详解6G核心技术之一：可重构智能超表面 RIS
本文摘要：（由ai生成）智能超表面（RIS）技术可灵活操控电磁波，通过数字编码等方法实现幅度和相位的精确控制，有隐身衣、电磁黑洞等应用。RIS被视为6G通信关键技术，能提升通信质量、支持高精度定位等新型应用场景。中国学术界和产业界在RIS领域取得显著进展，成立了相关联盟和论坛推动研究。东南大学崔铁军院士团队在可编程衍射神经网络方面取得重要进展，展示了RIS在图像识别等领域的应用潜力。RIS技术有望实现人类对电磁波的自由操控，为通信技术带来革命性变化。今天和一个同学谈论到智能超表面RIS这个话题：”为什么现在RIS这么火呢？“当时还开玩笑说，这个年头，凡是能和智能 Intelligence 挂上钩的，都是大火，无论是AI大模型，还是股价飞上天的英伟达，都是靠着这个”Intelligence“火起来的。对于电磁波这个研究方向来说，超材料本身就火了很长一段时间，如今又加上 Intelligence，那岂不是火上加油的火。玩笑归玩笑，智能超表面这个方向，其实寄托了无数射频人的梦想——灵活操控自由空间中传播的电磁波。通过灵活控制电磁波的传播，那么隐身衣，电磁黑洞，也就成了现实。所以，今天我们一起来学习一下这个火上加火的射频研究课题——智能超表面。No.1 什么是智能超表面RIS？智能超表面的全称叫做可重构智能超表面，英语全称为Reconfigurable Intelligent Surface，缩写为RIS。 广义上来说，RIS是电磁超材料的一个研究分支，射频学堂在《神奇的电磁超材料之初认识》中对超材料做过详细的讲解。超材料包括三维超材料和二维超表面两个大类，在二维超表面中又分为固定参数超表面和可调超表面。而RIS一般被划分为可调超表面的一种，但是通常又可以把固定参数超表面看作可调超表面的一个特例。最初的超材料，也称为左手材料或者双负媒质，是一种人工制成的具有负介电常数和负的磁导率的结构，最早由Viktor Veselago 教授于1967年提出，并在论文中系统地分析了双负媒质中电磁波的传播特性，理论预测了多个新奇的异常调控现象。这篇创世论文到今天为止已经被累计引用达10226次。1996 年，John B. Pendry 教授用周期排布的开口谐振环实现并验证了负介电常数，并在 1999 年通过周期性排布实现并验证了负磁导率。而最早的超表面则是由Daniel F. Sievenpiper 教授在1999年提出的蘑菇型结构高阻抗表面。下图是东南大学崔铁军教授研究团队地可编程超表面模型，研究团队使用五层透射式的可编程超表面阵列来层级调控电磁波的空间传播和交互特性（如图1所示），其中每层超表面阵列都有8×8个单元，每个单元都可以看成人工神经网络（ANN）中的一个神经元节点，整个PAIM可看成是一个ANN的物理实现。每个超表面单元能在-22dB到13dB的范围内调控透射电磁波的幅度，同时改变和幅度耦合的相位。No.2 智能超表面的类型1，数字编码超表面数字编码超表面利用二进制编码的形式来表征超表面。编码超表面一般包含有限种单元，并凭借离散化的数字编码序列来操控电磁波. 最初提出的编码超表面包含由两种不同结构尺寸的单元，如下图所示，命名为“0”和“1”，分别对应单元的反射相位为 0°和 180°，这个数字编码概念可以从 1 比特拓展到任意多比特.例如一款 2 比特编码超表面是由四种编码单元“00”、“01”、“10”和“11”构成，分别对应 0°、90°、180°和 270°相位响应；更高比特的编码方法依次类推. 总之，利用数字编码来表征超表面的方法是将其基本构成单元的电磁参数离散化，可以极大程度地简化设计和优化流程，便于将超表面物理与智能算法及信息处理等技术相结合，产生了丰富多彩的应用。2，现场可编程超表面现场可编程超表面通过在单元上集成有源半导体器件或者其他可调节材料，如微波段的开关二极管、变容二极管和MEMS 开关等，进一步形成“现场可编程超表面”。可编程超表面与 FPGA 控制模块的结合具有更大的实时可调节能力，结合软件算法，可以实现对电磁波的智能感知与实时处理. 可编程超表面每个单元的状态都可以被独立控制，通过改变 FPGA 控制模块里面预先存储的编码序列，可以实时地切换不同的功能，如下图所示3，时空编码数字超表面 时空编码数字超表面 通过在空间域和时间域对信息超表面的表征参数 (幅度或相位) 进行联合编码，可获得同时在空间域和频率域调控电磁波的能力。4，反射和透射一体的智能超表面，反射和透射一体的智能超表面，英语全称Simultaneously Transmitting and ReflectingSurface，缩写为STARS，STARS 可以实现 360°的覆盖和具有更多的调节自由度等优点。5，有源智能超表面有源智能超表面通过将有源功率放大器集成在智能超表面单元中，使得 RIS 具有对空间电磁波进行二次场增强调控的能力，并利用数字编码技术对功率放大器的状态进行数字离散化调控，从而实现动态调控超表面的辐射远场波束可重构。当然，随着对RIS研究的深入，智能超表面技术会越来越强大，人类自由灵活操控电磁波将成为现实。记住，如果能操作电磁波，那么也就能自由地对光进行编程。No.3 智能超表面RIS，6G关键技术之一智能超表面之所以越来越火，我想还有一个重要的原因，6G快来了。而智能超表面就是6G应用的一个重要关键技术。从2020年开始，中国学术界与产业界联合，开展了一系列RIS产业推进活动，极大地促进了RIS的技术研究与工程化进程。2020 年 6 月，国际移动通信 （IMT） -2030 推进组无线技术组成立了“RIS任务组”。同年9月，中国通信标准化协会（CCSA）TC5-WG6成立“RIS研究项目”。2021年9月17日，IMT-2030 （6G） 推进组在6G研讨会RIS分论坛上正式发布业界首个《智能超表面技术研究报告》。在报告中，详细介绍了智能超表面对于移动通信的多种应用场景和优势，比如克服覆盖空洞，边缘覆盖增强，室内覆盖增强等等。同时，智能超表面RIS在6G中也有很多新型应用，比如大规模天线收发机，高精度定位，车联网通，无人机通信，安全通信，能量收集与传输，减少电磁污染，降低移动边缘网络时延，频谱认知共享和空间调制以及背向反射等应用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。并且，这种由中国自主提出并引发全球跟进的新型技术，在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。所以，加油吧，少年！RIS重要组织和网址智能超表面技术联盟RISTA http://www.risalliance.com/智能超表面技术论坛http://2022.risforum.com/Professor SirJohn Pendryhttps://www.imperial.ac.uk/people/j.pendryETSI Reconfigurable Intelligent Surfaceshttps://www.etsi.org/technologies/reconfigurable-intelligent-surfacesIEEE Best Readings in Reconfigurable Intelligent Surfaceshttps://www.comsoc.org/publications/best-readings/reconfigurable-intelligent-surfaces参考文献：THE ELECTRODYNAMICS OF SUBSTANCES WITH SIMULTANEOUSLY NEGATIVE VALUES OF AND μ;https://www.researchgate.net/publication/343510522_Victor_Georgievitch_Veselago_1929-2018;3,Reversing Light:Negative Refraction;Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures;https://radio.seu.edu.cn/2022/0223/c1589a399379/page.htm智能超表面技术展望与思考;智能超表面技术白皮 书;智能超表面，6G时代的颠覆式技术揭秘;智能超表面关键技术与演进趋势Reconfigurable intelligent surfaces for wireless communications;面向网络协作的智能超表面技术白皮 书;电磁超表面与信息超表面;注释，文章中截图来自于参考文章，列表如下，如有侵权，请联系删除。来源：射频学堂
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