备战6G：智能超表面技术颠覆什么？

揭开智能超表面技术的“表面”。

随着5G系统的大规模商用，在5G的下半场，产业界和学术界纷纷启动了6G技术的研究，6G的关键技术确定也成为关注焦点。

在6G的研究中，智能超表面技术或可重构的智能表面技术，被广泛提及，被认为是6G的关键技术之一，也是产业链发力的重点。

日前，中信科移动成功实现了智能超表面替代传统的相控阵天线、实现高速数据传输的实验，作为原生智能、网络感知、极致连接中的关键支撑，此次试验的成果，引起业界的广泛关注。

那么，究竟什么是智能超表面技术?它又颠覆什么？

“减负”无线网络部署难题

无线网络容量需求的持续快速增长，让无处不在的无线连接已经成为现实，同时，随着网络容量需求的不断提升，高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线网络面临的关键问题。

长期以来，受限于材料相对固定的电磁参数，人们对电磁波的控制力仅局限于发射机和接收机，然而，智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)技术是一种具有可编程电磁特性的人工电磁表面结构，它包含大量独立的低成本无源亚波长谐振单元。每个RIS单元具备独立的电磁波调控能力，可以通过改变RIS单元的参数、空间分布等来控制每个单元对无线信号的响应，例如相位、幅度、极化等。通过大量RIS单元的无线响应信号的互相叠加，在宏观上形成特定的波束传播特征，从而形成灵活可控的赋形波束。

简单理解来看，智能超表面能够灵活操控信道环境中的电磁特性，进而实现以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控，同时，作为超材料的二维实现，RIS天然具有低成本、低能耗和易部署的特性，可用于解决未来无线网络面临的诸多问题。

作为多天线技术的一种扩展，智能超表面技术近年来受到了业界越来越高的关注，并引发了针对相关技术理论及应用方案的深入研究与广泛探索。

据悉，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。其中，2020年6月，IMT-2030(6G)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》。2022年4月7日，智能超表面技术联盟(RISTA)暨第一届会员大会在北京召开，这标志着智能超表面技术联盟正式成立。

在这之中，作为设备商的代表，华为、中兴、中信科移动等设备商纷纷投入在RIS的研发之中。

其中，华为6G研究团队全面投入可重构智能超表面关键技术及原型系统研究工作，在Ku/10GHz中频段、毫米波等6G潜在机会频段，对基础电磁响应、场景化波束赋形、多频段干扰及消除等技术，完成原型系统测试与验证。

中兴通讯也与中国联通在上海完成业内首个5G高频基站与智能超表面反射面板联合部署的技术验证测试。

而聚焦本次的中信科移动，该次实验实现了智能超表面替代传统的相控阵天线、实现高速数据传输，通过毫米波基站，基于智能超表面的大规模天线阵列构建灵活多流波束赋形发射机，实现多流波束赋形高效传输，在业界首次实现了RIS作为基站发射机天线阵列场景，毫米波手持终端接入的技术实验。经室内环境的实地测试，这一系统可以稳定地实现多流数据传输，手持终端单用户下行数据速率可达5Gbps以上，频谱效率达到8.4bps/Hz，体现了良好的性能。

而这一验证结果也初步展现了未来移动通信系统中智能超表面技术在支持多天线维度扩展及传输能力提升方面的巨大潜能，为大规模天线系统的低成本、低功耗与轻量化发展指引了新的方向，为天线规模的进一步扩大、性能的进一步增强以及向着更多应用领域的拓展奠定了基础。

“破局”应用网络壁垒

无疑，5G作为新一代信息通信技术的发展方向，承载着数字经济发展的关键支撑，当前，我国正积极开展5G融合应用探索，而应用的背后，稳定的网络覆盖需求持续凸显。

当前，大规模天线技术作为提升频谱效率的重要手段，已经在5G网络中得到广泛应用，然而，随着天线数目的不断增大，单基站成本、功耗、体积重量等约束条件对于超大规模天线应用带来明显制约，使得更大规模天线应用受到很多的限制。

记者了解到，相比于传统的有源天线阵列，RIS具备低成本、低能耗，并且可编程、易部署、以更大天线规模取得高赋形增益等特点，可以被用来增强覆盖、提高吞吐量、提升能效等，同时，将RIS用在发射机，可以更低的成本与能耗实现超大规模天线阵列，可实现更灵活波束赋形，更大的波束扫描角度，简化发射机结构，特别适宜用在中继补盲，拓展覆盖范围。

具体来看，在车联网场景，依托RIS轻量级、小型化、低成本、高效能的特性，可以解决车与车之间或车与基站之间的信号阻塞问题，保障车辆间的动态通信，提升车辆的覆盖范围，为车联网的发展提供了新的解决思路与可行方法，也极大促进了RIS在无人机、通信中的应用与发展;无人机、卫星场景，RIS可以极大减轻的天线阵列自重，减小阵列体积，更易于拓展阵列规模以获得更高的阵列增益，也可以实现空间调制;绿色节能上，将RIS用于能量收集与传输，一方面可以解决RIS自身的能量供给问题，另一方面可以通过RIS反射射频能量来为目标用户提供能量供给，这为绿色通信提供了新的解决思路与可行方法。

目前，业界大部分的研究主要集中在中继型智能超表面技术的探索和应用研究，大部分场景主要应用于无线通信系统的中继补盲，实现覆盖的扩展，包括非视距场景增强、解决局部空洞、支持边缘用户等，还有部分在研究基于RIS的高精度定位与感知。

但是，中继型智能超表面技术仍然存在级联信道信息获取困难，需要大面积的RIS阵列来保证接收信号能量、无源RIS无法实现高效波束跟踪、异构网络下的互干扰等技术亟待突破。

值得一提的是，目前中国在RIS的材料工艺、理论研究、实现算法及工程试验等方面做出了重大贡献，而作为未来通信关键技术领域中一个极具潜力的方向5g 理论，RIS有机会在5G-Advanced网络中提前落地，并可能在未来6G网络中使能智能无线环境，进而带来全新的网络范式。

剑指全新网络范式

（编辑：好传媒网）

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