所能接收到的信号是非常微弱的。

有了RIS，可以操控反射波束，对准位于盲区的终端并动态跟踪，这就相当于创建了虚拟的视距路径，扩展了小区的覆盖范围。

2. 物理层辅助安全通信。当网络探测到窃听者或者非法用户时，可以利用调控RIS的反射信号的相位，让其和直射信号在接收时进行抵消，从而减少信息泄露。

3. 多流传输增秩。当信号传输的环境较为简单时，往往缺乏独立的多径，难以实现足够的多流传输。通过RIS的反射，可以人为增加信号传播路径，更好地实现多流传输，提升热点用户的吞吐量。

4. 边缘覆盖增强。当终端（下图中的终端1）位于小区边缘时，使用RIS动态操控服务小区和邻区的反射信号，使服务小区的信号同相叠加增强，来自邻区的信号则反相叠加抵消，从而有效消除邻区干扰。

5. 大规模D2D通信。RIS可以通过对多路信号的智能反射，可以起到干扰抑制的作用，并同时进行低功率传输，有助于实现大规模的D2D通信。

6. 物联网中无线功率和信息的传输。无线携能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技术可以同时传输信号和能量，即在与无线设备进行信息交互的同时，为无线设备提供能量。RIS可以起到类似中继的作用，通过无源波束来补偿长距离传输带来的巨大能耗，帮助充电区域提高无线传输功率。