崔铁军

近日，第二届“智能超表面技术论坛”在浙江省科学技术厅指导下举行，论坛由智能超表面技术联盟、杭州钱塘新区管理委员会主办，杭州大创小镇管理办公室、杭州市钱塘区信息高等研究院、中兴通讯、中国联通、中国移动、中国电信、中国信息通信研究院、东南大学、清华大学、北京邮电大学和电子学会通信分会联合承办，智能超表面技术联盟全体成员单位协办。论坛主题为“新维度，新范式（New Dimension, New Paradigm）”，30多位国内外院士和知名大学教授和RIS产业链重要企业专家参会，崔铁军院士在论坛上作《信息超材料与6G》的主题报告，以下为报告节选。

「信息超材料技术是全球研究热点」

电磁超材料（也称为超构材料、新型人工电磁媒质、特异媒质等）是将具有特定几何形状的亚波长尺度单元按照周期性或非周期性排布的人工结构 , 人们通过设计单元参数和单元的排列方式来定制其等效材料及媒质属性 , 突破了传统材料在原子、分子层面难以调控的限制 , 能构造出传统材料与传统技术难以实现的超常媒质参数和这些参数的任意非均匀分布 , 从而实现了对电磁场和电磁波的自由控制 , 带来了全新的物理现象。

近20年来，超材料一直是物理和信息领域的前沿研究热点 , 相关成果四次入选Science遴选的“年度十大科学突破”和21世纪前十年的“十大科学突破”。美国将超材料列为“六大颠覆 性基础研究领域”之首 , 日本将超材料列入“基础科学先导研究”七个重大项目之一 , 欧洲也相继实施了超材料的重大研究计划。2017年，我国启动“变革性技术”研究 , 超材料位列首批研究项目。

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。后来，超材料可通过数字编码实现对人工原子状态的动态控制，从而实时操控电磁波，这就是“信息超材料”。随着全球5G移动信息网络的商用化，全球各研究机构和通信企业掀起了6G技术的研究浪潮。

「从信息超材料到智能超表面」

2017年，我们课题组在Journal of Materials Chemistry C的特邀论文中提出了“信息超材料”的概念，涵盖了数字编码超材料、现场可编程超材料以及未来的软件化超材料和可认知超材料，是物理学与信息科学的有机融合。信息超材料采用数字化方式对超材料的人工原子进行表征与标定，从而使人们可以从信息的角度来分析与设计 超材料，它能直接处理数字编码信息，并可进一步对信息进行感知、理解，甚至记忆、学习，为基于超材料的电磁波调控提供了一个全新的物理平台，从而实现对信息更加灵活、实时和智能地控制。信息超材料的核心是在超材料的物理空间上建立起数字空间，可将电磁学和信息科学有机地结合起来，开拓新的学科方向，产生一系列具有新体制新机理的信息系统。

2019年，张瑞院士、金石教授、土耳其巴沙教授和法国 Durant 教授都发表了非常重量级的论文，提出了“智能超表面”（Reconfigurable Intelligent Surfaces，简称RIS）的概念，基于无线通信层面，围绕智能超表面对信道的增强、对信息容量的提升、对通信环境的调控等提出的；我们课题组在2014年基于物理层面提出了“数字编码和可编程超表面”的概念，首次将超材料对电磁波的动态控制以数字编程的方式实现。无论是通信层面还是物理层面，这两个概念实际上是一致的，在无线通信大行业下，RIS实际上将电磁波的物理层和通信紧密地结合起来。

RIS是信息超材料的应用技术之一，也是当前6G的研究热点。RIS作为一种新型的人工电磁超表面，从外表上看就是一张平平无奇的矩形薄板，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。RIS还具有低成本、低能耗、轻质量等优点，有望在5G-Advanced协议中开始标准化，也是公认的下一代6G无线通信网络的关键使能技术之一。

「RIS：连接数字世界与物理世界的新范式」

数字编码表征使得信息超材料的物理特征和功能不但受几何光学、物理光学、麦克斯韦方程、近远场散射等物理学原理支配 , 还可以在超材料的物理空间上进行信息操作和数字信号处理运算。要把一个无源（无需供电）微结构做成一个动态的有源（需供电）超材料，必须实现两个目标，一是微结构要能对电磁波动态调控，二是可以用数字来实现这种调控。在数字超材料中，数字0和1代表的是两种相反的物理状态，例如相位的正相和反相，0透射和全透射等。最初，我们采用了有源二极管（PIN）来设计这个微结构，当二极管接通和断开时，会产生180度的相位差，同时二极管的接通和断开也可以对应高电平和0电平，这恰与数字电路中的0和1是相同的，从而将电磁波控制的物理行为与数字电路的0和1的计算对应起来。

在二极管（PIN）之后，变容管、三极管、MEMS、液晶、石墨烯、相变材料等都被引入超表面研究，调控手段得以进一步丰富，实现了对电磁波幅度、相位、极化等状态的灵活调控。随后，我们课题组在融合信息、电子、材料等科学的基础上，将超材料的研究由单纯的空间编码拓展至空间——时间——频率等多域联合编码，并应用于对空间电磁信息的直接调制。我们把所有可能的空间编码序列排列设计好后存到FPGA里，就实现了一个可编程的超表面，能够对电磁波、电磁能量、电磁波束等进行一个实时的、可编程的操控。

这一系列工作开创了连接数字世界与物理世界的新范式，并为基于信息超材料的下一代无线通信系统研究作了基础性和前瞻性铺垫。

「信息超材料被视为6G关键使能技术之一」 

现代无线通信系统的工作原理是先将所要传递的信息转换为数字形式的二进制码，通过数字模拟转换，将数字信号变成中频模拟信号，再将中频模拟信号进行调制，加载到载波，经过放大和微波射频链路后通过发射天线发送出去。无线 通信技术从3G开始，为实现更大的信号传输吞吐量，在天线技术上做了很多改进，从智能天线到多天线，从多天线再到天线阵列，4G就引入了天线阵列（MIMO），5G引入了大规模天线阵列（Massive MIMO）。天线的数量从1对（发射和接收各1根天线）开始，到2对、4对、8对…… 目前主流5G宏基站普遍用的是64对天线。从理论上讲，更多的天线对数会带来更好的传输带宽，但为什么128对、256对天线并没有实现大规模商用？那是因为MIMO、毫米波通信的天线阵列成本高、系统复杂、功耗大。当6G采用超大规模天线阵列或使用太赫兹频段时，上述缺点会更加突出。

而信息超材料则给出了一种路径。基于信息超材料，我们课题组提出了直接辐射无线数字通信系统，极大地简化了传统通信构架，发射系统所传递的信息被加载到可编程超材料上，在馈源天线的照射下以不断变换的远场方向图的形式直接辐射到自由空间中；接收系统将处于远场区域不同位置处的接收天线所接收到的电场值汇总得到远场方向图，并通过对比远场方向图与编码序列之间的映射关系而恢复出所发送的原始信息。通过超材料对电磁波的控制，可以把天线的物理特性与基带的数字特性结合起来，简化了天线技术，而且功耗、成本都明显降低。

2021年7月，我们与中国移动携手率先在5G现网完成智能超表面技术实验，结果表明智能超表面可根据用户分布灵活地调整无线环境中的信号波束，显著改善现网弱覆盖区域的信号强度、网络容量和用户速率。目前，信息超材料已在新架构无线通信和微波成像获得应用，未来在新一代电子信息系统和未来无线通信中将具有广泛应用前景。

「技术跨界 难在融合」 

自2014年我们课题组提出“数字编码和可编程超材料”的概念以来 , 信息超材料技术在不到十年间有了长足发展。信息超材料简化了超材料的设计流程，提高了电磁波调控的灵活度，扩大了调控范围 , 实现了实时调控 , 其最大的优势是在超材料的物理空间上构建了数字空间 , 从而可对电磁波的物理特征和数字信息同时进行调控 , 进而涌现出一系列诸如信息熵、卷积定理、加法定理等可对信息量、电磁波的幅度、相位、极化、频谱、波束灵活调控的全新算法。

从目前研究趋势来看，信息超材料在信息维度、控制维度、智能维度、应用维度等方面还将有新的突破。在信息维度，现有可编程超材料均是对相位进行数字编码的 , 数字信息也仅编码在相位之上。目前虽然已经做了初步的幅相编码超材料工作，但都基于静态编码单元 , 幅相调控的可编程超材料还有待研发；在控制维度，微机电系统可作为一种新的候选调控方案，能量控制的数字编码超材料、红外激光控制的数字编码超材料的研究还处于初步阶段 , 更复杂的调控需要进一步研究 ；在智能维度，目前的可编程超材料还需要人工控制来切换不同功能，能根据不同环境调整编程功能、无需人工参与的自适应智能超材料还需要进一步研究；在应用维度，这也是最难的维度，没有应用就没有超材料的未来。

技术跨界，难在融合。目前，RIS还要直面基础理论不完善、器件成熟和可靠性低、应用部署受限等诸多挑战，希望产业界和学术界联合起来“打怪升级”，让RIS真正成为6G应用的颠覆性技术。