淺談可重構(gòu)智能表面RIS是什么

在不懈追求提升無線鏈路端到端性能的過程中，幾乎所有的努力都集中在發(fā)射端（編碼、前向糾錯、功率放大器、天線）以及與之對應(yīng)的接收端（天線、低噪聲放大器、接收機、解碼、糾錯）。然而，信道本身，也就是射頻介質(zhì)，通常被視為一個 “原樣” 或 “既定” 的要素，用戶無法對其進行改進。

一些無線傳輸路徑、頻率和設(shè)置會比其他的更好，但一旦做出使用決策，用戶就無法對它們做出任何改變。在先進的設(shè)計中，發(fā)射端和接收端能夠動態(tài)改變自身的工作參數(shù)，以適應(yīng)信道中緩慢和快速的變化（衰減、噪聲、失真），但信道 “始終就是那樣”。

但這種情況可能會改變。一種相對較新的技術(shù)，即可重構(gòu)智能表面（RIS），能夠改變信道本身，以提升性能、增加信噪比（SNR）并降低誤碼率（BER）。

什么是可重構(gòu)智能表面（RIS）？

可重構(gòu)智能表面（RIS）是一種用于射頻能量的二維反射表面，由單個陣列單元組成。這些單元可以進行動態(tài)重構(gòu)，以改變射頻路徑的參數(shù)。這些改變會導致時間和相位的偏移，以及反射角度的變化。（時間偏移和相位偏移是對同一基本現(xiàn)象的兩種不同描述角度。）

陣列中的每個單元都是一個具有可控幅度和相位響應(yīng)曲線的離散單元。有一個控制器來確定每個單元或每組單元的具體設(shè)置。因此，整個可重構(gòu)智能表面的散射、吸收、反射和衍射特性可以隨時間變化，并由軟件進行控制。

可重構(gòu)智能表面放置在什么位置？為什么要將它放置在信道中？

可重構(gòu)智能表面陣列被放置在發(fā)射天線和接收天線之間的介質(zhì)（信道）中，既不與發(fā)射天線也不與接收天線設(shè)置在同一位置，而是處于信道空間本身之中。你可以把它想象成鏈路兩端之間的一面靈活的鏡子?？芍貥?gòu)智能表面讓信號在路徑上稍微繞一下路，并為路徑增加了一個新的可控因素，可用于補充和補償路徑中不可控的傳播情況。這個介入的 “鏡子” 可以進行動態(tài)調(diào)諧，以改善信道特性，從而提升系統(tǒng)性能（圖 1）。

圖 1. 可控的可重構(gòu)智能表面（RIS）被置于信號源與接收器之間的介質(zhì)中。

可重構(gòu)智能表面（RIS）和多輸入多輸出（MIMO）陣列是一樣的嗎？

不一樣。多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)能夠在期望的方向上實現(xiàn)波束成形，同時通過空間零陷來抑制干擾。一旦 MIMO 天線陣列 “發(fā)射” 了射頻信號，射頻能量就完全受信道及其各種變化因素的影響。雖然 MIMO 陣列可以進行調(diào)諧以適應(yīng)信道方面的問題，比如附近存在干擾源的情況，但它無法改變信道的特性。

為什么可重構(gòu)智能表面（RIS）可能比多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)更好呢？

設(shè)想一個配備了 MIMO 技術(shù)的 5G 蜂窩基站與一部智能手機建立連接的情景。MIMO波束可以進行指向調(diào)整，以保持與手機的視距直接連接。然而，當手機移動時，它無法應(yīng)對信道特性的變化。從理論上講，一個可重構(gòu)智能表面（RIS）系統(tǒng)可以與MIMO鏈路協(xié)同工作，以補償不利的信道變化。它還可以 “消除” 信號源與接收器之間因相對移動而必然產(chǎn)生的多普勒頻移（圖 2）。

圖 2. 用戶的移動會產(chǎn)生多普勒頻移，并且通過讓可重構(gòu)智能表面（RIS）沿著匹配的軌跡移動進行合成，可對由 RIS 控制的信道進行配置，從而實現(xiàn)多普勒效應(yīng)擴展為零。

為什么要對可重構(gòu)智能表面（RIS）進行評估呢？

任何時候，只要你能采取措施來提升鏈路性能，就都值得考慮。信噪比（SNR）能提升幾個分貝，甚至誤碼率（BER）能適度降低，這些情況都值得研究。與此同時，在給定頻段中存在著如此多的其他射頻源和信號，這意味著系統(tǒng)性能面臨著各種壓力，包括由靜態(tài)和動態(tài)信道條件所引發(fā)的壓力，這就表明鏈路的每個方面都必須加以審視，并且在可能的情況下進行改進。

為什么現(xiàn)在可重構(gòu)智能表面（RIS）是可行的呢？

現(xiàn)在可重構(gòu)智能表面（RIS）能夠?qū)崿F(xiàn)有幾個原因。首先，隨著工作頻率上升到數(shù)GHz范圍，波長達到厘米和毫米級別，陣列中反射單元所需的尺寸變得足夠小，從而能夠制造出一個尺寸易于管理且包含足夠數(shù)量單元以發(fā)揮作用的陣列（比如 128×128 的陣列）。

其次，諸如可控微機電系統(tǒng)（MEMS）結(jié)構(gòu)之類的新技術(shù)使得緊密排列、完全可配置的陣列單元得以實現(xiàn)。

最后，出現(xiàn)了諸如超材料之類的新材料技術(shù)，其基本的電磁特性可以通過電的方式進行改變。超表面，也就是超材料構(gòu)成的二維表面，已經(jīng)被應(yīng)用于眾多在微波、太赫茲，尤其是可見光區(qū)域的新設(shè)備和應(yīng)用的設(shè)計當中。

用于可重構(gòu)智能表面（RIS）應(yīng)用的超材料構(gòu)造有哪些具體細節(jié)呢？

這些超表面是利用非常小的（亞波長）超原子設(shè)計出來的人造結(jié)構(gòu)，這些超原子通常在一個平面內(nèi)周期性或非周期性地排列。電磁波在兩種介質(zhì)界面處的折射和反射由斯涅爾定律所支配。斯涅爾定律解釋了為什么放在一杯水中的鉛筆在空氣和水的界面處看起來是彎曲的，以及為什么從水面上方看水下的魚實際上并不在你所看到的位置。這條定律也解釋了為什么對于從反射表面反射回來的光信號或射頻信號來說，反射角等于入射角。

圖 3. 一個平面會按照斯涅爾定律將入射的平面波反射到另一個方向，并且平行的入射光線在反射后仍然保持平行。相比之下，具有相同物理尺寸的可重構(gòu)智能表面（RIS）可以被配置來合成不同物體的形狀（此處為拋物面反射器），從而控制反射波形的方向和形狀。

通過用現(xiàn)代物理學的語言重新表述，斯涅爾定律已經(jīng)得到了“升級”（但仍然有效）。如果在兩種均勻且各向同性介質(zhì)的超表面存在相位梯度，就會發(fā)生反射或折射現(xiàn)象。

制造超表面有哪兩種常見的方法呢？

不出所料，有數(shù)字和模擬這兩種方法，它們各有優(yōu)缺點（圖4）。數(shù)字式可重構(gòu)智能表面（RIS）是通過微機電系統(tǒng)（MEMS）和PIN二極管來實現(xiàn)的。它們的優(yōu)點是控制電路簡單且響應(yīng)速度快；然而，由數(shù)字相位控制設(shè)備引入的相位量化誤差可能會過大。

圖 4. 可重構(gòu)智能表面（RIS）超表面的陣列單元的（a）數(shù)字結(jié)構(gòu)和（b）模擬結(jié)構(gòu)，展示出了它們之間的明顯差異。

模擬式可重構(gòu)智能表面（RIS）使用變?nèi)荻O管（一種電壓相關(guān)的二極管，其內(nèi)部電容會隨所施加的反向電壓而變化，也被稱為變?nèi)莨埽﹣頊p少由于相移導致的量化損耗，因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)對相移的連續(xù)控制。這種方法的缺點是變?nèi)荻O管本身存在損耗特性，并且相關(guān)的控制電路較為復雜。

需要注意的是，還有其他制造和控制超表面及其單個單元的方法，其中許多方法基于目前常用于光學應(yīng)用的超材料和超表面。

可重構(gòu)智能表面（RIS）及其性能適合進行建模和仿真嗎？

當然適合，它與先進、高度復雜且數(shù)學性很強的系統(tǒng)和射頻建模非常契合，包括使用超表面排列的復雜方程、信道假設(shè)、動態(tài)因素等進行分析。它用一個還包含一個插入且可控元件的信道，對已被廣泛建模的固定或可變信道介質(zhì)路徑進行了補充。

采用可重構(gòu)智能表面（RIS）會涉及哪些技術(shù)問題呢？

有幾個方面。首先，必須制造出可重構(gòu)智能表面（RIS），并且它要與應(yīng)用的波長及其他具體要求相適配。其次，必須實時控制可重構(gòu)智能表面（RIS）的屬性，所以需要持續(xù)評估信道性能，然后將評估結(jié)果反饋給可重構(gòu)智能表面（RIS）的控制器。這是一個復雜的測量、控制和優(yōu)化問題。

在將可重構(gòu)智能表面（RIS）添加到信道中時會遇到哪些挑戰(zhàn)呢？

盡管可重構(gòu)智能表面（RIS）的概念很有吸引力，但在實際系統(tǒng)中使用它仍然是一個難題。需要考慮的問題包括：

1、其帶來的好處是否值得付出硬件的成本和復雜性代價？控制算法增加的復雜性以及所需的處理能力又該如何考量呢？此外，額外組件的基本運行功率也是一筆成本。

2、從發(fā)射天線到接收天線進行所需的信道性能評估很復雜，但又必須實時完成。

3、與基于多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)來改善信道性能的方法相比，可重構(gòu)智能表面（RIS）的優(yōu)勢如何體現(xiàn)呢？

4、用于GHz范圍信號的組件和系統(tǒng)在實際中實現(xiàn)起來要比理論上困難得多。物理結(jié)構(gòu)上微小的缺陷可能會產(chǎn)生極大的負面影響，而像邊緣效應(yīng)這類難以考慮到的因素可能會降低性能，但在模型和算法中卻很難對其進行建模和處理。

實際的性能提升可能有限，而整個系統(tǒng)的成本可能很高。這是一個一直存在的設(shè)計和工程問題，其答案取決于應(yīng)用的優(yōu)先級和限制條件：所獲得的收益（好處）是否值得付出相應(yīng)的代價（成本）呢？