專題：面向5G-Advanced與6G的智能超表面

特邀策劃人

趙亞軍

技術(shù)預(yù)研總工，于2010年11月加入中興通訊，就職于無線研究院算法部(北京)。在進入中興通訊之前，就職于華為(北研所)無線預(yù)研部。具有十多年無線通信技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗，先后從事3G/4G/5G移動通信技術(shù)相關(guān)的研究與開發(fā)，目前主要從事未來移動通信(5G-Advanced/6G)技術(shù)研究。主要研究技術(shù)方向：智能超表面(RIS)、Unlicensed Spectrum、Flexible Duplex、CoMP等。申請4G LTE和5G NR移動通信技術(shù)相關(guān)國內(nèi)、國際發(fā)明專利200多項，其中有20多項發(fā)明專利被寫入4G/5G國際標準，成為標準核心基本專利。

內(nèi)容導(dǎo)讀

預(yù)期未來十年通信網(wǎng)絡(luò)容量千倍增長，無處不在的無線連接成為現(xiàn)實，但高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成為未來無線通信面臨的關(guān)鍵問題。研究創(chuàng)新、高效、節(jié)約頻譜和資源的解決方案以滿足5G-Advanced和6G的需求勢在必行。

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)能夠突破傳統(tǒng)無線信道不可控特性，實現(xiàn)主動地控制無線傳播環(huán)境，在三維空間中實現(xiàn)信號傳播方向調(diào)控及增強或消除，抑制干擾并增強信號，構(gòu)建智能可編程無線環(huán)境新范式。作為一種極具潛力的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)，RIS具有低成本、低功耗、易部署等特點，將能夠支持綠色通信，使能智能無線環(huán)境。其通過構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境，將有機會增強5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)，并為6G帶來一種全新的無線網(wǎng)絡(luò)范式。不過，盡管近幾年RIS研究進展迅速，但依然存在諸多技術(shù)難點亟待突破。

鑒于上述情況，為了將RIS的最新研究成果介紹給讀者，進一步推進5G-Advanced/6G研究，探索面向未來無線網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)規(guī)律、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用，我們組織了本專題。

本期專題收錄了來自國內(nèi)高校、電信運營商、科研院所、設(shè)備制造商等單位的RIS領(lǐng)域優(yōu)秀研究團隊的12篇文章，分別從RIS的硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控機制、基帶信號處理算法、工程化應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)安全等方面進行了系統(tǒng)探討。

? 硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控機制

RIS硬件結(jié)構(gòu)與調(diào)控機制研究的突破是RIS研究得以推進的關(guān)鍵基礎(chǔ)，本專題收錄了5篇此研究分支的文章。

其中，有3篇文章探討太赫茲頻段的智能超表面。《可重構(gòu)太赫茲石墨烯極化轉(zhuǎn)換超表面》提出了一種基于石墨烯的太赫茲超表面單元，該單元能夠通過調(diào)節(jié)石墨烯的化學(xué)勢能，對超表面單元的反射特性進行調(diào)控。《太赫茲智能可重構(gòu)超表面》中提出了一種智能可重構(gòu)超表面單元結(jié)構(gòu)，其通過加載PIN二極管作為有源器件對太赫茲頻段電磁波動態(tài)調(diào)控，根據(jù)二極管的通和斷兩種狀態(tài)進行編碼排列，可以實現(xiàn)波束掃描、波束卷積和RCS縮減等功能。針對目前太赫茲頻段的動態(tài)超表面調(diào)控器件普遍存在的問題，《多功能動態(tài)波束調(diào)控的太赫茲編碼超表面》基于高電子遷移率晶體管電控調(diào)節(jié)編碼單元與太赫茲波互作用引起的非對稱諧振，在低開關(guān)比下實現(xiàn)了一種太赫茲1 bit編碼相移單元。

《基于有源微波器件的動態(tài)調(diào)控型智能超表面設(shè)計》采用HFSS電磁仿真軟件對智能超表面的動態(tài)可調(diào)性能進行仿真，并分析其動態(tài)調(diào)控機理及吸波特性，揭示了可變電阻調(diào)控對超表面吸波性能的作用規(guī)律，提出了基于有源微波器件PIN二極管加載的智能超表面的設(shè)計方案。

另外，《可重構(gòu)智能超表面設(shè)計及其無線通信系統(tǒng)應(yīng)用》闡述了RIS硬件系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計方法，對RIS發(fā)展的歷程及其通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進行介紹與分析，并給出了RIS未來發(fā)展方向。

? 基帶信號處理算法

RIS基帶信號算法研究的突破是RIS實現(xiàn)電磁波智能調(diào)控的關(guān)鍵，本專題收錄了3篇此研究分支的文章。

《基于雙IRS輔助的毫米波MIMO通信信道估計》探討了基于雙智能反射面輔助的毫米波單用戶MIMO無線通信新場景下的基于壓縮感知的信道估計方案。

為提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和能效，《基于AO-CCP的雙智能反射面輔助的魯棒性波束設(shè)計》在非完美的信道狀態(tài)信息(CSI)前提下提出了雙IRS輔助的點對點毫米波 (mmWave) 無線通信算法，建立了一個在用戶服務(wù)質(zhì)量(QoS)、IRS相移約束下的功耗最小化優(yōu)化模型。

基于智能反射面的調(diào)制技術(shù)被認為是一種新的調(diào)制架構(gòu)，但是調(diào)制星座點分布往往不均勻，《基于星座點聚類和變換模式匹配的定時同步算法》提出了基于星座點聚類和變換模式匹配的定時同步算法。

? 工程應(yīng)用研究

從學(xué)術(shù)研究走向工程應(yīng)用，同樣有諸多挑戰(zhàn)需要克服，本專題收錄了來自運營商和設(shè)備商研究團隊的3篇文章。

《無線網(wǎng)絡(luò)中智能超表面部署研究》介紹了其在智能超表面技術(shù)的波束設(shè)計、部署特征、部署性能等關(guān)鍵技術(shù)研究成果，并且進一步剖析了其未來應(yīng)用特性，從覆蓋效率等方面進行了定義，通過仿真定量地分析了面板部署的性能和方案。《智能超表面性能仿真與測試》全面地提供了RIS輔助通信系統(tǒng)在不同場景和系統(tǒng)參數(shù)配置條件下的性能數(shù)值仿真、系統(tǒng)級仿真和外場測試結(jié)果，為后續(xù)RIS部署策略提供有益思路。

針對基于RIS的無線收發(fā)機和基于RIS的反射面兩種形態(tài)，《可重構(gòu)智能表面技術(shù)：研究進展、原型機及挑戰(zhàn)》分別對二者的研究進展、國內(nèi)外原型機測試情況以及面臨的主要挑戰(zhàn)進行了全面闡述及分析。

? 網(wǎng)絡(luò)安全研究

安全內(nèi)生被認為是6G網(wǎng)絡(luò)的基本特征，RIS網(wǎng)絡(luò)安全同樣需要重點關(guān)注，本專題也收錄了1篇RIS網(wǎng)絡(luò)安全的文章。

為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的新特征，《面向多智能反射表面的物聯(lián)網(wǎng)安全傳輸算法》系統(tǒng)研究了基于物理層安全的物聯(lián)網(wǎng)安全傳輸技術(shù)，提出了一種高效的智能反射表面選擇算法。

綜上所述，本專題較為全面地探討了智能超表面研究面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，介紹了相關(guān)團隊的最新研究成果。期望本專題能夠?qū)V大讀者了解和研究智能超表面技術(shù)提供有益的啟示和借鑒，引發(fā)更多關(guān)注和討論，從而推動業(yè)界共識的形成和技術(shù)的成熟。最后，感謝編輯部各位老師在征稿通知發(fā)布、論文評審與意見匯總、論文定稿、編輯修改及出版所付出的努力和汗水；感謝專題評審專家及時、耐心、細致的評審工作；衷心感謝各位作者的辛勤工作和精心撰稿！