引言

隨著移動通信技術的飛速發展，無線頻譜資源的稀缺性日益凸顯。為了滿足日益增長的數據傳輸需求，通信系統的工作頻段不斷向更高頻段邁進。但高頻電波具有波動性弱、繞射能力差的特點，在遇到障礙物時容易受到遮擋，導致信號質量下降。

為了實現連續覆蓋并保證信號質量，需要在城市密集區域建設更多基站。然而，基站數量的增加會使得網絡規劃和優化變得更為復雜，建設和維護成本也會顯著增加。因此，傳統通信網絡覆蓋能力弱、能耗高、成本高的問題也日漸凸顯，急需探索新技術為無線通信發展提供新的可能。

此時，智能超表面RIS（Reconfigurable Intelligent Surface）應運而生，它融合了人工電磁超材料和現代移動通信技術，是一種全新的無線通信增強技術。作為5G-A和6G研究的關鍵技術，將有望突破傳統通信的不可控性，重塑無線傳輸環境，解決覆蓋和能耗等痛點。

RIS工作原理

智能超表面，全稱為可重構智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface），可通過改變電磁波的傳播路徑，實現對無線信號的智能控制。

聽起來是不是有點像魔法？其實，它的原理是基于物理學中的電磁波傳播特性。

智能超表面由可重構人工電磁超材料構成，包含大量獨立的無源亞波長諧振單元，這些單元可以獨立地控制電磁波的相位、幅度、極化等電磁特性。通過改變陣子的單元結構、空間分布等控制無線電波的反射、散射和折射，抵消多徑衰落的破壞性，無需復雜的編譯碼和射頻處理即可實現對入射電磁波的定向反射和增強，從而提高通信質量和效率。

傳統通信技術往往依賴于固定的基站和天線布局，被動地適應信道環境，而RIS則能根據實時信道環境靈活調整信號覆蓋范圍和質量，就像一面可以控制光線反射角度的鏡子一樣。這樣一來，無論我們身處何方，都能享受到穩定而強大的網絡信號啦~

RIS硬件結構

典型的RIS硬件結構，包含3層底板和一個智能控制器。

最外層是超表面板，是系統中對電磁波進行調控的主體。其上規則地排列了大量的電磁單元，這些電磁單元通常由金屬、介質和調控開關構成，其中調控開關一般為PIN二極管、變容二極管、液晶和石墨烯等非線性器件。通過控制調控開關的偏置電壓，可以改變電磁單元的電磁特性（幅度、相位等），進而實現對電磁波的智能調控。例如通過控制每個單元的相位，可以讓反射波在特定方向上進行疊加。

中間層是金屬背板（接地背板），主要作用是防止電磁波信號泄露。

最內層是控制電路板，可根據控制器選擇的碼本對每個電磁單元施加控制信號，從而實現對超表面板的實時控制。

控制器則用于與基站交互，實現碼本選擇。碼本用于確定控制電路板的數字信號分布，最終實現對超表面板的整體控制。

RIS發展階段

RIS相較于普通的墻面漫反射和常規材料表面的鏡面反射，能實現精準的波束賦形，可根據用戶所在位置實時、智能地調整信號反射角度。

RIS智能調控波束賦形的發展和應用可分為三個階段。

第一階段：無源靜態RIS，波束固定不變。通過反射表面，快速實現弱覆蓋區域的補盲與網絡覆蓋能力的提升。

第二階段：半靜態RIS，波束半靜態變化。實現波束控制，每間隔一段時間進行相位調節，擴展超表面波束覆蓋范圍、提升小區容量和速率。

第三階段：動態智能RIS。通過編碼算法匹配信道環境，進而實現智能控制?？蓜討B跟蹤用戶、針對信道的實時變化做出最優的波束響應。

RIS應用場景

RIS適用于室外覆蓋盲區和室外覆蓋室內等場景的信號提升，為5G網絡深度覆蓋以及未來網絡演進提供了一種低成本、低功耗、科學可行的創新路徑。

O2O（Outdoor to Outdoor）場景：在基站和用戶之間部署RIS，能夠在視距通信不可達或信號質量較差的盲區或小區邊緣，按需動態建立非視距鏈路，解決因為建筑物遮擋等導致的覆蓋弱區或盲區。對于熱點區域，也可以通過更大的角度擴展增強空分復用的健壯性，增加流速，提升容量。

O2I（Outdoor to Indoor）場景：通過在建筑物墻體表面部署RIS，可將室外信號透射入室內，達到室內信號增強，補足深度覆蓋，提升室內覆蓋性能。

I2I（Indoor to Indoor）場景：在室分的場景下，可通過部署RIS增加額外鏈路，進行信號的收集與反射，提升用戶體驗，并增強通信系統的穩定性。

根據不同的應用場景和部署環境，中興通訊發布了系列化RIS產品，按照大類可以分為反射型RIS和透射型RIS。

反射型RIS用于實現基站信號的按需反射，可以部署在多種位置，如燈桿、廣告位、墻壁等。當基站和用戶之間有障礙物（如高樓）時，部署反射型RIS可以使基站信號繞開障礙物，反射到用戶所在位置，從而改善信號覆蓋質量。

反射型動態RIS：RIS面板和控制器一體化設計

透射型RIS用于增強信號以提升其穿透能力，主要貼附在玻璃表面，如建筑物窗戶或車廂窗戶等，實現室外覆蓋室內或高鐵車廂覆蓋增強。為了不影響室內采光，透射型RIS通常設計為透明形態，因此也被稱為透明RIS。

透射型動態RIS：高透明設計

RIS優勢

RIS與傳統基站相比，有以下幾點優勢：

低成本。RIS無需復雜的射頻鏈路，硬件成本更低。

低能耗。RIS以無源單元為主，不需要大規模供電。隨著技術的演進，太陽能供電、電池供電都是可能的方案。

易部署。RIS設備更輕薄，部署方式更靈活。無需鐵塔和站點機房，更易于部署和維護。

結語

總的來說，智能超表面是一種具有巨大潛力的新型無線通信技術。隨著RIS技術的發展和應用的推廣，智能超表面設備形態將更加豐富多樣，低成本、低功耗、易部署的智能超表面設備將為基站通信提供有效的補充和延伸。