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【訊】(記者 黨博文)隨著5G系統(tǒng)的大規(guī)模商用，產(chǎn)業(yè)界和學術界紛紛啟動了6G技術的研究工作，新一輪科技競賽已經(jīng)啟動。

日前，中信科移動成功實現(xiàn)了智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)替代傳統(tǒng)的相控陣天線、實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶒灒饦I(yè)界的廣泛關注。

【資料圖】

那么，究竟什么是智能超表面技術?這一技術的成功落地又影響什么?

“減負”無線網(wǎng)絡部署難題

無線網(wǎng)絡容量需求的持續(xù)快速增長，讓無處不在的無線連接已經(jīng)成為現(xiàn)實，同時，隨著網(wǎng)絡容量需求的不斷提升，高度復雜的網(wǎng)絡、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成為未來無線網(wǎng)絡面臨的關鍵問題。

長期以來，受限于材料相對固定的電磁參數(shù)，人們對電磁波的控制力僅局限于發(fā)射機和接收機，然而，智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)技術是一種具有可編程電磁特性的人工電磁表面結構，它包含大量獨立的低成本無源亞波長諧振單元。每個RIS單元具備獨立的電磁波調(diào)控能力，可以通過改變RIS單元的參數(shù)、空間分布等來控制每個單元對無線信號的響應，例如相位、幅度、極化等。通過大量RIS單元的無線響應信號的互相疊加，在宏觀上形成特定的波束傳播特征，從而形成靈活可控的賦形波束。

簡單理解來看，智能超表面能夠靈活操控信道環(huán)境中的電磁特性，進而實現(xiàn)以可編程的方式對空間電磁波進行主動的智能調(diào)控，同時，作為超材料的二維實現(xiàn)，RIS天然具有低成本、低能耗和易部署的特性，可用于解決未來無線網(wǎng)絡面臨的諸多問題。

作為多天線技術的一種擴展，智能超表面技術近年來受到了業(yè)界越來越高的關注，并引發(fā)了針對相關技術理論及應用方案的深入研究與廣泛探索。

據(jù)悉，從2020年開始，中國學術界與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合，開展了一系列RIS產(chǎn)業(yè)推進活動，極大地促進了RIS的技術研究與工程化進程。其中，2020年6月，IMT-2030(6G)推進組無線技術組成立了“RIS任務組”。同年9月，中國通信標準化協(xié)會(CCSA)TC5 WG6成立“RIS研究項目”。2021年9月17日，IMT-2030 (6G)推進組在6G研討會RIS分論壇上正式發(fā)布業(yè)界首個《智能超表面技術研究報告》。2022年4月7日，智能超表面技術聯(lián)盟(RISTA)暨第一屆會員大會在北京召開，這標志著智能超表面技術聯(lián)盟正式成立。在這之中，作為設備商的代表，中信科移動較早啟動了RIS技術的研究工作，參與了ITU、CCSA、IMT-2030(6G)推進組等研究和產(chǎn)業(yè)標準化組織的相關推進工作，2022年還參與了IMT-2030(6G)推進組智能超表面技術測試工作，積極推動相關技術走深向?qū)崱?/p>

本次成功實現(xiàn)的智能超表面替代傳統(tǒng)的相控陣天線、實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶒?，通過毫米波基站，基于智能超表面的大規(guī)模天線陣列構建靈活多流波束賦形發(fā)射機，實現(xiàn)多流波束賦形高效傳輸，在業(yè)界首次實現(xiàn)了RIS作為基站發(fā)射機天線陣列場景，毫米波手持終端接入的技術實驗。經(jīng)室內(nèi)環(huán)境的實地測試，這一系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實現(xiàn)多流數(shù)據(jù)傳輸，手持終端單用戶下行數(shù)據(jù)速率可達5Gbps以上，頻譜效率達到8.4bps/Hz，體現(xiàn)了良好的性能。

而這一驗證結果也初步展現(xiàn)了未來移動通信系統(tǒng)中智能超表面技術在支持多天線維度擴展及傳輸能力提升方面的巨大潛能，為大規(guī)模天線系統(tǒng)的低成本、低功耗與輕量化發(fā)展指引了新的方向，為天線規(guī)模的進一步擴大、性能的進一步增強以及向著更多應用領域的拓展奠定了基礎。

“破局”應用網(wǎng)絡壁壘

無疑，5G作為新一代信息通信技術的發(fā)展方向，承載著數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的關鍵支撐，當前，我國正積極開展5G融合應用探索，而應用的背后，穩(wěn)定的網(wǎng)絡覆蓋需求持續(xù)凸顯。

當前，大規(guī)模天線技術作為提升頻譜效率的重要手段，已經(jīng)在5G網(wǎng)絡中得到廣泛應用，然而，隨著天線數(shù)目的不斷增大，單基站成本、功耗、體積重量等約束條件對于超大規(guī)模天線應用帶來明顯制約，使得更大規(guī)模天線應用受到很多的限制。

記者了解到，相比于傳統(tǒng)的有源天線陣列，RIS具備低成本、低能耗，并且可編程、易部署、以更大天線規(guī)模取得高賦形增益等特點，可以被用來增強覆蓋、提高吞吐量、提升能效等，同時，將RIS用在發(fā)射機，可以更低的成本與能耗實現(xiàn)超大規(guī)模天線陣列，可實現(xiàn)更靈活波束賦形，更大的波束掃描角度，簡化發(fā)射機結構，特別適宜用在中繼補盲，拓展覆蓋范圍。

具體來看，在車聯(lián)網(wǎng)場景，依托RIS輕量級、小型化、低成本、高效能的特性，可以解決車與車之間或車與基站之間的信號阻塞問題，保障車輛間的動態(tài)通信，提升車輛的覆蓋范圍，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了新的解決思路與可行方法，也極大促進了RIS在無人機、通信中的應用與發(fā)展;無人機、衛(wèi)星場景，RIS可以極大減輕的天線陣列自重，減小陣列體積，更易于拓展陣列規(guī)模以獲得更高的陣列增益，也可以實現(xiàn)空間調(diào)制;綠色節(jié)能上，將RIS用于能量收集與傳輸，一方面可以解決RIS自身的能量供給問題，另一方面可以通過RIS反射射頻能量來為目標用戶提供能量供給，這為綠色通信提供了新的解決思路與可行方法。

目前，業(yè)界大部分的研究主要集中在中繼型智能超表面技術的探索和應用研究，大部分場景主要應用于無線通信系統(tǒng)的中繼補盲，實現(xiàn)覆蓋的擴展，包括非視距場景增強、解決局部空洞、支持邊緣用戶等，還有部分在研究基于RIS的高精度定位與感知。

但是，中繼型智能超表面技術仍然存在級聯(lián)信道信息獲取困難，需要大面積的RIS陣列來保證接收信號能量、無源RIS無法實現(xiàn)高效波束跟蹤、異構網(wǎng)絡下的互干擾等技術亟待突破。

值得一提的是，目前中國在RIS的材料工藝、理論研究、實現(xiàn)算法及工程試驗等方面做出了重大貢獻，而作為未來通信關鍵技術領域中一個極具潛力的方向，RIS有機會在5G-Advanced網(wǎng)絡中提前落地，并可能在未來6G網(wǎng)絡中使能智能無線環(huán)境，進而帶來全新的網(wǎng)絡范式。

劍指全新網(wǎng)絡范式

當前，6G網(wǎng)絡關鍵技術的研究及技術驗證吸引了學術界和產(chǎn)業(yè)界的極大關注。事實上，當我們在討論5G技術和6G技術時，如何界定6G技術和5G技術的范疇是一個很重要的問題。

記者了解到，高頻毫米波是5G-Advanced和6G潛在工作頻段。高頻信號存在路徑損耗較大，小區(qū)半徑較小，受障礙物遮擋、雨雪天氣、環(huán)境吸收影響大等缺點，使得應用場景上存在較大的限制。通過智能超表面技術，可以使得毫米波應用場景取得較大的改善。

一方面可在基站和終端用戶之間部署智能超表面設備，通過中繼型智能超表面能夠在視距通信不可達或信號質(zhì)量較差的盲區(qū)或小區(qū)邊緣，按需動態(tài)建立非視距鏈路，從而提升網(wǎng)絡深度覆蓋質(zhì)量，減少覆蓋盲區(qū);但是，中繼型智能超表面技術仍然存在級聯(lián)信道信息獲取困難，需要大面積的RIS陣列來保證接收信號能量、無源RIS無法實現(xiàn)高效波束跟蹤等技術亟待突破。

另一方面，將RIS作為發(fā)射機，和傳統(tǒng)天線陣列相比，利用RIS構建了規(guī)模更大的天線陣列形態(tài)，從而實現(xiàn)毫米波系統(tǒng)實現(xiàn)更大覆蓋和更高容量。在索士強看來，隨著智能超表面技術的新型天線陣列技術成熟，也可能用于5G-Advanced系統(tǒng)設備中，實現(xiàn)6G技術的5G化應用。

目前，除了基于智能超表面的大規(guī)模天線多流傳輸發(fā)射機方案測試驗證之外，為了配合IMT-2030(6G)推進組智能超表面技術測試驗證工作，中信科移動還開展了針對智能超表面輻射特性與非視距(NLOS)場景及補盲方案等項目的測試，檢驗了智能超表面的關鍵性能指標，并驗證了智能超表面作為中繼的覆蓋補充效果。

需要指出的是，在RIS推進中，仍存在涉及理論模型、應用技術、工程化研究等方面挑戰(zhàn)。首先，理論模型的刻畫上，雖業(yè)界已有一些積累，但后續(xù)還需在電磁調(diào)控物理機理、電磁信息學、信道模型等方面進一步深入探索，以盡快構建完善的理論體系，同時，RIS是材料科學、電磁學、信息與電子學、通信工程等多學科交叉融合的技術，需要多學科協(xié)同推進。

無疑，本次智能超表面技術的推進，驗證了智能超表面陣列作為基站發(fā)射機天線陣列構建靈活多流波束賦形的技術可行性，拓寬了智能超表面的應用場景，有助于加快智能超表面技術的落地和產(chǎn)業(yè)化進程，未來，隨著超材料天線的應用推廣，智能超表面設備形態(tài)將更加豐富多樣，而低成本、低功耗、易部署的智能超表面設備將成為基站提供有效的補充和延伸。