智能超表面的设计及应用
柯俊臣/KE Junchen，梁竟程/LIANG Jingcheng，程强/CHENG Qiang
（东南大学，中国南京 210096）
5G技术目前正处于快速商用的时期，同时6G技术也在紧锣密鼓地研发之中。万物互联带来的人与人、人与物、物与物之间的海量数据传输，对现有网络的可靠性、实时性、传输速率、网络容量、流量密度等方面提出了全新挑战。在众多新兴技术中，具有智能感知、操控能力的智能超表面（RIS）技术逐渐引起了全球通信领域学者的密切关注[1]，成为6G无线通信的关键使能技术之一。
超表面是一种由亚波长尺度单元（典型值为1/10～1/3个波长）按特定空间排布形成的人工电磁结构，具有轻质量、低剖面、易集成、易共形等特点[2]。传统的超表面在设计制造完成后，其电磁波响应及电磁功能就被固化了，无法再根据实际需求进行改变。但为应对复杂电磁系统的需求，超表面的电磁特性往往需要灵活调节，因此可编程超表面的概念应运而生。2014 年崔铁军教授首次提出了数字编码与可编程超表面的概念[2]，将超表面单元的反射和透射响应的不同状态用二进制数值0/1来表示，并将预先设计的二进制编码序列输入至超表面控制器，实现对整个超表面阵列电磁特性的编程，进而实现特定的电磁功能。数字编码与可编程超表面的提出为超表面设计提供了全新的思路，简化了超表面设计与优化流程，并可与数字信号处理器件相结合形成更为先进的RIS。
通过加载特定的调控器件，如PIN 管（P-I-N 型二极管）、变容管和微机电系统（MEMS）开关等，RIS 可以对电磁波的幅度、相位、频率、极化等特性进行实时可编程调控[3-5]，进而控制电磁波在自由空间中的传播行为，突破传统无线信道无法主动调控的局限，构建智能可编程无线环境的新范式[6]。同时，基于RIS 的无线通信收发机硬件架构具有架构简单、功耗低、成本低等特点[7]，仅使用RIS 和基带模块即可完成信息调制与传输，省去了信号混频、上变频、放大等过程，为下一代无线通信提供了新的解决方案。
1.1 空间波束赋形
图1（a）展示了一种由二进制数字'0“或'1“单元构成1 bit 反射式RIS。其中，RIS 在不同工作状态下的幅相响应如图1（b）所示：单元在两种状态下的反射相位差为180°。我们规定0°相位为编码'0“，180°相位为编码'1“。通过在RIS上输入不同的编码序列，实现对散射波束不同的调控效果，如图1（c）和（d）所示。
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