智能超表面（RIS）是一种具有可重构电磁特性的二维人工材料。通过改变嵌入RIS元件中的可调谐器件的控制信号，可独立地调整每个元件表面电磁波的相位、振幅、偏振和频率响应，因此能够以可编程的方式重塑空间电磁波的波前。RIS提供了强大的能力来控制无线传播环境，提高无线通信网络的性能，同时具有低复杂性、结构简单、低成本的优点，在无线覆盖扩展、无线覆盖增强以及无线系统容量的提高方面具有很好的优势。目前，RIS辅助无线通信技术的发展聚焦以下几个关键点：

1. RIS硬件的低功耗、低成本设计

在RIS开发过程中，功耗和系统成本是其未来大规模部署的两个关键因素。控制和驱动电路及其可调谐组件的功耗通常在系统功耗中比例较高。微波材料和射频（RF）部件的有效成本控制也很重要。如何实现功耗、成本和性能之间的良好平衡在很大程度上取决于先进的设计技术和创新的解决方案。

2. 新硬件架构和模型下的RIS波束形成设计

随着RIS技术的进步，RIS硬件在网络中的配置愈发多样化。RIS与放大转发（AF）中继的结合有望平衡硬件成本和通信速率之间的关系。通过引进新型RIS，进一步实现传输波和反射波的联合调控，并实现全向空间的完整覆盖。此外，还可引入RIS的宽带信道模型和现实功耗模型，以支持RIS波束成形和能效性能的联合优化。

3. RIS的新应用和标准化考虑

RIS技术的引入为物理层通信安全带来新的维度。基于RIS的物理层密钥生成协议可以通过反射模式的动态优化来提高密钥容量。优化基站发射功率和RIS无源波束成形有助于减少干扰。此外，RIS标准化讨论及其在工程中的应用研究也是非常迫切的，从标准化的角度，将RIS的性能与3GPP release-18（R18）中的网络控制中继器（NCR）进行比较很有意义。

目前，RIS在无线通信中的未来应用仍面临多重机遇与挑战。为此，中国工程院院刊《信息与电子工程前沿（英文）》组织了本期专题。经严格评审，选出12篇论文，包括2篇综述和10篇研究，涵盖了物理实现、算法设计和标准化等热点话题。

学者们有望继续提高智能超表面（RIS）理论研究的深度和广度，为RIS工程应用提供更高的理论极限。通过诸多学术研究的突破以及工程化的推动，RIS技术研究已取得重大进展。本文首先概述RIS工程应用研究进展，主要关注其典型技术特性、分类和部署场景。然后，系统、全面地分析了RIS面临的挑战，提出潜在解决方案，包括通过级联信道解耦来解决波束成形问题、解决RIS调控约束的解决方案、探索RIS基于网络控制的系统架构、研究信道调控和信息调制的融合、研究真时延（TTD）机制在RIS中的使用，并探讨了RIS辅助非的正交多址接入（NOMA）和基于RIS的发射机。最后，讨论了该领域的未来趋势和挑战。

融合透射与反射智能超表面（STAR-RIS）因其可实现360°覆盖和增强自由度的优势而备受学术界和工业界关注。本文首先从硬件模型、信道模型和信号模型3个角度概述STAR-RIS的基本原理。随后，从相移、方向性和能耗角度介绍STAR-RIS的3种代表性分类方法。本文还研究了独立相移和耦合相移情况下STAR-RIS的波束成形设计，并针对两种相移模型提出一个通用优化框架。该框架具有很高的兼容性和可证明的最优性，并且不受应用场景限制。为展现STAR-RIS的潜在优势，进一步讨论了STAR-RIS在第六代无线通信（6G）中几个前景广阔的应用。最后，针对性地探讨了STAR-RIS未来的研究方向和机遇。

复杂波束在无线通信、雷达和卫星等领域发挥着重要作用，近年来引起人们的极大兴趣。在此背景下，提出一种利用半定松弛优化和幅相数字编码超表面实现复杂波束的快速有效方法。作为该方法的应用实例，设计了具有余割、平顶和双峰形状的复杂波束，并通过全波模拟和实验测量进行了验证，结果具有良好的主瓣和副瓣性能，证明了该方法的有效性。与以往工作相比，该方法可以更快、更有效地解决复杂的波束形成问题，对无线应用中波束形成系统的设计具有重要意义。

可重构智能超表面（RIS）是一种被广泛认可能够辅助基站与边缘用户之间通信的潜在技术。本文基于实际的RIS功耗模型，研究了RIS辅助多小区通信系统的能量效率。为了最大化系统的能量效率，提出一种交替优化算法，该算法联合优化了基站处的发射波束成形向量和RIS相移矩阵。首先，通过求解转换后的加权最小均方误差问题，对发射波束成形向量进行优化。随后，为解决RIS单元功耗与其离散相移之间的离散关系所导致的计算困难问题，使用一个连续函数来近似它们的关系。利用这种近似关系，采用优化最小化（MM）算法来优化连续的RIS相移，然后将得到的相移量化为离散相移。仿真结果表明，该算法有效提升了系统的能量效率。

使用可重构智能表面（RIS）增强速率性能涉及到RIS作为无源反射器的局限性。为解决这一问题，本文提出RIS辅助放大转发（AF）中继网络。为使信噪比最大化，提出两种方法联合优化AF中继的波束成形矩阵和RIS的相移矩阵。首先，为获得高速率，提出一种基于Charnes-Cooper变换和半定规划（CCT-SDP）的高性能交替优化（AO）方法。其中，将优化问题分解为3个子问题，并通过CCT-SDP和高斯随机化方法分别求解子问题和恢复秩一解。然而，CCT-SDP方法中优化矩阵变量会带来极高复杂度。为降低复杂度，提出一种基于Dinkelbachs变换和连续凸近似（DT-SCA）的低复杂度AO方法。其中，优化变量是向量，并通过DT-SCA方法求解3个解耦的子问题。仿真结果表明，与3个基准（即具有随机相位的RIS辅助的AF中继网络、没有RIS的AF中继网络和没有AF中继的RIS辅助的网络）相比，所提CCT-SDP和DT-SCA方法可以获得更好的速率性能。此外，低复杂度的DT-SCA方法与CCT-SDP方法速率接近。

阵列自由度的大小决定了能够应对的干扰数量与抗干扰性能。现有阵列只能通过增加天线数量提高自由度。另一方面，接收信号在进行数字化时，大功率干扰将导致用于表示期望信号的模数转换器（ADC）量化位位数下降，进一步提高后端基于数字信号处理的抗干扰难度。本文提出一种基于超表面天线阵列的射频前端与数字后端联合抗干扰方案，利用超表面天线快速可重构能力，对同一信号切换不同方向图接收，令单通道等效为多通道，提高阵列自由度。利用独立成分分析获得信道盲估计结果，在天线最小信干比约束条件下对天线参数进行优化设计。在高功率干扰条件下，通过在射频前端抑制干扰，采用较低位数的ADC，阵列也能具有较好的抗干扰性能。仿真结果表明，本文所提方案相比于传统阵列，令接收信号的误比特率降低了一个数量级。

本文研究用于数字可重构智能超表面系统的新型免数模转换架构。其中，微带传输线被用于反射系数控制，从而降低系统功耗。在所提架构中，每个单刀4掷开关同时控制一组元件的反射系数以实现2位移相器。为进一步降低成本，提出一种新型调制方案，该方案能获得接近传统正交幅度调制方案的性能。为了突破相移位数的限制，联合使用频移与相位旋转获得更多的星座点。仿真结果和实验结果表明，所提架构能够获得理想的传输性能。进一步地，可通过扩展智能超表面单元数量以及相移比特，可实现64-QAM和256-QAM等高阶调制方案。

智能超表面具有智能化改变无线环境的能力。考虑到宽带系统中子信道的衰减和拥挤的用户，我们将智能超表面引入具有正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）的多用户多入单出（multi-input single-output, MISO）系统，用于增强系统性能。基于智能超表面的近似实用宽带模型，智能超表面辅助密集用户的最小速率最大化问题被表征为包含子载波分配、基站发送预编码矩阵和智能超表面无源波束形成的联合优化问题。提出联盟博弈子载波分配算法解决子载波的空频资源分配问题，改善密集用户间的干扰拓扑。利用分数规划和凸优化方法优化预编码矩阵和智能超表面无源波束形成，提高了宽带系统中所有子信道的频谱效率。仿真结果表明，联盟博弈子载波分配算法为密集用户提供了显著的速率增益。此外，所提联合优化方法展示了智能超表面在该系统中的显著优势。

携带自旋和轨道角动量（OAM）的波束在光学和无线电领域中被广泛应用。然而，大多数无源波束调控装置只提供有限操作，例如自旋（极化）锁定的波前、静态的OAM模式组合或不可控制的OAM能量分配。本文提出一种多馈源反射型超表面装置，可以在动态切换OAM模式和极化组合的同时，对各模式间的能量精确分配。具体而言，提出四个结合传播和几何相位的超表面单元来克服自旋锁定相位限制，并分析这些单元的鲁棒性。通过引入振幅项和多馈源技术，所提超表面可以生成具有可控能量和可变模式的OAM电磁波束。使用所提超表面装置，搭建了工作在14 GHz的基于OAM模式和圆极化复用的无线电通信系统。系统中最大串扰是 −9 dB，证明了所提方法的有效性和实用性。

由于无线传播环境的开放性，无线网络极易受到恶意干扰，严重影响其合法通信性能。研究了一种基于可重构智能表面的抗干扰通信系统，通过优化基站的发射功率和可重构智能表面的被动波束成形来提高系统的抗干扰性能。考虑到智能干扰机的动态和不可预测性，将发射功率和可重构智能表面反射系数的联合优化问题建模为马尔可夫决策过程。为解决复杂和耦合的决策问题，提出一种基于双深度Q网络的学习框架，提高系统的可达速率和能量效率。与大多数功率域的抗干扰方法需要干扰功率信息不同，提出的双深度Q网络算法更能适应动态和未知的干扰环境，而不依赖于关于干扰功率的先验信息。仿真结果表明，所提算法在抗干扰性能和能量效率方面均优于多臂赌博机算法和深度Q网络算法。

物理层密钥生成技术利用无线信道的互易性、随机性生成共享密钥。然而，多径衰落会降低上行链路和下行链路之间的相关性，从而导致较低的密钥生成速率。本文提出一种基于方向图可重构天线的物理层密钥生成方案提升密钥容量。具体地，我们设计了一种基于智能超表面（Reconfigurable reflecting surface, RIS）的可重构天线架构，利用灵活重构天线方向图的能力，提出基于可重构天线的物理层密钥生成协议。通过提出的基于原子范数最小化的多径信道估计算法以及多径信号匹配接收优化算法，可以实现通过减轻多径衰落的影响提高密钥生成速率。仿真结果表明，与现有方案相比，所提出方案能抵抗多径衰落并实现较高的密钥生成速率。此外，研究结果表明，天线方向图自由度的增加可以显着增加密钥容量。

作为实现6G的候选技术之一，可重构智能表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）在学术界和工业界都备受瞩目。为了更好地探索RIS的优势，本文将RIS与3GPP release-18中的网络控制中继器（network-controlled repeater，NCR）的性能进行比较。首先，从理论上分析RIS和NCR的接收信号功率和信噪比性能。接着，模拟了RIS和NCR在频率范围1和频率范围2波段的系统级参考信号接收功率和信干噪比性能。最后，根据RIS和NCR的比较结果，对工程应用提出一些见解。