可重构智能表面（RIS）的全面介绍

引言

可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）是无线通信领域的一种革命性技术，旨在通过主动操控无线电波的传播环境来优化通信性能。与传统的无线通信环境不同，RIS使传播路径从被动变为可控，从而改善信号覆盖、增强频谱效率并降低能耗。在未来无线网络如6G的背景下，RIS被认为是一个关键技术，尤其是在高频段（如毫米波和太赫兹波）中，其潜力尤为显著。

RIS的定义与重要性

RIS是一种由许多小型可控元素组成的平面表面，每个元素可以调整入射信号的相位和幅度，从而改变无线电波的反射特性。这种操控能力使RIS能够创建“智能无线环境”，通过优化反射模式在接收端产生构造性干涉，从而增强信号强度，或抑制来自其他来源的干扰。

RIS的重要性在于其解决现代无线通信中一些关键挑战的能力。例如，在5G和6G网络中，覆盖范围的扩展、频谱效率的提高以及能耗的降低是主要目标。RIS通过在信号传播路径中引入可控性，为这些目标提供了新的解决方案。

工作原理

RIS的运作依赖于其表面上的大量亚波长大小的元素，这些元素可以单独控制以修改入射电磁波的属性。最常见的方法是调整相位移，尽管一些设计也允许幅度控制。根据实现方式，RIS可以分为以下两类：

• 基于超材料的RIS：这些表面利用超材料——一种具有自然界中不常见的电磁特性的材料。通过设计单元格的特性，可以实现所需的反射和传输特性。这种方法特别适合高频应用，如毫米波通信。
• 基于反射阵的RIS：类似于传统的卫星通信中使用的反射阵，基于反射阵的RIS通过调整每个元素的大小或形状来控制反射波的相位。不同之处在于，其元素是可重构的，通常通过变容二极管或类似技术实现相位调整。

与传统的相控阵相比，RIS的元素通常是无源的，即不放大信号，仅通过控制相位进行反射。这使得RIS在能效和成本方面具有优势，尤其是在部署大型表面时。

频道模型

在RIS辅助的通信中，频道模型需要考虑RIS的反射特性。传统的无线通信频道模型基于直接路径和多径分量，环境通常被视为静态或随机变化。而RIS使频道部分可控，发射机到接收机通过RIS的频道可以建模为发射机到RIS的频道与RIS到接收机的频道的乘积，乘以RIS元素施加的相位移矩阵。

数学上，如果将发射机到RIS的频道记为