什么是支持 6G 网络的可重构智能表面 （RIS）

可重构智能表面 （RIS） 是 6G 的一项关键技术，但这对系统设计意味着什么？多年来，重点一直是改进收发器。但是，如果我们不仅可以控制无线信道，还可以控制它呢？

这就是 RIS 背后的核心思想，RIS 是一项旨在重新定义无线电传播环境的技术。本常见问题解答提供了技术概述，详细介绍了 RIS 原理、作及其在塑造网络中的潜在作用。

什么是 RIS？

RIS 是一种二维人工超表面，由大量无源、低成本的反射元件组成。其主要功能是通过调整每个元件的相移来控制入射电磁波，例如无线电信号。

在传统的无线系统中，传播信道是一个不可控的因素，它会通过衰落、吸收和阻塞来降低信号质量。RIS 技术允许将信道视为网络的可配置部分。通过控制信号反射，RIS 可以创建一个智能无线电环境，将信号能量引导至用户或将其归零到干扰源的方向。

RIS 的底层架构

典型的 RIS 面板是一种多层结构，旨在实现高效的信号处理和控制。它由三层组成：

1. 外层包含印在介电基板上的金属贴片网格，称为反射元件或“超原子”。这些元件直接与入射无线电波相互作用。

2. 中间层是一块铜板，通常放置在反射元件后面，以防止信号能量从表面泄漏。

3. 内层是控制电路板，用于管理嵌入每个反射元件中的电子元件。

每个超原子都包含一个可调元件，例如 PIN 二极管。通过偏置线改变施加到这些二极管的电压，可以改变它们的状态（例如，“开”或“关”），这反过来又改变了反射波的相位。外部 RIS 控制器（通常是 FPGA）接收命令并将其转换为配置整个表面所需的特定电压调整。整体架构如图 1 所示。

不同类型的 RIS 硬件

RIS硬件根据其信号处理能力和功率要求可分为三种主要架构。

• 无源RIS：完全由无源元件组成，这是最常见的类型。它反射信号而不放大。虽然这种设计具有非常低的功耗，但其主要缺点是双路径衰减，即信号在发射器到RIS和RIS到接收器链路上都遭受路径损耗。

• 有源RIS：为了克服信号衰减，有源RIS将功率放大器集成到其元件中。这使其能够放大反射信号，从而改善链路预算。然而，这是以功耗增加、硬件复杂性和放大器热噪声的引入为代价的。

• 混合 RIS：该架构通过使用大多数无源元件和少数有源元件来提供平衡。有源元件可用于通道传感或提供放大等任务，提供超越纯无源设计的功能，而无需全主动 RIS 的功耗。

图 2 说明了这三种硬件架构。

RIS 技术与中继或大规模 MIMO 等现有解决方案的比较

RIS 与中继和大规模 MIMO 等有源技术不同，因为它纵现有信号，而不是生成或再生自己的信号。表1提供了RIS与其他常见无线技术的比较分析。

与需要功率密集型射频链的中继或大规模 MIMO 基站不同，RIS 作为近乎无源的设备运行。它自然是全双工的，因为它反射的信号不会出现有源全双工系统中存在的自干扰问题。这降低了硬件成本和功耗，使其成为网络密集化的可扩展解决方案。

6G 中 RIS 的主要应用

RIS 通过促进可编程 SRE 被认为是 6G 的关键支持技术。它有可能解决高频通信（毫米波和太赫兹）的局限性，例如高路径损耗和易受阻塞的影响，使其成为未来网络的候选者。图 3 直观地展示了如何将 RIS 集成到各种 6G 用例中，包括：

• 覆盖增强：创建虚拟视线链路，为被建筑物或其他障碍物阻挡的盲区用户提供服务。

• 物理层安全性：通过将信号集中在目标用户，同时在潜在窃听者的方向上创建空值来增强安全性。

• 高性能网络：支持移动边缘计算等延迟敏感型应用、无人机的强大连接以及车载网络的可靠链路。

• 干扰管理：减轻非正交多址等高级多址方案中的同信道干扰。

总结

RIS 代表了我们处理无线系统设计方式的根本转变。我们不仅要适应不可预测的无线电环境，还要积极控制它。凭借其低功耗和硬件成本，RIS 为增强 6G 网络的覆盖范围、安全性和效率提供了可扩展的途径。

当然，在信道估算、硬件设计和网络集成方面仍存在重大工程障碍需要清除。但随着研究的继续和标准化工作的成熟，RIS 技术可以达到新的性能水平。这可能只是实现智能、可编程无线世界的长期愿景的关键。这是一条令人兴奋的未来道路，值得关注。