【儀表網 研發快訊】基于人工電磁超材料的智能超表面技術(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)能夠通過改變無線信道主動創造有利于電磁波傳播的無線信道環境，是未來6G的潛在關鍵技術之一。RIS是一種集成低功耗低成本可調器件的平面天線陣列，其可以對入射電磁波的幅度、相位、頻率、極化等電磁特性進行多維度調控，從而克服通信系統中的陰影衰落、補償路徑損耗，進而提升無線通信的覆蓋質量和系統性能。
 

　　為了在實際通信環境中主動創造良好的電磁波傳播環境，RIS需要針對變化的電磁信道作出實時響應。如圖1所示，典型的實現方式是先讓基站獲取信道狀態信息，然后基站計算RIS的賦相矩陣，最后通過額外的控制鏈路將賦相信息傳遞給RIS，從而完成對RIS的閉環控制。這一控制流程需要在基站和RIS之間建立額外的控制鏈路，無論是采用有線控制還是無線控制的方式，都會明顯提高RIS部署的硬件成本和控制流程的復雜度。這一RIS控制難題成為RIS大規模部署的重要制約因素之一。
 

圖1.(a)現有的基站控制RIS；(b)提出的自控制RIS(SC-RIS)
 

　　針對上述RIS控制難題，清華大學電子工程系戴凌龍團隊與東南大學信息科學與工程學院崔鐵軍團隊借鑒了光學中的全息成像原理，提出了一種自控制RIS方案(self-controlled RIS, SC-RIS)。如圖2所示，通過在RIS單元中額外集成的低成本微波功率計，SC-RIS可以檢測基站與用戶信號在RIS處發生電磁干涉所形成的全息圖，RIS利用此全息圖就可以自主反推出用戶的角度信息進行波束賦形，從而實現了不依賴于基站控制的RIS獨立自主控制。圖3展示了自控制RIS單元的硬件實現及電磁特性。
 

圖2.光學全息成像啟發的SC-RIS硬件架構設計
 

圖3.自控制RIS單元的硬件實現及電磁特性
 

　　進一步，研究提出了一種基于二維快速傅里葉變換(2D-FFT)的用戶角度估計算法，稱為全息定位算法(holographic localization)。如圖4所示，該全息定位算法首先利用2D-FFT將全息圖變換到波數域，形成全息圖波數譜。然后，通過最大似然算法可以檢測全息圖波數譜的雙峰結構，并從雙峰的位置中反推出用戶和基站的相對角度信息。最后，算法可從已知的基站角度中計算出未知的用戶角度，從而實現用戶定位。
 

圖4.全息定位算法的流程
 

　　針對所提的SC-RIS硬件架構和算法，研究團隊研制了一塊32×32單元的SC-RIS硬件，并基于Xilinx FPGA+AD9361構成軟件定義無線電平臺實現了完整的正交頻分復用(OFDM)通信系統，進行了RIS輔助的OFDM通信系統實測。圖5中的實測結果表明：在不同的基站-用戶角度配置下，該全息定位算法能夠將俯仰角和方位角的定位誤差分別降低至2.61°與5.24°。受益于最大似然超分辨率算法的應用，全息定位算法的誤差可以低于相應陣列分辨率極限(6.62°)。在完成對用戶的全息定位之后，就可以根據用戶相對于RIS的幾何關系來計算RIS賦相矩陣，從而完成RIS波束賦形。實測結果表明，對未調制信息的單音信號，所提RIS閉環控制方案能夠在RIS不受基站控制的前提下，相比隨機RIS賦相獲得16.4dB的用戶接收信號功率增益。
 

圖5.全息定位算法的實測性能
 

　　如圖6所示，通信系統級實測表明，在啟用SC-RIS自動波束賦形功能后，SC-RIS能夠自主獲取用戶方位并進行波束賦形，OFDM接收機能獲得12dB的平均接收信號功率增益，且OFDM接收機的信道估計、符號解調以及信息解碼過程均得到明顯改善。
 

圖6.SC-RIS輔助OFDM通信系統的實測結果
 

　　該研究針對RIS受基站控制而無法獨立自主工作這一瓶頸問題，創新性地引入了光學中全息干涉的思想，通過在RIS單元上集成微波功率計，構成SC-RIS這一新的硬件結構。SC-RIS能夠自主檢測RIS表面的電磁干涉全息圖，并利用全息定位算法完成用戶定位，基于此可進行自主波束賦形，最終實現了脫離基站控制的自主控制。該研究工作也為RIS的設計提供了新的思路，即RIS的信道狀態信息獲取與電磁調控可以由RIS本身自主完成，從而有望使RIS成為無線通信環境中獨立的智能體，在無線網絡中自主感知無線環境的變化并實時做出響應，以獨立完成通信、感知等多重任務。
 

　　研究成果以“光學全息啟發的自控制智能超表面”(A self-controlled reconfigurable intelligent surface inspired by optical holography)為題，于10月29日發表于《自然·電子學》(Nature Electronics)。
 

　　清華大學電子工程系教授戴凌龍、東南大學信息科學與工程學院崔鐵軍院士為論文共同通訊作者。清華大學電子工程系2021級博士生朱結奧、東南大學信息科學與工程學院2025級博士生顧澤為論文共同第一作者。
 

　　研究得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目等的支持。