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智能調(diào)控，優(yōu)勢日益凸顯

當(dāng)前，人工智能的發(fā)展使得和智能掛鉤的技術(shù)都備受關(guān)注。有人懷疑，可重構(gòu)智能超表面是不是只是蹭熱度？想要弄清這個問題，我們不妨先從可重構(gòu)智能超表面的結(jié)構(gòu)說起。

可重構(gòu)智能超表面基于電磁超材料發(fā)展而來。電磁超材料主要分為三維超材料和二維超表面兩大類。早期，對于二維超表面的研究主要從物理層面展開。科研人員使用諸如表面極化率、表面阻抗等參數(shù)來表征界面上的電磁特性。該特性也被稱為“模擬超表面”。

2011年，美國哈佛大學(xué)費德里科·卡帕索教授團(tuán)隊提出了廣義斯涅爾定律。該定律從原理上指出可以通過改變二維超表面的特性，來控制反射/折射電磁波束的特性?？ㄅ了鹘淌趫F(tuán)隊還基于該定律設(shè)計了非均勻分布的超表面，展現(xiàn)了對電磁波的非均勻調(diào)控能力，極大地促進(jìn)了二維超表面的發(fā)展。隨后，“數(shù)字編碼與可編程超表面”概念被提出，使得人們可以利用計算機(jī)科學(xué)的編碼理論對二維超表面的物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，甚至可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對其進(jìn)行智能調(diào)控?？芍貥?gòu)智能超表面應(yīng)運而生。

可重構(gòu)智能超表面本質(zhì)上是一種以人工方式合成的具有特殊電磁性質(zhì)的二維超表面。在硬件上，它主要由大量電磁單元和智能控制器組成。智能控制器以編程方式精確調(diào)節(jié)各個電磁單元的電磁性質(zhì)，實現(xiàn)對電磁波的動態(tài)調(diào)節(jié)與實時控制，從而使可重構(gòu)智能超表面呈現(xiàn)出非鏡面反射、透射等物理現(xiàn)象。

可重構(gòu)智能超表面之所以受到廣泛關(guān)注，是因為它擁有許多傳統(tǒng)無線通信技術(shù)不具備的優(yōu)勢。

智能化、高性能。我們知道，通信系統(tǒng)的三要素是信源、信道和信宿。傳統(tǒng)無線通信主要通過控制發(fā)射機(jī)（信源）和接收機(jī)（信宿）的功率大小和調(diào)制方式調(diào)控電磁波，人們通常認(rèn)為信道是隨機(jī)、不可控的。而可重構(gòu)智能超表面通過智能調(diào)整每個電磁單元的電磁性質(zhì)來控制入射信號的傳播、重新配置無線傳播環(huán)境，從而實現(xiàn)對信道的智能重構(gòu)，有效提高無線通信系統(tǒng)的性能。

低成本、低功耗。可重構(gòu)智能超表面由大量便宜的無源或近無源電磁器件組成，不包含移相器、功率放大器等高功耗的射頻器件，同時也簡化了電源、信號分配網(wǎng)絡(luò)和散熱結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)無線通信設(shè)備相比，它具有低成本、低功耗、低實現(xiàn)復(fù)雜度等優(yōu)勢。目前，可重構(gòu)智能超表面已被確定為6G通信的關(guān)鍵候選技術(shù)之一。

輕量化、易部署。可重構(gòu)智能超表面是物理上較為輕薄的二維平面結(jié)構(gòu)器件，可以以低輪廓、輕重量和共形幾何形狀制作，并且供電要求低，這使得它很容易安裝在室內(nèi)墻壁、建筑物外立面、室外廣告牌等設(shè)施上。此外，可重構(gòu)智能超表面作為一種補充設(shè)備，可隨時添加到現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)中，與現(xiàn)有無線系統(tǒng)集成，體現(xiàn)出高度靈活性和優(yōu)越兼容性。

覆蓋盲區(qū)，應(yīng)用不斷拓展

隨著移動通信和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，全球?qū)Ω靷鬏斔俾?、更低延遲和更為節(jié)能的無線連接需求正在劇增。未來6G的推出預(yù)計將進(jìn)一步加劇這一壓力。可重構(gòu)智能超表面能夠有效提升信號覆蓋，增強(qiáng)信號質(zhì)量，擴(kuò)展傳輸通道，提高頻譜和能源利用率，增強(qiáng)通信安全性，提高傳輸效率并減少噪聲干擾。這一系列優(yōu)異特性對于解決未來無線連接面臨的挑戰(zhàn)至關(guān)重要，也使它可以廣泛應(yīng)用于各種無線通信場景。

可重構(gòu)智能超表面的應(yīng)用場景大致可以分為兩類，一是傳統(tǒng)無線通信場景，二是垂直行業(yè)的新型應(yīng)用場景。

在傳統(tǒng)的無線通信場景中，可重構(gòu)智能超表面被用于信號覆蓋空間補盲、邊緣覆蓋增強(qiáng)與干擾抑制、提升系統(tǒng)吞吐量、優(yōu)化發(fā)射機(jī)設(shè)計等。以信號覆蓋空間補盲為例，我們都曾遇到過室內(nèi)WIFI信號因墻壁阻隔變?nèi)跎踔翢o法使用的情況，實際上室外也存在同樣的情況。在城市高樓密集的區(qū)域，由于建筑物的阻隔，移動通信信號往往無法完全覆蓋，形成覆蓋盲區(qū)。未來6G通信的潛在頻段多集中在毫米波和太赫茲頻段，這種高頻信號路徑損耗較大、覆蓋范圍較小，且容易受障礙物、降水、雪霧等影響。因此，6G通信必然面臨基站覆蓋半徑減小、信號盲區(qū)增多等問題。

未來，如果在基站和終端用戶之間部署可重構(gòu)智能超表面設(shè)備，就能實現(xiàn)像鏡面一樣反射電磁波，使被墻壁或者其他障礙物遮擋的用戶也能夠接收到良好的信號。目前，這項技術(shù)已得到初步檢驗。美國麻省理工學(xué)院成功構(gòu)建了工作于2.4吉赫茲頻段的可重構(gòu)智能超表面測試平臺。測試結(jié)果表明，在室內(nèi)場景中利用可重構(gòu)智能超表面可使信道容量提升2倍。2023年9月，在浙江杭州舉行的亞運會上，5G基站在可重構(gòu)智能超表面的支持下，場館內(nèi)信號較差區(qū)域的信號質(zhì)量得到有效提升。

可重構(gòu)智能超表面的引入還會催生一系列新型應(yīng)用，形成垂直行業(yè)的新型應(yīng)用場景。比如：利用可重構(gòu)智能超表面進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)通信、無人機(jī)通信、無線能量與信息傳輸?shù)?。在車?lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中，車輛大多處于快速移動狀態(tài)，并且車輛之間經(jīng)常存在各類建筑物的阻隔，很難保證可靠的通信。依托可重構(gòu)智能超表面輕量級、小型化、低成本、高效能的特性，將其部署在車輛或建筑物上，可以解決車輛間、車輛與基站間的信號阻塞問題，有效保障車輛間的動態(tài)通信，從而為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供新的解決思路與可行途徑。這一思路還可以進(jìn)一步拓展到無人機(jī)通信、衛(wèi)星通信等應(yīng)用場景。

此外，將可重構(gòu)智能超表面用于能量收集與傳輸，不僅可以解決自身的能量供給問題，也可以通過反射射頻能量為目標(biāo)用戶提供能量，從而實現(xiàn)能量與信息的復(fù)合傳輸，讓通信更加綠色節(jié)能。

嵌入戰(zhàn)場，未來大有可為

伴隨著作戰(zhàn)方式的演變和作戰(zhàn)空間的拓展，電磁波在軍事領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。能夠更加自由地操控和利用電磁波，對于發(fā)揮其軍事效能至關(guān)重要。鑒于可重構(gòu)智能超表面的優(yōu)越特性，其在軍事領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用價值、廣泛的應(yīng)用場景。

用于反無人機(jī)。隨著無人機(jī)在戰(zhàn)場上的廣泛應(yīng)用，反制無人機(jī)的襲擾成為軍事領(lǐng)域的重要課題。面對大量低成本無人機(jī)的規(guī)?；\用，傳統(tǒng)的防空手段面臨著代價大、效費比低的窘境。

可重構(gòu)智能超表面技術(shù)的出現(xiàn)，給反無人機(jī)提供了一種全新的手段。它不僅可以實現(xiàn)無線信號的增強(qiáng)，也可以實現(xiàn)對無線信號的干擾和抑制。通過將可重構(gòu)智能超表面設(shè)備部署在合適的位置，借助它的反射、透射以及信號調(diào)幅功能，可以實現(xiàn)對無線信號的過濾和抑制。將這一特性運用到對無人機(jī)的反制之中，比如使用可重構(gòu)智能超表面發(fā)射波束寬度較窄的高增益波束，就能對無人機(jī)控制信號進(jìn)行干擾和抑制，定向切斷無人機(jī)通信鏈路。這種反制方式對于無人機(jī)集群將尤為有效，失去控制的無人機(jī)會像無頭蒼蠅一樣相互碰撞、大規(guī)模掉落。

用于高精度定位。軍事領(lǐng)域歷來是對定位精度要求較高的領(lǐng)域。在未來的城市作戰(zhàn)中，精準(zhǔn)定位無論是對于打擊敵方的散兵游勇，還是對于追蹤己方的支援保障人員都至關(guān)重要。

依靠蜂窩基站的傳統(tǒng)方法雖然可以對移動用戶進(jìn)行定位，但是定位精度會受基站到用戶的距離、基站所處位置以及基站數(shù)量的影響。而且隨著無線通信所用頻段越來越高，信號存在較大的路徑損耗，想要實現(xiàn)高精度、遠(yuǎn)距離的定位變得更加困難?？芍貥?gòu)智能超表面依靠其功耗低、易部署、天線孔徑較大、空間分辨率高的特性，能夠有效輔助基站實現(xiàn)針對移動人員的高精度定位。將可重構(gòu)智能超表面靈活部署在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，充當(dāng)定位輔助基站。在已知傳統(tǒng)基站和可重構(gòu)智能超表面部署位置的情況下，計算信號到達(dá)兩者的時間差，便可計算出用戶所在的具體位置，實現(xiàn)高精度輔助定位。

用于物理層安全通信。隨著移動通信技術(shù)的進(jìn)步，無線通信在軍事領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。然而，由于無線信道的開放性，無線傳輸?shù)男畔O易被對手?jǐn)r截和竊聽。如何確保無線通信安全，始終是軍事領(lǐng)域必須高度重視和努力解決的關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)無線通信主要依賴上層加密技術(shù)保證信息安全。隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增加和超級計算機(jī)的出現(xiàn)，依靠上層加密技術(shù)保護(hù)的無線通信不斷出現(xiàn)各類信息泄露問題，無線通信安全面臨越來越大的風(fēng)險。相較上層加密技術(shù)，物理層安全技術(shù)能夠利用無線信道的固有屬性來為無線通信提供更為可靠的安全保障?？芍貥?gòu)智能超表面能夠?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行靈活操控，通過科學(xué)設(shè)計算法，可用于增強(qiáng)隱蔽通信、降低合法鏈路被偵測的概率等。有研究表明，基于可重構(gòu)智能超表面輔助的陣列天線物理層安全通信方法，能夠有效提高非視距場景下無線信息傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。

未來，隨著越來越多智能化裝備在戰(zhàn)場上發(fā)揮作用，可重構(gòu)智能超表面這面“魔鏡”也必將一展身手、大有可為，成為信息化智能化戰(zhàn)爭中的關(guān)鍵一環(huán)。