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1、I目录目录第一章 概述第一章 概述.1第二章 基础原理与模型1第二章 基础原理与模型.3 32.1 基础原理.32.2 典型特征.42.3 通信模型.4第三章 潜在应用场景与需求第三章 潜在应用场景与需求.6 63.1 传统通信场景应用.63.2 新型应用.10第四章 潜在关键技术第四章 潜在关键技术.15154.1 智能超表面结构与调控.154.2 智能超表面基带算法.184.3 系统与网络架构.30第五章 技术成熟度、挑战和趋势第五章 技术成熟度、挑战和趋势.33335.1 技术成熟度.335.2 技术挑战.345.3 技术趋势.34第六章 总结与展望第六章 总结与展望.36参考文献36参

2、考文献.37主要贡献单位37主要贡献单位.44441第一章第一章 概述概述预期未来十年通信网络容量千倍增长，无处不在的无线连接成为现实，但高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线通信面临的关键问题1。例如，超密集组网中的大量基站增加了硬件开支和维护成本，并面临严重网络干扰；频谱从 sub-6G 到毫米波、太赫兹的扩展需要更复杂的信号处理和更昂贵的耗能硬件。研究创新、高效、节约频谱和资源的未来无线网络1解决方案势在必行。在候选新技术中，智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）以其独特的低成本、低能耗、可编程、易部署的特点脱颖而

3、出。RIS 是一种具有可编程电磁特性的人工电磁表面结构，由超材料技术发展而来。传统超材料可以实现电磁黑洞和电磁隐身衣等奇特物理现象，但是其通过等效媒质参数描述，表现为功能单一且固化的模拟超材料。而近年来迅速发展的 RIS 技术具有电磁特性实时可编程的特点2。实时可编程是革命性的技术飞跃，它允许超表面改变其电磁特性，从而实现传统超材料无法实现的各种功能3。RIS 通常由大量精心设计的电磁单元排列组成，通过给电磁单元上的可调元件施加控制信号，可以动态地控制这些电磁单元的电磁性质，进而实现以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控，形成幅度、相位、极化和频率等参数可控制的电磁场。这一机制提供了 R

4、IS 的电磁世界和信息科学的数字世界之间的接口，对于未来无线网络的发展极具吸引力。传统通信中无线环境是不可控因素，其不可控性通常对通信效率有负面作用，会降低服务质量。信号衰减限制了无线信号的传播距离，多径效应导致衰落现象，大型物体的反射和折射更是主要的不可控因素。而将 RIS 部署在无线传输环境中各类物体的表面，有望突破传统无线信道不可控性，构建智能可编程无线环境，引入未来无线通信的新范式45。一方面，RIS 可以主动地丰富信道散射条件，增强无线通信系统的复用增益6；另一方面，RIS可以在三维空间中实现信号传播方向调控及同相位叠加，增大接收信号强度，提高通信设备之间的传输性能7。因此，RIS

5、有很大潜力用于未来无线网络的覆盖增强和容量提升，提供虚拟视距链路、消除局部覆盖空洞、服务小区边缘用户、解决小区间同频干扰等，进而实现智能可重构的无线环境68。智能无线环境大大扩展了软件定义网络的范畴，即未来网络通过 RIS 演进成为以软件为基础的可重构智能平台，能够自主适应环境变化并提供相应的功能服务910。RIS 还可以具有电磁吸收、透射和散射等能力，根据所需无线功能对无线信号进行动态调控，例如保障通信网络安全、减小电磁污染、支持无源物联网、使能无线能量传输和辅助定位感知等应用11-13。此外，利用 RIS 还可以实现基带信息直接调制至射频载波，可用于构建新体制阵列式发射机架构，有望降低硬件

6、复杂度和成本14。RIS 的应用研究是跨学科的，需要无线通信、射频工程、电磁学和超材料等学科的协同配合。目前其相关研究主要包括两个方面，一方面是基于数学模型的理论研究，另一方面是基于原型系统的功能实现和性能测量。在近两年来涌现的原型研究中，东南大学崔铁军院士团队实现了基于 RIS 的 SISO、MIMO 实时传输以及 RIS 自由空间路径损耗的测量15-19；MIT的RFocus RIS系统实现了对单个用户的接收信噪比的提高20；清华大学在发射机上利用RIS实现了毫米波波束的实时调控21；加利福尼亚大学圣迭戈分校（UCSD）的 ScatterMIMO 利1包括 5G-Advanced、6G 及