“一個理智的人，應該改變自己去適應環境。只有那些不理智的人，才會想去改變環境適應自己，但歷史是後一種人創造的。”
—— 蕭伯納
在無線通訊領域，也有一種不理智的技術，硬是以“雖千萬人吾獨往矣”的勇氣，改變環境適應自己，硬是從一片荊棘中開闢出一條大道來。
下面，就讓我們對這種技術一探究竟。
為什麼要改變環境 ？
在無線通訊的發展史上，我們一直重點關注的是通訊的主體，也就是信源和信宿。迄今為止，所有技術的技術革新，都是在增強信源和信宿的能力上下功夫。
然而，對於信源和信宿之間的無線傳播環境，會使訊號經歷複雜的反射、折射、散射、繞射、穿透、干擾等一系列複雜的過程，我們一直對此束手無策，只能被動地去適應。
適應無線傳播環境手段，就是增強基站和終端的能力，或者最佳化組網架構。比如高低頻協同、增大發射功率、增加收發天線數、頻選排程、多點協作、微站補盲等措施，千方百計地去克服無線通道的不確定性。
這些措施，猶如經驗豐富裱糊匠一樣，一路支撐著行動通訊從2G發展到了5G，雖然外表光鮮，但早已力不從心。5G毫米波的引入，更是直接戳破了那華麗而脆弱的外衣，讓高頻的覆蓋難題陰雲籠罩。
一叢樹冠，幾個行人，乃至一場陰雨，都會讓毫米波的訊號徹底“翻車”，更別提建築的遮擋，以及巨大的穿透損耗了。枉有巨大的頻寬優勢，無線傳播的無力卻成了毫米波規模商用的桎梏。
改變自身適應環境這條看似理所當然的道路，已然走到了盡頭。唯有正面出擊，主動發力來重塑無線傳播通道，才是解決問題的不二法門。
改變環境來適應自己，是時候了！
近年來，有一種技術引起了業界的廣泛關注，它從外表上看就是一張平平無奇的矩形薄板，卻可以靈活部署在無線通訊傳播環境中，並實現對反射或者折射電磁波的頻率、相位、極化等特徵的操控，從而達到重塑無線通道的目的。
這種技術，將有望在5G-Advanced協議中開始標準化，也被認為是6G關鍵技術之一。
它的名字叫做“可重配智慧表面”，也叫“智慧反射表面”，英文為RIS（Reconfigurable Intelligence Surface）或者IRS（Intelligent Reflection Surface）。
下文，我們將以RIS來稱呼這項技術。
RIS是何方神聖 ？
RIS的技術基礎，則是一種被叫做“資訊超材料”的人工材料。下面我們將從“什麼是超材料”開始，講述RIS的基本原理。
超材料是指一類自然界中不存在的，具有特殊性質的人造材料。它們擁有一些特別的性質，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質，而這樣的效果是傳統材料無法實現的。
超材料的英文是Metamaterial，看到這裡的Meta，大家可能會覺得非常眼熟。沒錯，最近大火的元宇宙Metaverse的字首也是這個Meta。這個拉丁詞根，正是表示超出、另類之意。
怎麼個“超”法呢？
地球上已知的物質都是由微觀原子構成的，大量的原子按照一定的方式聚集起來，就形成了的宏觀物體，也決定了材料的物理性質。
與此類似，如果我們能設計出亞波長大小的“人工原子”，並按照精密的幾何結構排列，就能實現很多天然材料所不具備的性質。這種超越天然材料的人工材料，理所當然地就被稱作“超材料”。
最早提出超材料概念的是前蘇聯的維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago），他於1965年提出了對“左手媒質負折射”材料的物理猜想。
維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）
所謂負折射材料，是指其光學性質與常見的玻璃、空氣等透明物質的性質不同，其入射和折射光位於法線同側，和常規折射的方向相反，也就是折射角為負。
1996年，英國的約翰·彭德里（John Pendry）爵士從理論上論證了負折射材料的存在。
約翰·彭德里（John Pendry）
2001年，美國的戴維·R·史密斯（David R. Smith）透過實驗驗證了負折射現象，證實了超材料技術的可行性。
戴維·R·史密斯（David R. Smith）
2006年，約翰·彭德里和戴維·R·史密斯兩人強強聯合，提出了變換光學，併成功設計出了世界上第一款隱身衣。
隱身衣原理示意
隱身衣實際效果
2011年，義大利科學家費德里科·卡帕索（Federico Capasso）提出了超表面廣義定律。
費德里科·卡帕索（Federico Capasso）
2013年，在美國國防部公佈的“六大顛覆性基礎技術”中，超材料赫然位於榜首，這表明美國軍方對該技術前景的態度非常樂觀。
隨著相關理論和技術的成熟，在過去的十幾年中，超材料被廣泛用於操縱電磁波，實現了許多激動人心的物理現象，如負折射、電磁黑洞和幻覺光學等等。
早期的超材料功能單一，只能按照固化的模式工作，不能實時調控電磁波，因此我們將其稱之為模擬超材料。後來，超材料可透過數字編碼實現對裡面人工原子狀態的動態控制，從而實時操控電磁波，就叫做“資訊超材料”。
資訊超材料的基本結構如下圖所示，每一個人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏壓二極體的微電路組成，在不同的電壓下可以實現“ON”或者“OFF”等不同狀態，對電磁波的響應也是不同的。
實際實現時，人工原子也可以採用PIN管、三極體、MEMS、石墨烯、溫敏器件、光敏器件等其他材料。
“ON”和“OFF”這兩種狀態，正好可以對應到資訊世界的0和1，透過把這些單元配置為0或者1，超材料也就具備了動態編碼的能力。
如上圖所示，在不同的編碼下，資訊超材料可以透過反射形成不同形狀的電磁波束，從而實現動態操控電磁波的目的。
透過對資訊超材料的深度設計，可以實現對入射電磁波多個維度的操控，包括頻譜、相位、幅度、極化等等，這就為將其在行動通訊中的應用創造了條件。
RIS有何能耐 ？
那麼，RIS到底是怎樣重塑無線通道的呢？我們來看看下面這幾個典型的場景。
1. 覆蓋盲區消除。當基站和終端之間有不可逾越的障礙物時，它們之間就是非視距通道，如果訊號傳播環境單一，缺乏反射徑的話，終端所能接收到的訊號是非常微弱的。
有了RIS，可以操控反射波束，對準位於盲區的終端並動態跟蹤，這就相當於建立了虛擬的視距路徑，擴充套件了小區的覆蓋範圍。
2. 物理層輔助安全通訊。當網路探測到竊聽者或者非法使用者時，可以利用調控RIS的反射訊號的相位，讓其和直射訊號在接收時進行抵消，從而減少資訊洩露。
3. 多流傳輸增強。當訊號傳輸的環境較為簡單時，往往缺乏獨立的多徑，難以實現足夠的多流傳輸。透過RIS的反射，可以人為增加訊號傳播路徑，更好地實現多流傳輸，提升熱點使用者的吞吐量。
4. 邊緣覆蓋增強。當終端（下圖中的終端1）位於小區邊緣時，使用RIS動態操控服務小區和鄰區的反射訊號，使服務小區的訊號同相疊加增強，來自鄰區的訊號則反相疊加抵消，從而有效消除鄰區干擾。
5. 大規模D2D通訊。RIS可以透過對多路訊號的智慧反射，可以起到干擾抑制的作用，並同時進行低功率傳輸，有助於實現大規模的D2D通訊。
6. 物聯網中無線功率和資訊的傳輸。同步無線資訊和能量傳輸（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT）技術可以同時傳輸訊號和能量，即在與無線裝置進行資訊互動的同時，為無線裝置提供能量。RIS可以起到類似中繼的作用，透過無源波束來補償長距離傳輸帶來的巨大能耗，幫助充電區域提高無線傳輸功率。
7. 室內覆蓋。要解決室內覆蓋，可以透過室外基站訊號穿透建築外牆或者窗戶，也可以部署專業的室分系統（蘑菇頭天線或者有源室分）。這兩種方式都有RIS的用武之地。
對於室外穿透室內這種方式，可以在建築窗戶的玻璃表面部署透明的RIS板，操控訊號入射室內，並能實現一定的增益。
此外，在室內覆蓋場景，可透過RIS來操控室分系統的反射訊號，從而增加額外鏈路，提升系統容量及可靠性。
8. 新型收發信機。除了可重塑無線通道之外，透過RIS還可以實現訊號發射機或者接收機的功能。這是怎麼實現的呢？
既然RIS是可實時編碼的，那麼我們將基帶訊號以編碼的形式匯入到RIS控制器，再將目標頻段的射頻載波發射到RIS上，透過反射就可以將基帶訊號調製到載波之上了。
這種架構的發射機可省去複雜而低效的射頻鏈，節省高耗能的混頻器、功放等器件，從而顯著降低發射機的成本和功耗。
RIS離我們有多遠 ？
RIS這種創新技術，給我們帶來了諸多激動而心而充滿想象力的應用前景。那它目前實際測試的效果如何，技術是否成熟，研發處於什麼狀態，我們什麼時候可以用上RIS呢？
目前學術界和產業界正在積極探索RIS實際部署的效能，以期採用它來解決5G毫米波的覆蓋難題，並在未來也在太赫茲頻段中應用。
IEEE ComSoC在2020年8月份成立了獨立的RIS-ETI工作組，IEEE JSAC等權威期刊已將RIS列為6G潛在技術加以研究。
今年，3GPP對5G下一階段演進：5G-Advanced的標準化正式提上日程，RIS也正是R18協議重點的研究課題之一。
大量測試結果表明，RIS的部署可以將使用者吞吐量提升1~2倍，室外小區邊緣覆蓋提升3~4倍，室內覆蓋提升約10dB。可見，RIS可帶來的增益是非常明顯的。
作為通訊系統的一部分，RIS的成熟度與不同頻段器件的成熟度密切相關。目前在較低頻段（Sub-6G，毫米波低頻段）的器件成熟度較高，然而在毫米波高頻段和太赫茲的成熟度較低，RIS的成本和能耗優勢還難以充分體現。
此外，當前RIS的硬體架構設計、基帶處理演算法、以及網路架構設計還都處於探索階段，現階段主要以效能驗證為主，其商用部署還需要很長的路要走。
並且，要大規模應用RIS，選址和部署也存在一定的困難。RIS對訊號的反射雖然可以做到準無源，但其動態編碼離不開控制器，而控制器也是需要供電的，由此帶來的成本也不低，也限制了RIS的使用。
因此，建議業界在驗證RIS技術時，先從預先編碼好的無源靜態RIS板開始，再逐漸過渡到半靜態可控的RIS，然後再結合AI技術，驗證全動態編碼下的RIS。這也是循序漸進、摸著石頭過河的歷程。
前途是光明的，道路是曲折的。RIS，這項旨在重塑無線傳播環境的創新技術，未來必將成為行動通訊領域的重大突破。
讓我們在6G時代見證RIS的輝煌。
