可重構(gòu)智能表面 （RIS） 是 6G 的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)意味著什么？多年來(lái)，重點(diǎn)一直是改進(jìn)收發(fā)器。但是，如果我們不僅可以控制無(wú)線信道，還可以控制它呢？

這就是 RIS 背后的核心思想，RIS 是一項(xiàng)旨在重新定義無(wú)線電傳播環(huán)境的技術(shù)。本常見(jiàn)問(wèn)題解答提供了技術(shù)概述，詳細(xì)介紹了 RIS 原理、作及其在塑造網(wǎng)絡(luò)中的潛在作用。

什么是 RIS？

RIS 是一種二維人工超表面，由大量無(wú)源、低成本的反射元件組成。其主要功能是通過(guò)調(diào)整每個(gè)元件的相移來(lái)控制入射電磁波，例如無(wú)線電信號(hào)。

在傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)中，傳播信道是一個(gè)不可控的因素，它會(huì)通過(guò)衰落、吸收和阻塞來(lái)降低信號(hào)質(zhì)量。RIS 技術(shù)允許將信道視為網(wǎng)絡(luò)的可配置部分。通過(guò)控制信號(hào)反射，RIS 可以創(chuàng)建一個(gè)智能無(wú)線電環(huán)境，將信號(hào)能量引導(dǎo)至用戶或?qū)⑵錃w零到干擾源的方向。

RIS 的底層架構(gòu)

典型的 RIS 面板是一種多層結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理和控制。它由三層組成：

1. 外層包含印在介電基板上的金屬貼片網(wǎng)格，稱為反射元件或“超原子”。這些元件直接與入射無(wú)線電波相互作用。

2. 中間層是一塊銅板，通常放置在反射元件后面，以防止信號(hào)能量從表面泄漏。

3. 內(nèi)層是控制電路板，用于管理嵌入每個(gè)反射元件中的電子元件。

每個(gè)超原子都包含一個(gè)可調(diào)元件，例如 PIN 二極管。通過(guò)偏置線改變施加到這些二極管的電壓，可以改變它們的狀態(tài)（例如，“開(kāi)”或“關(guān)”），這反過(guò)來(lái)又改變了反射波的相位。外部 RIS 控制器（通常是 FPGA）接收命令并將其轉(zhuǎn)換為配置整個(gè)表面所需的特定電壓調(diào)整。整體架構(gòu)如圖 1 所示。

不同類型的 RIS 硬件

RIS硬件根據(jù)其信號(hào)處理能力和功率要求可分為三種主要架構(gòu)。

• 無(wú)源RIS：完全由無(wú)源元件組成，這是最常見(jiàn)的類型。它反射信號(hào)而不放大。雖然這種設(shè)計(jì)具有非常低的功耗，但其主要缺點(diǎn)是雙路徑衰減，即信號(hào)在發(fā)射器到RIS和RIS到接收器鏈路上都遭受路徑損耗。

• 有源RIS：為了克服信號(hào)衰減，有源RIS將功率放大器集成到其元件中。這使其能夠放大反射信號(hào)，從而改善鏈路預(yù)算。然而，這是以功耗增加、硬件復(fù)雜性和放大器熱噪聲的引入為代價(jià)的。

• 混合 RIS：該架構(gòu)通過(guò)使用大多數(shù)無(wú)源元件和少數(shù)有源元件來(lái)提供平衡。有源元件可用于通道傳感或提供放大等任務(wù)，提供超越純無(wú)源設(shè)計(jì)的功能，而無(wú)需全主動(dòng) RIS 的功耗。

圖 2 說(shuō)明了這三種硬件架構(gòu)。

RIS 技術(shù)與中繼或大規(guī)模 MIMO 等現(xiàn)有解決方案的比較

RIS 與中繼和大規(guī)模 MIMO 等有源技術(shù)不同，因?yàn)樗v現(xiàn)有信號(hào)，而不是生成或再生自己的信號(hào)。表1提供了RIS與其他常見(jiàn)無(wú)線技術(shù)的比較分析。

與需要功率密集型射頻鏈的中繼或大規(guī)模 MIMO 基站不同，RIS 作為近乎無(wú)源的設(shè)備運(yùn)行。它自然是全雙工的，因?yàn)樗瓷涞男盘?hào)不會(huì)出現(xiàn)有源全雙工系統(tǒng)中存在的自干擾問(wèn)題。這降低了硬件成本和功耗，使其成為網(wǎng)絡(luò)密集化的可擴(kuò)展解決方案。

6G 中 RIS 的主要應(yīng)用

RIS 通過(guò)促進(jìn)可編程 SRE 被認(rèn)為是 6G 的關(guān)鍵支持技術(shù)。它有可能解決高頻通信（毫米波和太赫茲）的局限性，例如高路徑損耗和易受阻塞的影響，使其成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的候選者。圖 3 直觀地展示了如何將 RIS 集成到各種 6G 用例中，包括：

• 覆蓋增強(qiáng)：創(chuàng)建虛擬視線鏈路，為被建筑物或其他障礙物阻擋的盲區(qū)用戶提供服務(wù)。

• 物理層安全性：通過(guò)將信號(hào)集中在目標(biāo)用戶，同時(shí)在潛在竊聽(tīng)者的方向上創(chuàng)建空值來(lái)增強(qiáng)安全性。

• 高性能網(wǎng)絡(luò)：支持移動(dòng)邊緣計(jì)算等延遲敏感型應(yīng)用、無(wú)人機(jī)的強(qiáng)大連接以及車載網(wǎng)絡(luò)的可靠鏈路。

• 干擾管理：減輕非正交多址等高級(jí)多址方案中的同信道干擾。

總結(jié)

RIS 代表了我們處理無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的根本轉(zhuǎn)變。我們不僅要適應(yīng)不可預(yù)測(cè)的無(wú)線電環(huán)境，還要積極控制它。憑借其低功耗和硬件成本，RIS 為增強(qiáng) 6G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、安全性和效率提供了可擴(kuò)展的途徑。

當(dāng)然，在信道估算、硬件設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)集成方面仍存在重大工程障礙需要清除。但隨著研究的繼續(xù)和標(biāo)準(zhǔn)化工作的成熟，RIS 技術(shù)可以達(dá)到新的性能水平。這可能只是實(shí)現(xiàn)智能、可編程無(wú)線世界的長(zhǎng)期愿景的關(guān)鍵。這是一條令人興奮的未來(lái)道路，值得關(guān)注。