多模态混合可重构智能超表面在集成感知与通信中的涌现：6G网络的关键使能技术综述

《IEEE Communications Surveys & Tutorials》：The Emergence of Multi-Functional and Hybrid Reconfigurable Intelligent Surfaces for Integrated Sensing and Communications - A Survey

本刊特约推荐：为解决6G网络中非视距传输瓶颈与能效优化难题，研究团队系统综述了多功能混合可重构智能超表面（MF-RIS）技术在集成感知与通信（ISAC）中的前沿进展。文章深入解析了MF-RIS如何通过融合传感单元、能量收集（EH）与混合主动波束赋形，实现智能无线环境（SWE）的动态重构，为毫米波（mmWave）与太赫兹（THz）通信的实用化部署提供理论支撑与硬件设计指南。

　　

随着第五代移动通信技术（5G）的全面铺开，无线网络在容量和覆盖范围上取得了显著突破，但面向2030年后的第六代移动通信技术（6G）时代，其需求已远超现有技术的极限。海量物联网设备、全息通信、自动驾驶等新兴应用对网络带宽、能效和可靠性提出了近乎苛刻的要求。尤为突出的是，在厘米波（cmWave）、毫米波（mmWave）乃至太赫兹（THz）等高频频段，无线电波极易受建筑物、人体等障碍物阻挡，导致信号传输不稳定，覆盖范围出现难以预测的“盲区”。传统的解决方案，如密集部署基站或使用有源中继器，不仅成本高昂，其巨大的能耗也违背了绿色通信的发展理念。正是在这一背景下，可重构智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）技术应运而生，它被誉为开启6G时代的“钥匙”之一。

然而，初代的RIS如同一位只能被动反射光线的镜子，虽然能够改变无线电波的传播方向，却无法感知周围环境的变化，也无法在信号微弱时提供增益。要将RIS成功融入未来功能化网络，必须为其赋予更多“智慧”和“能力”。这意味着需要在RIS上集成传感器、能量收集模块乃至信号放大单元，使其进化为多功能混合可重构智能超表面（Multi-Functional and Hybrid RIS, MF-RIS）。这类结构预计将广泛应用于集成感知与通信（Integrated Sensing and Communications, ISAC）和雷达通信共存（Radar and Communication Coexistence, RCC）场景，最终构建一个可编程、自重构的智能无线环境（Smart Wireless Environment, SWE）。本综述论文发表于《IEEE Communications Surveys & Tutorials》，旨在对MF-RIS这一新兴领域的技术现状、应用挑战与发展前景进行系统性总结与展望。

为系统阐述MF-RIS技术，研究人员综合运用了多种关键技术方法。首先，基于电磁波边界条件的阻抗边界建模方法被用于精确分析超表面对入射波的异常反射与折射行为，超越了传统的斯涅尔定律。其次，研究涵盖了从无源、有源到混合型RIS的硬件实现方案，重点分析了基于PIN二极管、变容二极管、液晶（LCs）等元件的相位切换网络。此外，文章详细探讨了将激光雷达（LiDAR）、毫米波雷达等传感单元与能量收集（如射频能量收集RF-EH、太阳能电池）功能集成于RIS共享孔径的设计理念。在系统层面，研究结合了智能无线环境（SWE）框架和开放无线接入网（O-RAN）标准，讨论了MF-RIS在信道估计、多用户接入和物理层安全（PLS）等方面的算法优化策略。

超表面的反常反射与折射理论

传统的材料对电磁波的反射和折射遵循斯涅尔定律。而基于超材料理论的RIS，其导电层可以被建模为一个等效阻抗边界，通过控制其表面阻抗张量，能够产生不遵循自然规律的“反常”反射角（θ_r）和折射角（θ_t）。更为精确的分析方法是利用弗洛凯波展开和惠更斯表面模型来计算RIS的散射场，这考虑了单元细胞之间的相互耦合和空间色散效应。研究表明，RIS的物理尺寸与其工作频率和有效孔径效率密切相关，通常在8λ至20λ之间进行权衡，以在成本和控制精度之间取得平衡。

多功能性的定义与实现路径

MF-RIS的多功能性体现在多个维度的功能集成。首先是传感能力的引入。通过集成毫米波雷达和LiDAR传感器，MF-RIS能够实现同步定位与建图（SLAM），实时追踪用户设备（UE）的位置和运动，并对周围环境进行建模，从而预测最佳信号传播路径。例如，集成Rotman透镜的MF-RIS原型已在28 GHz频段实现了对UE的波达方向（DoA）估计和波束跟踪。其次是能量自治。通过集成射频能量收集（RF-EH）模块或与太阳能电池交错排布，MF-RIS可以捕获环境中的电磁能或光能，为自身控制器供电，甚至通过无线能量传输（WPT）为邻近的物联网设备供电，真正实现“绿色”部署。最后是混合主动增益。通过在单元细胞中集成晶体管等有源元件，形成反射放大器（RA）或透射式放大结构，MF-RIS能够对反射或折射信号的幅度和相位进行独立控制，克服传统无源RIS的“双衰落”问题，显著提升上行链路的通信质量。

MF-RIS使能的集成感知与通信（ISAC）

在ISAC应用场景中，MF-RIS扮演着核心角色。传统上，RIS仅作为被动反射介质辅助通信。而MF-RIS通过其集成的传感能力，能够将雷达探测波形与通信符号的传输相结合。在一个典型的ISAC-RIS场景中，雷达基站发射探测信号，MF-RIS动态配置其相位偏移，在增强对目标（如UE）探测精度（即感知功能）的同时，为该UE建立高质量的通信用链路（即通信功能）。研究表明，通过联合优化发射协方差矩阵和RIS配置，可以同时提升通信速率和感知性能。将RIS辅助的ISAC系统应用于实际5G网络的测量结果显示，其定位精度可达0.3米至3米（在1.4公里范围内），而结合联合波形和波束成形设计，精度还能进一步提高。

MF-RIS辅助的雷达与通信共存（RCC）

对于室内定位等场景，RCC提供了另一种思路。在此模式下，MF-RIS本身可以配备有源发射和接收天线，主动发送雷达探测波形。通过RIS在空间-时间维度上的自适应能力，可以构建周围环境的3D地图。理论研究证明，与传统的MIMO阵列雷达相比，RIS辅助的雷达方案能显著提高目标检测精度和功率增益。一种创新的方案是将射频传感链稀疏地集成在RIS上，通过随机采样掩模技术，仅用少量传感链即可实现高精度的波达方向估计，这大大降低了硬件复杂度和能耗。堆叠智能超表面（Stacked Intelligent Metasurface, SIM）的概念进一步将处理能力推向电磁波模拟域，有望实现光速级的低延迟计算。

面临的开放性问题与挑战

尽管前景广阔，MF-RIS的实用化仍面临诸多挑战。孔径效率低下是一个核心问题，即RIS只能捕获入射平面波的一小部分能量。解决方案包括利用超小单元细胞（如λ/16）的互耦合增益、非均匀调制或多频带超表面设计。镜面反射是另一个固有难题，它会造成信号功率的浪费。通过结合环境建模，设计RIS背后支撑结构的材料响应，可以部分抵消这种不必要的反射。上行链路通信的实用性模型在学术界较为缺乏，MF-RIS需要结合感知信息，精确锁定UE位置，才能为功率受限的上行信号提供有效的增强路径。此外，带宽影响范围和多用户关联也是网络运营商必须考虑的问题，避免RIS对非授权频段的用户产生干扰。最后，能量收集效率和电磁场（EMF）暴露限制等法规符合性要求，也为MF-RIS的设计增加了约束条件。

结论与未来展望

本综述系统性地阐述了MF-RIS作为6G关键使能技术的涌现、理论与应用。研究表明，通过将传感、能量收集和信号放大等功能集成于可重构超表面，MF-RIS能够有效解决高频段无线通信中的覆盖、能效和动态环境适应性问题。它为实现真正的集成感知与通信（ISAC）和智能无线环境（SWE）奠定了硬件基础。尽管在孔径效率、干扰抑制、信道估计和标准化方面仍存在开放性问题，但MF-RIS与毫米波/太赫兹通信、非正交多址接入（NOMA）、全息MIMO（HMIMOS）等技术的结合，已展现出巨大的潜力。未来的研究方向将聚焦于混合主动RIS的优化设计、星地一体化网络中的应用、自主车辆网络（V2X）的支撑，乃至量子优化算法在RIS配置中的探索。可以预见，随着硬件技术的成熟和标准化工作的推进，MF-RIS将从实验室原型走向规模化部署，最终成为构建未来智能、绿色、无处不在无线网络的核心基石。