RIS发展简述_广义斯涅尔定律

近十年来，可以说RIS（可重构智能超表面）的热度与日俱增，但是很多人在粗浅的了解的RIS后，可能只是意识到，这是一个可以反射信号的“镜子”，并且“镜子”可以根据自己的期望对反射信号的方向进行调控，对于RIS发展的整个脉络不是很清晰。比如：为什么RIS可以反射信号？为什么反射信号可以自由调控？如何调控？除了反射信号还能干啥？等等等等。

本文中，笔者根据自己这段时间的学习，做一个小小的总结，对于RIS的发展进行一个简述。

其实超表面这个概念来源于超材料，同样具备负折射的特性，只不过由于三维的超材料在设计和调控方面比较困难，所以将三维的超材料压缩至二维，由此有了超表面的说法。在介绍超表面的发展历程时，我们不从比较久远的材料学发展入手，而是通过几个关键时间节点的科研成果，来串起整篇文章。

1、广义斯涅尔定律 2011

广义斯涅尔定律的提出，给了RIS发展一大助力，那么这个定律讲的是什么东西呢？简单点来说，广义斯涅尔定律指出：

“具有空间变化的相位相应和亚波长分离的光学谐振器的二维阵列可以在传播光穿过两种介质之间的界面时，将这种相位不连续刻画在传播光上”。

说人话：可以通过改变二维超材料的特性，来控制反射/折射光的传播特性啦！（电磁波束同理）

无论哪种超材料结构特性，最终都是实现改变电磁波传输的幅度、相位、极化、轨道角动量等具体的参数，而广义斯涅尔定律从结论出发——我先说明什么样的相位分布可以实现想要的效果，再从相位分布的结果入手，反过来调整超表面的单元结构，去实现特定的相位值。
这就很有意思了，可以通过使用超材料以不同寻常的方式弯曲电磁波，以实现负折射、亚波长聚焦和隐身等现象。类似于电磁隐身衣、新型吸波材料等都是基于这个东西。

至于原理，好了我们来上图：

由Fermat定理可知，光的实际传播路径应该是诸多可能传播路径中广程取极值的一个。因此，在实际传播路径附近做一个“微小变形”时，对应光程（相位）的变分为零。假设在上图中，蓝色线代表的是光的实际传播路径，红色线代表无线接近真实光路，则两者之间的相位差为：
如果沿着界面方向相位梯度为常数，则由以上公式可以推导出广义斯涅尔折射定律：

上式表明，在交界面沿着界面方向，通过引入合适的相位梯度，折射光束就具有“任意”的方向。
反射同理：

以上。
相对于操纵复杂的各向异性材料电磁参数来实现超常物理特性而言，使用人工超表面实现相位突变的方法原理简单，方便易行，得以广泛应用。

2、编码超表面 2014

在2014年以前关于超材料/超表面的研究可以被归类为“模拟超材料/超表面”，模拟超材料，遵循洛伦兹的有效介质模型，超材料使用连续的有效介质参数进行描述，这些参数的来源是模拟或实验测量的散射参数。总的来讲，无论是有效折射率或相位振幅如何，都是对电磁系数进行连续操作。

在2014年，崔铁军院士用两步提出了“数字超材料”。

1、提出“编码超材料”，说明它的两种性质，可以对电磁波进行调控。
2、其次提出调控的手段。

而将“模拟超材料”推广至“数字超材料”的优点在于，使用二进制编码形式来表征超表面，将基本构成单元的电磁参数离散化，极大程度的简化了设计和优化流程。
那么如何设计一个二进制的“编码超材料”呢？上图

可以看到，在所设计的单元中，可以通过改变偏置二极管的通断来控制反射单元的相位差。这也就是在第一部分中所讲的通过调整超表面的单元结构，去实现特定的相位值。
不同点在于，将“模拟”变为“连续”。在8.6GHz左右，可以通过二极管通断实现反射单元180°的相位差，也就实现了二进制的编码。而通过对于一个反射面表面反射单元的编码，可以实现入射电磁波的不同形式反射。

3、信息超表面

在“数字超材料”的提出后，编码粒子的性质不再依赖于有效介质理论或相移，编码和数字超材料的近场或远场辐射取决于编码序列或编码模式。通过编码超材料粒子、物理原理和信号处理算法将物理世界超材料、数字世界和信息超材料联系在一起。
在我看来，信息超表面最重要的思想，就是将物理编码和数字信号处理结合起来，将“编码超表面”的可能性从单纯的反射信号、波束赋形中解放出来并发散至无穷大。

如此便赋予超表面无限的可能，信息超表面在通信领域亦被称为可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface），也就是我们所说的RIS。信息超表面可以智能地调整无线信道，提升设备之间的通信性能，以低成本和低功耗的优势实现无线中继的功能。

关于RIS的特性和优势，在多种场合或论文中可见，在此不再赘述。

4、空时编码

此部分可以说是第三部分信息超表面的进一步拓展。将仅对空间进行调制的超表面拓展到空间-时间维度，从而可以同时在空间域和时间域对电磁波进行调控，用于对电磁波的空间谱和频率谱进行自由操控，集能量辐射和信息调制于一体，在多维度域内同时调控电磁波和数字信息。
二者结合的优势详见下图：

具体的时空编码数字超表面如何实现呢？
先看一个图：

右下角的编码粒子矩阵说明了一切。通常情况下，我们是在两维的空间域（X-Y）进行编码，以两比特为例，要么是“0”，要么是“1”，也就是图中的红色粒子和绿色粒子。而引入时间的概念后，在纵轴加了一个维度——时间维（T）。
在空间维具备特定的空间编码排布，在时间维具有周期性的时间编码序列，因此可以同时控制电磁波的空间传播方向和谐波频率分布。

又问：为什么呢？为什么引入一个时间维就可以同时控制谐波频率分布呢？

其实可以以一个粒子为例，垂直空间维方向，可以看到每一个粒子都拥有一组周期为T的时间编码序列，在FPGA的控制下进行周期性循环切换。
又傅里叶变换理论可知，时间上周期变换的函数将在频率域产生离散的谐波频率分布。入射波能量将会被搬移到各个谐波频率处，同时与空间编码分布相结合，可以独立设计不同谐波频率处的电磁波空间分布。通过设计不同时间编码序列，就可以在特定频率处控制每个单元的等效反射系数，进而独立地调控每个谐波的电磁功能。

得益于时空联合编码机制，RIS可以同时在时间域和频率域实时操控电磁波，一些重要的研究进展和代表性应用也涌现出来：

1、电磁波束和频谱的联合调控

2、可编程非互易效应及频率转换

3、电磁参数的全方位控制

4、无线通信发射机新架构

5、信息超表面无线通信新体制

5、未来

一些潜在的关键技术

一些挑战：

RIS 技术面临的主要挑战可分为三类： RIS 硬件设计实现挑战、基带处理算法挑战和无线网络架构设计挑战等。

从 RIS 硬件功能角度看，RIS 材料和器件成熟度较低、成本尚高。例如，RIS 单元结构对电磁信号幅度和相位的调控具有很强的耦合性，无法完成电磁波信号特性的独立调控，限制了 RIS 在更多场景下的广泛应用；RIS 阵列有效工作带宽受限，对入射电磁波的能量转换 效率较低，难以支持未来无线网络大宽带传输和远距覆盖。

从 RIS 基带算法、系统设计来看，缺少完整的传输理论基础和可靠的信道模型及系统模型。例如，对于这种 RIS 使能的新型通信系统传输方案的最优设计，缺少完善的基础信息理论指导。RIS 的信道模型还不完善，目前仅有部分研究机构对 RIS 信道模型展开了初步的研究，缺少 RIS 对实际传输环境控制能力的分析；缺少完备的测试平台和样机系统对 RIS 潜在性能增益进行全面、可信的评估。

从未来无线网络新架构来看，基于 RIS 的无线网络架构不明确。RIS 作为一个新型的无线网络节点，目前的成果中缺少对 RIS 接口协议和网元功能的研究和讨论；缺少对 RIS 在 未来无线网络中的拓扑结构、部署规模、部署方式和成本以及实时控制需求的分析；缺少 RIS 对未来无线网络的性能分析，如网络容量性能、时延性能和安全性能等。

6、参考文献

[1] Yu N , Genevet P , Kats M A , et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction[J]. Science (New York, N.Y.), 2011, 2011年334卷6054期(6054):333-7页.
[2]Cui, T. J., Qi, M. Q., Wan, X., Zhao, J., & Cheng, Q. (2014). Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials. Light: Science & Applications, 3(10), e218–e218. doi:10.1038/lsa.2014.99
[3] Cui T J , Liu S , Zhang L . Information metamaterials and metasurfaces[J]. J.mater.chem.c, 2017, 5(15):3644-3668.
[4] Zhang L , Castaldi G , Galdi V , et al. Space-Time-Coding Digital Metasurfaces[C]// 2019 Thirteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials). 2019.
[5]吴瑞元, 崔铁军. 电磁超材料:从新物理现象到新信息系统(英文)[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 2020(1).
[6]张磊, 崔铁军. 时空编码数字超材料和超表面研究进展[J]. 中国科学基金.
[7]IMT-2030（6G）推进组：智能超表面技术研究报告