智能超表面在波束及信息調(diào)控中的應(yīng)用

程強(qiáng)，戴俊彥，柯俊臣，梁竟程，王思然

（1. 東南大學(xué)，江蘇 南京 210007；2. 香港城市大學(xué)，香港 999077）

1 引言

未來(lái)的通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)延、吞吐量以及可靠性等方面提出了更高的要求，特別是在未來(lái)的大規(guī)模工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，大量需求還未得到滿足。在當(dāng)下5G系統(tǒng)部署中，成本、能耗以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度還存在諸多不足，其在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多問(wèn)題。面向6G超大規(guī)模MIMO和太赫茲無(wú)線通信，傳統(tǒng)無(wú)線收/發(fā)機(jī)硬件架構(gòu)面臨高復(fù)雜度、高成本、高能耗等挑戰(zhàn)，因此探索新體制收/發(fā)機(jī)架構(gòu)具有重要意義。傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)無(wú)法主動(dòng)控制無(wú)線信道環(huán)境，只能通過(guò)信道測(cè)量建立信道模型并設(shè)計(jì)收/發(fā)機(jī)算法。探索突破傳統(tǒng)無(wú)線信道不可控特性，重塑無(wú)線傳播環(huán)境，進(jìn)而大幅提升無(wú)線通信系統(tǒng)性能，將為無(wú)線通信的發(fā)展提供新的可能。

智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）是一種在亞波長(zhǎng)尺度上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)單元，并安排單元的排列組合以實(shí)現(xiàn)操控電磁波的幅度、相位、極化和頻率等信息的二維人工表面。通過(guò)使用二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”對(duì)智能超表面的單元編碼，其中“0”或“1”可代表單元不同的電磁參數(shù)，如反/透射幅度、相位、極化等，從而將電磁波在智能超表面的電磁響應(yīng)數(shù)字化，以便于智能超表面的優(yōu)化和設(shè)計(jì)[1]。智能超表面單元上通常加載有高速電響應(yīng)器件（如PIN管、變?nèi)莨芎蚆EMS開關(guān)等），因此可以簡(jiǎn)單、靈活、快速地控制智能超表面單元在“0”或“1”狀態(tài)間切換，且損耗極低。在此基礎(chǔ)上，通常還會(huì)利用 FPGA、單片機(jī)等成熟的數(shù)控手段，將相應(yīng)的編碼序列輸送給智能超表面用以調(diào)控智能超表面各單元的編碼狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)可編程操作，或是直接對(duì)入射電磁波進(jìn)行幅度、相位調(diào)制，從而構(gòu)成新型的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，這樣的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)無(wú)須混頻器和濾波器，降低了對(duì)功放帶寬性能要求。

通過(guò)在智能超表面形成特定的編碼序列，可以使入射智能超表面的電磁波發(fā)生異常反射和異常折射等電磁現(xiàn)象。基于傅里葉變換理論中的時(shí)移特性，將智能超表面的控制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)控諧波幅度/相位的方法，與傳統(tǒng)空間編碼相結(jié)合后，可以實(shí)現(xiàn)電磁波特定的諧波方向圖與強(qiáng)度的獨(dú)立調(diào)控（圖1（a））[2]。若在不同時(shí)間序列上快速切換智能超表面上的編碼，使得其反射相位線性變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射智能超表面電磁波的特定諧波的高效生成，從而實(shí)現(xiàn)非線性調(diào)制（圖1（b））[3]。加入了時(shí)間維度的智能超表面的功能得到了極大的提升，這不僅使得部署有智能超表面的無(wú)線通信系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地改變無(wú)線通信信道，提高無(wú)線通信的性能，構(gòu)成低損耗多終端的無(wú)線中繼（圖1（c））[4]，還可以構(gòu)建基于智能超表面的無(wú)線通信發(fā)射機(jī)（圖1（d））[5]，為下一代無(wú)線通信提供新方案。

圖1 智能超表面的應(yīng)用場(chǎng)景

智能超表面可以用標(biāo)準(zhǔn)的PCB工藝加工制造，其背面是一塊完整的金屬層，用來(lái)反射電磁波；中間是一層低損耗的介質(zhì)板，用來(lái)隔離金屬背板和表層金屬貼片；其表面上的單元加載了高速電響應(yīng)元器件，用以調(diào)控入射到智能超表面上的電磁波的幅度、相位等物理信息。智能超表面會(huì)利用PIN管的斷開和導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)分別實(shí)現(xiàn)單元的“0”和“1”相位狀態(tài)，或是利用變?nèi)莨艿碾娙蓦S反向電壓變化的特性連續(xù)地改變單元的相位響應(yīng)，從而構(gòu)成多比特的相位編碼智能超表面，也可以利用PIN管在半導(dǎo)通狀態(tài)下電阻隨電壓連續(xù)變化的特性改變單元的幅度響應(yīng)，從而構(gòu)成多比特的幅度編碼智能超表面。相較于傳統(tǒng)的電磁超表面，智能超表面的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用其中的高速電響應(yīng)元器件實(shí)現(xiàn)智能超表面單元電磁響應(yīng)的實(shí)時(shí)變化，從而可以快速改變通信信道環(huán)境，提高通信系統(tǒng)的性能和能效。

2 基于時(shí)空調(diào)制的波束調(diào)控方法

在智能超表面中，可以將反射相位相差180°的兩個(gè)狀態(tài)分別編碼為“0”和“1”（以1 bit編碼為例）。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，不同的空間編碼序列（如01010101/1110001）可以形成不同的電磁波波前，即空間電磁波束。

智能超表面除了可以定義在空間域，即使超表面單元的狀態(tài)在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)保持不變。也可以進(jìn)一步擴(kuò)展到時(shí)間域，即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），引入周期性的控制信號(hào)，使超表面單元的狀態(tài)在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)產(chǎn)生多次變化。具體而言，在平面波垂直入射下，時(shí)間調(diào)制的智能超表面散射場(chǎng)可以表示為[3,7]：

其中，Ei表示入射電磁場(chǎng)，Γ(t)表示超表面單元時(shí)變的反射系數(shù)。這里僅對(duì)反射系數(shù)的相位進(jìn)行調(diào)制，假設(shè)其幅度不變。對(duì)式（1）做傅里葉變換，智能超表面的散射場(chǎng)在頻域內(nèi)可以表示為：

其中，δ表示沖擊函數(shù)，*表示卷積操作符，fc表示入射電磁波頻率，f0表示周期調(diào)制頻率，ka表示k階諧波對(duì)應(yīng)的傅里葉系數(shù)。一般而言，入射電磁波頻率遠(yuǎn)大于單元的周期調(diào)制頻率。此外，第k階諧波幅度可以通過(guò)傅里葉變換得到：

其中，T表示調(diào)制頻率周期。根據(jù)式（2）和式（3），通過(guò)設(shè)計(jì)單元反射系數(shù)，可以對(duì)電磁波譜進(jìn)行調(diào)控，這說(shuō)明智能超表面已經(jīng)將對(duì)電磁波的控制能力從空間域擴(kuò)展到了頻域。

同時(shí)在空間域和頻域?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行調(diào)控的智能超表面，即時(shí)空調(diào)制的智能超表面[8]。以包含M×N個(gè)編碼單元的時(shí)空調(diào)制智能超表面為例，如圖2所示，在平面電磁波垂直入射的條件下，時(shí)空調(diào)制的智能超表面電磁波散射方向圖，可表示為：

圖2 時(shí)空調(diào)制的智能超表面概念示意圖

其中，θ和φ分別表示俯仰角和方位角，Emn(θ,φ)表示單元的散射方向圖，d表示單元間距，Γmn(t)表示單元的反射系數(shù)，v表示光速。進(jìn)一步，結(jié)合式（3），可以得到時(shí)空調(diào)制智能超表面的第k階諧波散射方向圖，可表示為：

其中，表示不同單元在第k階諧波處的傅里葉系數(shù)。

由廣義斯涅耳定律可知，空間散射電磁波波前的方向取決于智能超表面上的相位分布。因此，對(duì)于第k階散射諧波的波束控制，根據(jù)式（5），可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同單元在第k階諧波處的傅里葉系數(shù)（）實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步地，依據(jù)同樣的流程，配合一定的優(yōu)化算法[8-9]，可以同時(shí)設(shè)計(jì)在不同階諧波處單元所對(duì)應(yīng)的傅里葉系數(shù)，進(jìn)而同時(shí)對(duì)不同階諧波波束進(jìn)行調(diào)控。時(shí)空調(diào)制的智能超表面可以同時(shí)在頻域和空域控制電磁波，這不僅增加了對(duì)電磁波控制的維度，也相應(yīng)地增加了其處理更復(fù)雜、更多樣信息的能力。

3 基于智能超表面的無(wú)線中繼

智能超表面通過(guò)調(diào)控其亞波長(zhǎng)單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳播特性的智能控制，從而重新配置無(wú)線電磁環(huán)境，成為一種被廣泛討論的新興技術(shù)，在提高移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸速率、覆蓋范圍以及能量效率方面具有巨大潛力。如圖3所示，通過(guò)調(diào)控在無(wú)線信道中智能超表面各單元的反射相位，經(jīng)過(guò)智能超表面反射與其他路徑傳播的信號(hào)最終在用戶端得以同相疊加，以增強(qiáng)接收信號(hào)功率，提高信噪比。傳統(tǒng)的無(wú)線中繼技術(shù)方案通常在半雙工模式或全雙工模式工作。其中，半雙工模式是指中繼器不同時(shí)或在不同頻率處對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收和發(fā)送，該方案的主要缺陷在于需要兩個(gè)正交信道進(jìn)行接收和發(fā)送，以及因此造成的頻譜效率的惡化。而在全雙工模式中，中繼器能夠同時(shí)接收和發(fā)送信號(hào)，并不會(huì)惡化頻譜效率。然而，由于發(fā)送端的大功率信號(hào)會(huì)不可避免地耦合到中繼器的接收端，產(chǎn)生自干擾現(xiàn)象，從而嚴(yán)重限制了中繼器的性能。而基于智能超表面的無(wú)線中繼方案既能夠避免自干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生，又能工作在全雙工模式，加之智能超表面具有體積輕、能耗低、成本低、易部署等優(yōu)點(diǎn)，因而在無(wú)線中繼中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3 基于智能超表面的無(wú)線中繼

關(guān)于智能超表面在無(wú)線中繼中的應(yīng)用，已有很多相關(guān)的研究成果。其中，文獻(xiàn)[10]通過(guò)研究智能超表面的物理和電磁特性，首次建立了不同場(chǎng)景智能超表面在無(wú)線通信鏈路中的自由空間路徑損耗模型。研究者們使用3個(gè)不同尺寸的超表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分別討論了智能超表面自由空間路徑損耗與智能超表面的物理尺寸、智能超表面的近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)、超表面單元散射方向圖，以及超表面與信號(hào)發(fā)射/接收端的距離之間的關(guān)系，為智能超表面融入無(wú)線通信鏈路框架提供了重要的理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[11]研究了智能超表面輔助中繼的單小區(qū)無(wú)線通信系統(tǒng)，通過(guò)單個(gè)智能超表面改善多天線接入點(diǎn)和多個(gè)單天線用戶之間的通信質(zhì)量。在同樣的用戶端接收信噪比條件下，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化接入點(diǎn)天線陣列的發(fā)射方向圖與智能超表面的反射方向圖，最小化接入點(diǎn)的總發(fā)射功率。在這一體系架構(gòu)中，智能超表面主要用于增強(qiáng)現(xiàn)有的通信鏈路性能，并不會(huì)增加額外信息，原有的直接路徑信號(hào)和經(jīng)超表面反射的輔助路徑信號(hào)均攜帶相同的信息，可以在接收端進(jìn)行相干增強(qiáng)，從而最大化接收功率。除了通過(guò)相干增強(qiáng)接收信號(hào)，智能超表面也能利用相干對(duì)消抑制不需要的信號(hào)，文獻(xiàn)[12]通過(guò)調(diào)控智能超表面的反射相位分布，在增強(qiáng)期望信號(hào)的同時(shí)抑制了不期望信號(hào)，可以很大限度地提高通信鏈路的保密性。文獻(xiàn)[13]中提出了智能空間的概念，其特征在于可編程的無(wú)線環(huán)境，可以在無(wú)線空間中改善所需的鏈路質(zhì)量。通過(guò)在建筑物的墻壁中嵌入低成本的超表面器件，在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了改變無(wú)線信道的可行性，將原有2×2 MIMO信道的信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)了26 dB。

4 基于智能超表面的通信系統(tǒng)

由數(shù)字可編程超表面發(fā)展、衍生而成的智能超表面，其典型的應(yīng)用之一是構(gòu)建一種全新架構(gòu)的新型無(wú)線通信系統(tǒng)。作為智能超表面的一項(xiàng)重要應(yīng)用分支，基于智能超表面的新體制無(wú)線通信系統(tǒng)可以直接在超表面上處理數(shù)字信息，即基帶信號(hào)可以通過(guò)超表面直接調(diào)制到載波上，而無(wú)須額外的電路級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換、調(diào)制及混頻過(guò)程。理論分析表明，智能超表面通過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)變的反/透射系數(shù)，在精確設(shè)計(jì)電磁波的幅度譜和相位譜方面具有強(qiáng)大的能力[6]。因此，基于智能超表面的新體制無(wú)線通信是通過(guò)建立基帶信號(hào)和時(shí)變的反/透射系數(shù)之間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。

靈活設(shè)計(jì)具有周期性的時(shí)變反/透射系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電磁波譜幾個(gè)關(guān)鍵特征參數(shù)的自由調(diào)控，包括電磁波的幅度、相位、頻率、極化等。文獻(xiàn)[3]中提出了一種具有二進(jìn)制頻移鍵控（BFSK）調(diào)制方案的新架構(gòu)無(wú)線通信系統(tǒng)，其中智能超表面可以通過(guò)改變時(shí)間編碼序列將能量從載頻傳輸?shù)健?階諧波頻率，從而實(shí)現(xiàn)BFSK通信系統(tǒng)。圖4（a）所示為基于智能超表面的BFSK無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的原理。其信息傳輸過(guò)程主要包括3個(gè)步驟。首先，F(xiàn)PGA基帶模塊生成原始信息（如照片、視頻等）的比特流；其次，將比特流映射到不同的時(shí)間編碼序列集，可以產(chǎn)生BFSK方案所需的特定諧波分布；最后，入射波被時(shí)間編碼序列調(diào)制，由智能超表面?zhèn)鬏敂y帶數(shù)字信息的調(diào)制電磁波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示如圖4（b）所示，其中傳輸?shù)男畔⒃矗▓D片）被無(wú)線接收機(jī)成功接收并完好恢復(fù)，信息的傳輸速率為78.125 kbit/s，頻率為3.6 GHz。

上述BFSK通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)性地驗(yàn)證了基于智能超表面的新體制無(wú)線通信系統(tǒng)的可行性，但其傳輸速率較低、能量利用率低。為了進(jìn)一步提高傳輸速率，文獻(xiàn)[7]提出了一種正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制方案的無(wú)線通信系統(tǒng)。QPSK系統(tǒng)中智能超表面實(shí)物圖和不同發(fā)射功率下測(cè)量的星座圖結(jié)果如圖4（c）所示，從實(shí)測(cè)中可以看出系統(tǒng)的4個(gè)星座點(diǎn)清晰可分辨。最終，QPSK無(wú)線通信系統(tǒng)可以在4 GHz頻率下，以1.6 Mbit/s的信息傳輸速率流暢地傳輸一段高分辨率視頻文件。在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)符合理論標(biāo)準(zhǔn)的星座圖分布以及一些高階調(diào)制方案（如8PSK、16QAM等），文獻(xiàn)[5,14,15]相繼提出了一種基于智能超表面的諧波調(diào)制方法：通過(guò)調(diào)節(jié)智能超表面的時(shí)變反射相位波形，在+1階諧波頻率處合成任意的星座圖。在對(duì)不同調(diào)制方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，文獻(xiàn)[15]制作了一種工作在4.25 GHz頻率附近的智能超表面，可實(shí)現(xiàn)4.25 GHz頻率下反射相位具有360°相位全覆蓋。圖4（d）中分別展示了基于上述智能超表面的無(wú)線通信系統(tǒng)所合成的QPSK、8PSK和16QAM的星座圖。此外，為了衡量發(fā)射機(jī)的通信性能，該工作還測(cè)量了3種調(diào)制方案不同發(fā)射功率對(duì)應(yīng)的誤比特率性能。最終，該系統(tǒng)可以在4.25 GHz處以16QAM實(shí)現(xiàn)10 Mbit/s的通信速率。從這些測(cè)試結(jié)果中可以看出，相比于之前的智能超表面通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳輸速率、星座圖分布和BER特性等無(wú)線通信的關(guān)鍵性能上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

圖4 智能超表面在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

然而，上文所述的基于智能超表面的無(wú)線通信系統(tǒng)并未涉及空域調(diào)制。因此，文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步提出了基于空時(shí)編碼（STC）的智能超表面，可以在空間域中通過(guò)信息編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的空間信息分配，提高通信容量?；谠撝悄艹砻鏄?gòu)建的無(wú)線通信系統(tǒng)可以在多信道無(wú)線通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)空分和頻分復(fù)用技術(shù)：通過(guò)對(duì)優(yōu)化的STC矩陣進(jìn)行編碼，不同的數(shù)字消息可以同時(shí)獨(dú)立直接地傳輸給多個(gè)用戶，從而建立了直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗤ǖ罒o(wú)線通信系統(tǒng)，如圖4（e）所示。在這種情況下，不同的數(shù)據(jù)流直接發(fā)送到位于不同方向的指定用戶。每個(gè)指定用戶通過(guò)特定頻率擁有獨(dú)立的接收信道，而位于其他方向的不想要的用戶無(wú)法恢復(fù)正確的信息。為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)建了一個(gè)雙通道無(wú)線通信系統(tǒng)，將兩張不同的圖片傳輸給兩個(gè)用戶，如圖4（e）所示。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，兩幅不同的圖像以高傳輸速率同時(shí)傳輸給兩個(gè)不同用戶，驗(yàn)證了空間和頻率復(fù)用信息編碼方案的可行性。

總體而言，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均有效證明了新架構(gòu)無(wú)線通信系統(tǒng)的良好性能，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)的架構(gòu)，在未來(lái)的6G通信場(chǎng)景中具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著6G的研究在全球范圍內(nèi)逐漸展開，智能超表面因其獨(dú)特的電磁調(diào)控特性和簡(jiǎn)單的硬件架構(gòu)，成為一種極具潛力的新技術(shù)，可用于改善信道環(huán)境、實(shí)現(xiàn)信息調(diào)制、提高系統(tǒng)性能和降低搭建成本，促進(jìn)了新一代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。