芯耀
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在不懈追求提升无线链路端到端性能的过程中，几乎所有的努力都集中在发射端（编码、前向纠错、功率放大器、天线）以及与之对应的接收端（天线、低噪声放大器、接收机、解码、纠错）。然而，信道本身，也就是射频介质，通常被视为一个 “原样” 或 “既定” 的要素，用户无法对其进行改进。
一些无线传输路径、频率和设置会比其他的更好，但一旦做出使用决策，用户就无法对它们做出任何改变。在先进的设计中，发射端和接收端能够动态改变自身的工作参数，以适应信道中缓慢和快速的变化（衰减、噪声、失真），但信道 “始终就是那样”。
但这种情况可能会改变。一种相对较新的技术，即可重构智能表面（RIS），能够改变信道本身，以提升性能、增加信噪比（SNR）并降低误码率（BER）。
什么是可重构智能表面（RIS）？
可重构智能表面（RIS）是一种用于射频能量的二维反射表面，由单个阵列单元组成。这些单元可以进行动态重构，以改变射频路径的参数。这些改变会导致时间和相位的偏移，以及反射角度的变化。（时间偏移和相位偏移是对同一基本现象的两种不同描述角度。）
阵列中的每个单元都是一个具有可控幅度和相位响应曲线的离散单元。有一个控制器来确定每个单元或每组单元的具体设置。因此，整个可重构智能表面的散射、吸收、反射和衍射特性可以随时间变化，并由软件进行控制。
可重构智能表面放置在什么位置？为什么要将它放置在信道中？
可重构智能表面阵列被放置在发射天线和接收天线之间的介质（信道）中，既不与发射天线也不与接收天线设置在同一位置，而是处于信道空间本身之中。你可以把它想象成链路两端之间的一面灵活的镜子。可重构智能表面让信号在路径上稍微绕一下路，并为路径增加了一个新的可控因素，可用于补充和补偿路径中不可控的传播情况。这个介入的 “镜子” 可以进行动态调谐，以改善信道特性，从而提升系统性能（图 1）。
图 1. 可控的可重构智能表面（RIS）被置于信号源与接收器之间的介质中。
可重构智能表面（RIS）和多输入多输出（MIMO）阵列是一样的吗？
不一样。多输入多输出（MIMO）技术能够在期望的方向上实现波束成形，同时通过空间零陷来抑制干扰。一旦 MIMO 天线阵列 “发射” 了射频信号，射频能量就完全受信道及其各种变化因素的影响。虽然 MIMO 阵列可以进行调谐以适应信道方面的问题，比如附近存在干扰源的情况，但它无法改变信道的特性。
为什么可重构智能表面（RIS）可能比多输入多输出（MIMO）技术更好呢？
设想一个配备了 MIMO 技术的 5G 蜂窝基站与一部智能手机建立连接的情景。MIMO波束可以进行指向调整，以保持与手机的视距直接连接。然而，当手机移动时，它无法应对信道特性的变化。从理论上讲，一个可重构智能表面（RIS）系统可以与MIMO链路协同工作，以补偿不利的信道变化。它还可以 “消除” 信号源与接收器之间因相对移动而必然产生的多普勒频移（图 2）。
图 2. 用户的移动会产生多普勒频移，并且通过让可重构智能表面（RIS）沿着匹配的轨迹移动进行合成，可对由 RIS 控制的信道进行配置，从而实现多普勒效应扩展为零。
为什么要对可重构智能表面（RIS）进行评估呢？
任何时候，只要你能采取措施来提升链路性能，就都值得考虑。信噪比（SNR）能提升几个分贝，甚至误码率（BER）能适度降低，这些情况都值得研究。与此同时，在给定频段中存在着如此多的其他射频源和信号，这意味着系统性能面临着各种压力，包括由静态和动态信道条件所引发的压力，这就表明链路的每个方面都必须加以审视，并且在可能的情况下进行改进。
为什么现在可重构智能表面（RIS）是可行的呢？
现在可重构智能表面（RIS）能够实现有几个原因。首先，随着工作频率上升到数GHz范围，波长达到厘米和毫米级别，阵列中反射单元所需的尺寸变得足够小，从而能够制造出一个尺寸易于管理且包含足够数量单元以发挥作用的阵列（比如 128×128 的阵列）。
其次，诸如可控微机电系统（MEMS）结构之类的新技术使得紧密排列、完全可配置的阵列单元得以实现。
最后，出现了诸如超材料之类的新材料技术，其基本的电磁特性可以通过电的方式进行改变。超表面，也就是超材料构成的二维表面，已经被应用于众多在微波、太赫兹，尤其是可见光区域的新设备和应用的设计当中。
用于可重构智能表面（RIS）应用的超材料构造有哪些具体细节呢？
这些超表面是利用非常小的（亚波长）超原子设计出来的人造结构，这些超原子通常在一个平面内周期性或非周期性地排列。电磁波在两种介质界面处的折射和反射由斯涅尔定律所支配。斯涅尔定律解释了为什么放在一杯水中的铅笔在空气和水的界面处看起来是弯曲的，以及为什么从水面上方看水下的鱼实际上并不在你所看到的位置。这条定律也解释了为什么对于从反射表面反射回来的光信号或射频信号来说，反射角等于入射角。
图 3. 一个平面会按照斯涅尔定律将入射的平面波反射到另一个方向，并且平行的入射光线在反射后仍然保持平行。相比之下，具有相同物理尺寸的可重构智能表面（RIS）可以被配置来合成不同物体的形状（此处为抛物面反射器），从而控制反射波形的方向和形状。
通过用现代物理学的语言重新表述，斯涅尔定律已经得到了“升级”（但仍然有效）。如果在两种均匀且各向同性介质的超表面存在相位梯度，就会发生反射或折射现象。
制造超表面有哪两种常见的方法呢？
不出所料，有数字和模拟这两种方法，它们各有优缺点（图4）。数字式可重构智能表面（RIS）是通过微机电系统（MEMS）和PIN二极管来实现的。它们的优点是控制电路简单且响应速度快；然而，由数字相位控制设备引入的相位量化误差可能会过大。
图 4. 可重构智能表面（RIS）超表面的阵列单元的（a）数字结构和（b）模拟结构，展示出了它们之间的明显差异。
模拟式可重构智能表面（RIS）使用变容二极管（一种电压相关的二极管，其内部电容会随所施加的反向电压而变化，也被称为变容管）来减少由于相移导致的量化损耗，因为它们能够实现对相移的连续控制。这种方法的缺点是变容二极管本身存在损耗特性，并且相关的控制电路较为复杂。
需要注意的是，还有其他制造和控制超表面及其单个单元的方法，其中许多方法基于目前常用于光学应用的超材料和超表面。
可重构智能表面（RIS）及其性能适合进行建模和仿真吗？
当然适合，它与先进、高度复杂且数学性很强的系统和射频建模非常契合，包括使用超表面排列的复杂方程、信道假设、动态因素等进行分析。它用一个还包含一个插入且可控元件的信道，对已被广泛建模的固定或可变信道介质路径进行了补充。
采用可重构智能表面（RIS）会涉及哪些技术问题呢？
有几个方面。首先，必须制造出可重构智能表面（RIS），并且它要与应用的波长及其他具体要求相适配。其次，必须实时控制可重构智能表面（RIS）的属性，所以需要持续评估信道性能，然后将评估结果反馈给可重构智能表面（RIS）的控制器。这是一个复杂的测量、控制和优化问题。
在将可重构智能表面（RIS）添加到信道中时会遇到哪些挑战呢？
尽管可重构智能表面（RIS）的概念很有吸引力，但在实际系统中使用它仍然是一个难题。需要考虑的问题包括：
1、其带来的好处是否值得付出硬件的成本和复杂性代价？控制算法增加的复杂性以及所需的处理能力又该如何考量呢？此外，额外组件的基本运行功率也是一笔成本。
2、从发射天线到接收天线进行所需的信道性能评估很复杂，但又必须实时完成。
3、与基于多输入多输出（MIMO）技术来改善信道性能的方法相比，可重构智能表面（RIS）的优势如何体现呢？
4、用于GHz范围信号的组件和系统在实际中实现起来要比理论上困难得多。物理结构上微小的缺陷可能会产生极大的负面影响，而像边缘效应这类难以考虑到的因素可能会降低性能，但在模型和算法中却很难对其进行建模和处理。
实际的性能提升可能有限，而整个系统的成本可能很高。这是一个一直存在的设计和工程问题，其答案取决于应用的优先级和限制条件：所获得的收益（好处）是否值得付出相应的代价（成本）呢？
