序

電磁超材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展、研究已有幾十年的歷史，雖然研究人員發(fā)現(xiàn)了很多新的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生了很多新技術(shù)，但大多數(shù)以科學(xué)研究為主。近年來，隨著數(shù)字編碼和可編程超材料、信息超材料的出現(xiàn)，超材料研究走向數(shù)字化和信息化，成為智能超表面（RIS），日漸顯現(xiàn)其性能和在移動(dòng)通信領(lǐng)域中應(yīng)用的巨大潛力。通過對RIS單元的相位、幅度和極化方向等物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)字調(diào)控，RIS可以主動(dòng)改善無線信道的傳播環(huán)境，提高系統(tǒng)容量和覆蓋面。RIS與多天線技術(shù)密不可分，作為一種動(dòng)態(tài)可編程反射面，RIS能夠大幅降低器件功耗和成本，有利于大規(guī)模靈活部署。移動(dòng)通信從3G到4G，再到5G，其系統(tǒng)頻譜效率的提升主要?dú)w功于多天線技術(shù)的突破，但是進(jìn)一步增加有源天線數(shù)從功耗和成本的角度都是不可持續(xù)的，因此，近幾年RIS技術(shù)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有望能繼續(xù)擔(dān)負(fù)多天線技術(shù)和系統(tǒng)的使命，以滿足下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等關(guān)鍵性能指標(biāo)的要求，并且在無線網(wǎng)絡(luò)能耗降低方面發(fā)揮重要作用。
本書的作者團(tuán)隊(duì)來自中國移動(dòng)，在RIS的方案研究、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和工程實(shí)踐上已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，科研成果卓著，并且與高校和企業(yè)開展了廣泛的合作，努力打造RIS技術(shù)產(chǎn)業(yè)，促使中國主導(dǎo)的RIS技術(shù)能夠在未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。本書首先從超表面材料、多天線技術(shù)基礎(chǔ)、RIS中繼技術(shù)、仿真性能分析、初步外場測試、未來研究和標(biāo)準(zhǔn)化等方面，對RIS技術(shù)進(jìn)行了較為全面和系統(tǒng)的描述，隨后分別從性能仿真和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測試方面驗(yàn)證了RIS的應(yīng)用潛力，最后提出了未來的研究方向和標(biāo)準(zhǔn)化策略。本書的整體篇章架構(gòu)邏輯清晰，以信息超材料與多天線技術(shù)為基礎(chǔ)，融合而成RIS技術(shù)，既有深入的理論分析，又結(jié)合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的特征和限制條件，對學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的相關(guān)研究都有很好的借鑒和啟發(fā)作用。

中國科學(xué)院院士 崔鐵軍
2023 年10 月

前 言
超材料技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，最初主要用于雷達(dá)隱身。近幾年超材料的發(fā)展有重大突破，尤其在民用領(lǐng)域，通過數(shù)字編程的可調(diào)器件，改變超表面天線單元的電磁特性，實(shí)現(xiàn)對空間電磁波傳輸特性的改變，具有重塑電磁波傳播環(huán)境的能力。與傳統(tǒng)中繼或直放站相比，智能超表面（RIS）不需要功率放大器、射頻、饋線和基帶處理電路等器件，具有低功耗、低成本、低噪聲、易部署等優(yōu)點(diǎn)，因此，智能超表面技術(shù)得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，有望成為未來6G空口的原創(chuàng)性基礎(chǔ)技術(shù)，以滿足6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)頻譜效率、功耗、覆蓋等的關(guān)鍵性能指標(biāo)要求。
智能超表面的概念于2014年由東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)首次提出，并在業(yè)界率先完成智能反射面的硬件實(shí)現(xiàn)。我國高校和科研機(jī)構(gòu)在智能反射面領(lǐng)域的研究均具有一定的先發(fā)優(yōu)勢，并已取得了不少突破性成果。國內(nèi)的許多企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)等也都積極進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)布局。國家知識產(chǎn)權(quán)局提供的專利統(tǒng)計(jì)信息顯示，在智能超表面領(lǐng)域中，我國專利申請量遙遙領(lǐng)先。國內(nèi)外有較高影響力的IMT-2030、Future論壇、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）、IEEE 通信協(xié)會（ComSoc）、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）等紛紛成立智能超表面相關(guān)的研究 組，智能超表面技術(shù)聯(lián)盟（RISTA）也于2022年成立，目前其成員單位已超過110家。
智能超表面是一項(xiàng)新型顛覆性技術(shù)，從總體上講，對它的研究還很不完善，其標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)際工程應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本書是作者根據(jù)近兩年的研究探索和在3GPP的一些標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)驗(yàn)，對智能超表面技術(shù)進(jìn)行初步探討。本書共7章，第1章為背景介紹，簡要回顧了前幾代移動(dòng)通信的演進(jìn)，并對6G相關(guān)場景和關(guān)鍵性能指標(biāo)、信息超材料的發(fā)展和LTE中繼的基本特性做了闡述。第2章為信息超材料的特性，從超材料的基本結(jié)構(gòu)、常用器件/材料類型、設(shè)計(jì)原理、超材料器件仿真和實(shí)際性能驗(yàn)證、超材料器件的控制等方面對智能超表面硬件進(jìn)行了描述。第3章為多天線通信技術(shù)基礎(chǔ)，分別從單用戶開環(huán)和閉環(huán)空間復(fù)用、多用戶空間復(fù)用、空間信道模型與有源天線模型等方面介紹了智能超表面相關(guān)的天線基礎(chǔ)知識。第4章為智能超表面中繼技術(shù)，包括對智能超表面中繼系統(tǒng)模型與理論性能分析、波束賦形技術(shù)，以及小尺度信道估計(jì)與反饋等。第5章為智能超表面中繼的性能仿真評估，包含鏈路級仿真參數(shù)和初步仿真結(jié)果，系統(tǒng)仿真的信道模型、天線模型、系統(tǒng)配置、仿真參數(shù)，以及初步的系統(tǒng)仿真結(jié)果。第6章為初步外場測試驗(yàn)證，較為詳細(xì)地描述了南京和深圳測試中的各種場景、參數(shù)設(shè)置和測試結(jié)果。第7章為分階段技術(shù)的推進(jìn)，重點(diǎn)介紹了智能超表面的三步走發(fā)展策略，3GPP Rel-18網(wǎng)絡(luò)控制的直放站（NCR），以及未來的研究和標(biāo)準(zhǔn)化方向、重要時(shí)間點(diǎn)等。不同于一般的技術(shù)白皮書和綜述性研究報(bào)告，本書在內(nèi)容深度方面有一定的展開和聚焦，面向的讀者包括無線通信工程技術(shù)人員，以及科研院校的師生。
本書中有些黑白印刷的測試圖可能較難分辨各元素，因此，我們提供了部分彩色圖的電子文件，可通過華信教育資源網(wǎng)（https: //www.hxedu.com.cn）下載。
本書由袁弋非、蘇鑫、顧琪、李亞和張雁茗編著。在寫作過程中，作者得到了中國移動(dòng)研究院張同須、黃宇紅、丁海煜、易芝玲、崔春風(fēng)、王啟星、金婧、王菡凝、孫藝瑋等專家的大力支持和協(xié)助，以及北京郵電大學(xué)王亞峰老師團(tuán)隊(duì)、東南大學(xué)金石和程強(qiáng)老師團(tuán)隊(duì)、中國移動(dòng)廣東深圳分公司許樂飛等在系統(tǒng)級仿真、智能超表面算法/硬件設(shè)計(jì)、智能超表面外場測試方面的鼎力協(xié)作，在此表示衷心感謝。同時(shí)，感謝電子工業(yè)出版社編輯的專業(yè)精神和高效工作，使本書能盡早與讀者見面。
本書基于作者的有限視角對智能超表面技術(shù)進(jìn)行了初步梳理，寫作時(shí)間較短，在技術(shù)點(diǎn)的闡述上可能存在不完善之處，觀點(diǎn)也難免有欠周全。對書中敘述不當(dāng)?shù)牡胤�，敬請讀者諒解，并提出寶貴意見。

編著者
2023年10月