RIS: 从适应环境到改变环境

智能超表面（Reconfigurable Intelligence Surface，RIS）是一种由大量可重构亚波长单元构成的阵列，能够调控入射电磁波的幅度、相位、极化等电磁特性，从而主动改变无线信道环境，有效提升通信系统的性能，成为目前6G公认的、具有潜在的关键术之一。比如国内东南大学、华中科技大学等，华为、中兴、中国移动、电信等都做了大量实验验证。

目前的通信技术主要是适应信道的变化。RIS虽然在理论上可以改变信道，但在算法上会面临一些新的挑战，尤其是RIS引入后的新信道特性。第一，由于RIS的维度非常高，估计BS-RIS-UE级联信道导频开销大。因为它的维度约为之前MIMO信道维度的几百倍甚至上千倍。为了解决这一问题，我们就利用BS-RIS信道高维慢变以及RIS-UE子信道低维快变的特性，通过这种大小尺度、双时间尺度分别估计两段子信道的方法，可以大幅地降低信道估计所需要的导频开销。

第二，超大规模RIS系统存在空间非稳定现象，RIS阵面上不同部分对应的散射环境可能不同，而RIS只能整体反射信号，无法分辨阵面不同部分的接收信号。

随着技术的进步，我们现在越来越倾向于把RIS做到更大的规模，以获得更好的效果。做到大的阵列后，由于阵列的不同部分对应的散射体可能不同，这就会导致空间的非平稳的现象。

这种现象在5G之前的小规模系统中是不存在的。由于RIS只能被动地反射信号，所以在基站端收到的信号是从不同的散射体过来合在一起的，这样很难区分不同的阵面所看到的不同信号。这会导致现有的信号道估计方法，没有办法精确估计空间的非平稳信道。对于空间的非平稳信道，北京邮电大学张建华教授已经做了一些实测，证明了这种现象确实在系统当中存在。

而现有的方法不能区分每个子信道的重要原因，是因为在每个时信里RIS的配置是相同的，所以没有办法提取在各个子阵对应的信号。为了解决这一问题，我们受经典的Alamouti编码启发，把RIS划分成多个子阵，不同时隙内按空时编码的方式整体变化，接收端通过空时译码分别能够求解不同的子阵所对应的平稳信道。通过这种方法可以把空间的非平稳的信道，转化成为空间的平稳的信道，从而大幅提高信道构建的进度。

除了空间非平稳这一RIS引入的新信道特征外，还有另外一个特征即近场传播。目前RIS近场码本尺寸过大，RIS距离会显著增强，遍历式波束训练需要把所有的码字从头到尾搜索一遍，以确定接收机和发射机的位置，这会导致非常高的波束训练开销。为此，我们构造了分层的近场码本，它的基本思想就是逐层地缩小角度和距离两个维度上的采样范围和采样的步长，从而 实现分层的近场波束训练，大幅度提升波束训练的效果。

RIS面临的架构设计挑战

除了算法设计方法，在系统架构方面RIS也面临一些新的挑战，我们也提出了一些相应的架构来解决这些问题。

由于RIS处于中间位置，这两端信号构成的极联信道是一个乘性的衰落。在乘性衰落情况下，RIS虽然能够把信号汇集起来，但是乘性衰落会吃掉RIS带来的波束复型的增益。乘性衰落效应导致RIS反射链路路损较大，使得无源RIS在直射径较强的典型场景难以获得显著的性能增益。

很多学术论文都会假设基站和用户之间的信道被阻挡，实际上在通信系统中这种现象并不是很常见。比如在会议室开会时，没有信号的地方实际上是很少的。在这种情况下，乘性衰落就会大大地限制RIS适用的范围。它如果只在一小部分场景下有用，对市场推广是不利的。

为解决这一问题，我们提出有源RIS技术。核心思想是在每个RIS单元后面集成一个放大的器件，在反射信号的同时放大信号，从而在典型场景下也能取得显著性能增益。我们也搭建了64单元有源RIS辅助的无线通信系统并且进行了现场传输测试。实测结果表明，用户接受信号功率提升10dB左右。

现有的RIS整个控制流程比较复杂，首先要进行信道估计，再由基站来计算预编码，最后告诉RIS控制信令。无论采用有线还是无线控制方法，都会导致一个共同的问题，即信令控制流程比较复杂、成本比较高，导致大规模部署比较困难。

为了解决这个问题，我们想到一种“他山之石可以攻玉”的方法。在光学干涉中，两列光相遇时发生叠加或抵消形成明暗条纹。在这些明暗干涉的条纹里面，包含信道的相位信息，对RIS的控制核心就是要得到这些信息。

因此，我们可以采用类似于杨氏双缝干涉的方法，让基站和用户同时向RIS发射信号，相当于两束光照到RIS板后产生电磁干涉。而电磁干涉本身的幅度分布，体现出用户和基站之间的信道信息，特别是它们的相位信息。通过这种电磁干涉的方法，我们可以将很难获取到的信道相位信息做一个转化，转化成能较为容易获取到的电磁场功率信息。

为了实现这一设想，我们提出了感知RIS概念，其核心就是在现有RIS基础上增加一个功率计。我们和东南大学崔铁军院士团队合作搭建了一个感知RIS的硬件平台，由两块16×16的感知RIS硬件构成。通过实验测试，在RIS上可以观测得到理论上所期望的干涉场，而且通过算法可估计用户方位，初步验证了感知RIS的原理和软硬件联合设计方案。这一方案有望使得RIS摆脱基站的控制而独立存在，对其大规模部署是比较有利的。

另外一方面，目前大部分的研究仍集中在透视和反射式到RIS之上。比如通信时室内的信号不好，希望室外信号能够穿透墙壁后更好地透射到室内，这时我们就希望能够做透射式RIS。我们和清华大学电子工程系杨帆教授课题组等共同研发了一个2-bit相位调制的16×16毫米波透射式RIS，搭建了透射式RIS辅助的毫米波通信平台，对透射式RIS的增益进行了测试。结果显示，与没有透射式的RIS相比，接受信号的强度可以提高8个dB左右。

RIS未来发展方向

对于今后发展方向，崔铁军院士团队已经开展了高精度3D信道建模和信道容量的理论极限，另一方面还可以在无蜂窝网络中使用RIS以低功耗进一步降低用户间干扰。

目前做的大部分RIS通信的带宽还不是很大，对于未来通信特别是在高频通信、大带宽的场景下，需要做宽带RIS，这需要很好的结构和控制电路的设计。在大带宽的通信场景当中，会存在大带宽引起的波速分离问题，这个在目前RIS中的研究还非常少，需要通过软硬结合的思路，才能够得到比较好的解决。

在RIS引入以后带来的不同的信道模型，包含双时间尺度、空间的非平稳、近场RIS码本设计与波束训练，对算法的设计也提出了更高要求。RIS本身是一个新的技术，在架构方面有一些可以改进提高的地方。我们分别针对乘性衰落的问题提出有源RIS；针对RIS受控于基站的问题提出感知RIS的方法；针对于研究比较多的反射式RIS、只能覆盖同方向的用户，搭建了透射式RIS的原型机。对于未来RIS的研究，将包含更精确的3D信道建模、RIS辅助的无蜂窝网络、带宽RIS的设计与通信。

箫伯纳说过：“理性的人是让我们自己适应环境，不理性的人让环境适应自己。”其实他还说了另外一句更重要的话——“历史是由后一种人创造的。”智能超表面为6G改变无线信道提供了新的机会，有可能在未来的6G发展中书写新的历史