序

電磁超材料科學與技術的發(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，但大多數(shù)以科學研究為主。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)其性能和在移動通信領域中應用的巨大潛力。通過對RIS單元的相位、幅度和極化方向等物理參數(shù)進行數(shù)字調(diào)控，RIS可以主動改善無線信道的傳播環(huán)境，提高系統(tǒng)容量和覆蓋面。RIS與多天線技術密不可分，作為一種動態(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。移動通信從3G到4G，再到5G，其系統(tǒng)頻譜效率的提升主要歸功于多天線技術的突破，但是進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技術成為學術界和工業(yè)界的一個研究熱點，有望能繼續(xù)擔負多天線技術和系統(tǒng)的使命，以滿足下一代移動通信系統(tǒng)對頻譜效率、網(wǎng)絡覆蓋等關鍵性能指標的要求，并且在無線網(wǎng)絡能耗降低方面發(fā)揮重要作用。
本書的作者團隊來自中國移動，在RIS的方案研究、技術標準化和工程實踐上已積累了豐富的經(jīng)驗，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技術產(chǎn)業(yè)，促使中國主導的RIS技術能夠在未來移動網(wǎng)絡中得到大規(guī)模的應用。本書首先從超表面材料、多天線技術基礎、RIS中繼技術、仿真性能分析、初步外場測試、未來研究和標準化等方面，對RIS技術進行了較為全面和系統(tǒng)的描述，隨后分別從性能仿真和實際網(wǎng)絡測試方面驗證了RIS的應用潛力，最后提出了未來的研究方向和標準化策略。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為基礎，融合而成RIS技術，既有深入的理論分析，又結(jié)合實際網(wǎng)絡的特征和限制條件，對學術界和工業(yè)界的相關研究都有很好的借鑒和啟發(fā)作用。

中國科學院院士 崔鐵軍
2023 年10 月

前 言
超材料技術始于20世紀60年代，最初主要用于雷達隱身。近幾年超材料的發(fā)展有重大突破，尤其在民用領域，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，因此，智能超表面技術得到學術界和工業(yè)界的廣泛關注，有望成為未來6G空口的原創(chuàng)性基礎技術，以滿足6G移動通信網(wǎng)絡的系統(tǒng)頻譜效率、功耗、覆蓋等的關鍵性能指標要求。
智能超表面的概念于2014年由東南大學崔鐵軍院士團隊首次提出，并在業(yè)界率先完成智能反射面的硬件實現(xiàn)。我國高校和科研機構(gòu)在智能反射面領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、研究機構(gòu)等也都積極進行了產(chǎn)業(yè)布局。國家知識產(chǎn)權局提供的專利統(tǒng)計信息顯示，在智能超表面領域中，我國專利申請量遙遙領先。國內(nèi)外有較高影響力的IMT-2030、Future論壇、中國通信標準化協(xié)會（CCSA）、IEEE 通信協(xié)會（ComSoc）、歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）等紛紛成立智能超表面相關的研究 組，智能超表面技術聯(lián)盟（RISTA）也于2022年成立，目前其成員單位已超過110家。
智能超表面是一項新型顛覆性技術，從總體上講，對它的研究還很不完善，其標準化和實際工程應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本書是作者根據(jù)近兩年的研究探索和在3GPP的一些標準化經(jīng)驗，對智能超表面技術進行初步探討。本書共7章，第1章為背景介紹，簡要回顧了前幾代移動通信的演進，并對6G相關場景和關鍵性能指標、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、設計原理、超材料器件仿真和實際性能驗證、超材料器件的控制等方面對智能超表面硬件進行了描述。第3章為多天線通信技術基礎，分別從單用戶開環(huán)和閉環(huán)空間復用、多用戶空間復用、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的天線基礎知識。第4章為智能超表面中繼技術，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，以及小尺度信道估計與反饋等。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證，較為詳細地描述了南京和深圳測試中的各種場景、參數(shù)設置和測試結(jié)果。第7章為分階段技術的推進，重點介紹了智能超表面的三步走發(fā)展策略，3GPP Rel-18網(wǎng)絡控制的直放站（NCR），以及未來的研究和標準化方向、重要時間點等。不同于一般的技術白皮書和綜述性研究報告，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研究院張同須、黃宇紅、丁海煜、易芝玲、崔春風、王啟星、金婧、王菡凝、孫藝瑋等專家的大力支持和協(xié)助，以及北京郵電大學王亞峰老師團隊、東南大學金石和程強老師團隊、中國移動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/硬件設計、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，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進行了初步梳理，寫作時間較短，在技術點的闡述上可能存在不完善之處，觀點也難免有欠周全。對書中敘述不當?shù)牡胤剑�敬請讀者諒解，并提出寶貴意見。

編著者
2023年10月