智能超表面在波束及信息調控中的應用

程強，戴俊彥，柯俊臣，梁竟程，王思然

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

1 引言

未來的通信系統對時延、吞吐量以及可靠性等方面提出了更高的要求，特別是在未來的大規模工業物聯網以及車聯網應用中，大量需求還未得到滿足。在當下5G系統部署中，成本、能耗以及系統設計復雜度還存在諸多不足，其在實際應用中還存在許多問題。面向6G超大規模MIMO和太赫茲無線通信，傳統無線收/發機硬件架構面臨高復雜度、高成本、高能耗等挑戰，因此探索新體制收/發機架構具有重要意義。傳統無線通信系統無法主動控制無線信道環境，只能通過信道測量建立信道模型并設計收/發機算法。探索突破傳統無線信道不可控特性，重塑無線傳播環境，進而大幅提升無線通信系統性能，將為無線通信的發展提供新的可能。

智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）是一種在亞波長尺度上設計結構單元，并安排單元的排列組合以實現操控電磁波的幅度、相位、極化和頻率等信息的二維人工表面。通過使用二進制數字“0”和“1”對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，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數字化，以便于智能超表面的優化和設計[1]。智能超表面單元上通常加載有高速電響應器件（如PIN管、變容管和MEMS開關等），因此可以簡單、靈活、快速地控制智能超表面單元在“0”或“1”狀態間切換，且損耗極低。在此基礎上，通常還會利用 FPGA、單片機等成熟的數控手段，將相應的編碼序列輸送給智能超表面用以調控智能超表面各單元的編碼狀態，進而實現遠場方向圖的實時現場可編程操作，或是直接對入射電磁波進行幅度、相位調制，從而構成新型的發射機系統，這樣的發射機系統無須混頻器和濾波器，降低了對功放帶寬性能要求。

通過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生異常反射和異常折射等電磁現象。基于傅里葉變換理論中的時移特性，將智能超表面的控制信號進行適當的延時，可實現獨立調控諧波幅度/相位的方法，與傳統空間編碼相結合后，可以實現電磁波特定的諧波方向圖與強度的獨立調控（圖1（a））[2]。若在不同時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，可以實現對入射智能超表面電磁波的特定諧波的高效生成，從而實現非線性調制（圖1（b））[3]。加入了時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線通信系統可以動態地改變無線通信信道，提高無線通信的性能，構成低損耗多終端的無線中繼（圖1（c））[4]，還可以構建基于智能超表面的無線通信發射機（圖1（d））[5]，為下一代無線通信提供新方案。

圖1 智能超表面的應用場景

智能超表面可以用標準的PCB工藝加工制造，其背面是一塊完整的金屬層，用來反射電磁波；中間是一層低損耗的介質板，用來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元器件，用以調控入射到智能超表面上的電磁波的幅度、相位等物理信息。智能超表面會利用PIN管的斷開和導通兩個狀態分別實現單元的“0”和“1”相位狀態，或是利用變容管的電容隨反向電壓變化的特性連續地改變單元的相位響應，從而構成多比特的相位編碼智能超表面，也可以利用PIN管在半導通狀態下電阻隨電壓連續變化的特性改變單元的幅度響應，從而構成多比特的幅度編碼智能超表面。相較于傳統的電磁超表面，智能超表面的優點在于可以利用其中的高速電響應元器件實現智能超表面單元電磁響應的實時變化，從而可以快速改變通信信道環境，提高通信系統的性能和能效。

2 基于時空調制的波束調控方法

在智能超表面中，可以將反射相位相差180°的兩個狀態分別編碼為“0”和“1”（以1 bit編碼為例）。根據文獻[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在一個調制周期內保持不變。也可以進一步擴展到時間域，即通過現場可編程門陣列（FPGA），引入周期性的控制信號，使超表面單元的狀態在一個調制周期內產生多次變化。具體而言，在平面波垂直入射下，時間調制的智能超表面散射場可以表示為[3,7]：

其中，Ei表示入射電磁場，Γ(t)表示超表面單元時變的反射系數。這里僅對反射系數的相位進行調制，假設其幅度不變。對式（1）做傅里葉變換，智能超表面的散射場在頻域內可以表示為：

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

其中，T表示調制頻率周期。根據式（2）和式（3），通過設計單元反射系數，可以對電磁波譜進行調控，這說明智能超表面已經將對電磁波的控制能力從空間域擴展到了頻域。

同時在空間域和頻域對電磁波進行調控的智能超表面，即時空調制的智能超表面[8]。以包含M×N個編碼單元的時空調制智能超表面為例，如圖2所示，在平面電磁波垂直入射的條件下，時空調制的智能超表面電磁波散射方向圖，可表示為：

圖2 時空調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，v表示光速。進一步，結合式（3），可以得到時空調制智能超表面的第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。

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，對于第k階散射諧波的波束控制，根據式（5），可以通過設計不同單元在第k階諧波處的傅里葉系數（）實現。進一步地，依據同樣的流程，配合一定的優化算法[8-9]，可以同時設計在不同階諧波處單元所對應的傅里葉系數，進而同時對不同階諧波波束進行調控。時空調制的智能超表面可以同時在頻域和空域控制電磁波，這不僅增加了對電磁波控制的維度，也相應地增加了其處理更復雜、更多樣信息的能力。

3 基于智能超表面的無線中繼

智能超表面通過調控其亞波長單元可以實現對電磁波傳播特性的智能控制，從而重新配置無線電磁環境，成為一種被廣泛討論的新興技術，在提高移動通信系統傳輸速率、覆蓋范圍以及能量效率方面具有巨大潛力。如圖3所示，通過調控在無線信道中智能超表面各單元的反射相位，經過智能超表面反射與其他路徑傳播的信號最終在用戶端得以同相疊加，以增強接收信號功率，提高信噪比。傳統的無線中繼技術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或在不同頻率處對信號進行接收和發送，該方案的主要缺陷在于需要兩個正交信道進行接收和發送，以及因此造成的頻譜效率的惡化。而在全雙工模式中，中繼器能夠同時接收和發送信號，并不會惡化頻譜效率。然而，由于發送端的大功率信號會不可避免地耦合到中繼器的接收端，產生自干擾現象，從而嚴重限制了中繼器的性能。而基于智能超表面的無線中繼方案既能夠避免自干擾現象的產生，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、易部署等優點，因而在無線中繼中具有很大的發展潛力。

圖3 基于智能超表面的無線中繼

關于智能超表面在無線中繼中的應用，已有很多相關的研究成果。其中，文獻[10]通過研究智能超表面的物理和電磁特性，首次建立了不同場景智能超表面在無線通信鏈路中的自由空間路徑損耗模型。研究者們使用3個不同尺寸的超表面進行了實驗測量，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/遠場效應、超表面單元散射方向圖，以及超表面與信號發射/接收端的距離之間的關系，為智能超表面融入無線通信鏈路框架提供了重要的理論指導。文獻[11]研究了智能超表面輔助中繼的單小區無線通信系統，通過單個智能超表面改善多天線接入點和多個單天線用戶之間的通信質量。在同樣的用戶端接收信噪比條件下，通過聯合優化接入點天線陣列的發射方向圖與智能超表面的反射方向圖，最小化接入點的總發射功率。在這一體系架構中，智能超表面主要用于增強現有的通信鏈路性能，并不會增加額外信息，原有的直接路徑信號和經超表面反射的輔助路徑信號均攜帶相同的信息，可以在接收端進行相干增強，從而最大化接收功率。除了通過相干增強接收信號，智能超表面也能利用相干對消抑制不需要的信號，文獻[12]通過調控智能超表面的反射相位分布，在增強期望信號的同時抑制了不期望信號，可以很大限度地提高通信鏈路的保密性。文獻[13]中提出了智能空間的概念，其特征在于可編程的無線環境，可以在無線空間中改善所需的鏈路質量。通過在建筑物的墻壁中嵌入低成本的超表面器件，在實驗中驗證了改變無線信道的可行性，將原有2×2 MIMO信道的信號強度增強了26 dB。

4 基于智能超表面的通信系統

由數字可編程超表面發展、衍生而成的智能超表面，其典型的應用之一是構建一種全新架構的新型無線通信系統。作為智能超表面的一項重要應用分支，基于智能超表面的新體制無線通信系統可以直接在超表面上處理數字信息，即基帶信號可以通過超表面直接調制到載波上，而無須額外的電路級數模轉換、調制及混頻過程。理論分析表明，智能超表面通過設計時變的反/透射系數，在精確設計電磁波的幅度譜和相位譜方面具有強大的能力[6]。因此，基于智能超表面的新體制無線通信是通過建立基帶信號和時變的反/透射系數之間的映射關系實現的。

靈活設計具有周期性的時變反/透射系數，可以實現電磁波譜幾個關鍵特征參數的自由調控，包括電磁波的幅度、相位、頻率、極化等。文獻[3]中提出了一種具有二進制頻移鍵控（BFSK）調制方案的新架構無線通信系統，其中智能超表面可以通過改變時間編碼序列將能量從載頻傳輸到±1階諧波頻率，從而實現BFSK通信系統。圖4（a）所示為基于智能超表面的BFSK無線通信系統發射機的原理。其信息傳輸過程主要包括3個步驟。首先，FPGA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間編碼序列集，可以產生BFSK方案所需的特定諧波分布；最后，入射波被時間編碼序列調制，由智能超表面傳輸攜帶數字信息的調制電磁波。實驗結果展示如圖4（b）所示，其中傳輸的信息源（圖片）被無線接收機成功接收并完好恢復，信息的傳輸速率為78.125 kbit/s，頻率為3.6 GHz。

上述BFSK通信系統實驗性地驗證了基于智能超表面的新體制無線通信系統的可行性，但其傳輸速率較低、能量利用率低。為了進一步提高傳輸速率，文獻[7]提出了一種正交相移鍵控（QPSK）調制方案的無線通信系統。QPSK系統中智能超表面實物圖和不同發射功率下測量的星座圖結果如圖4（c）所示，從實測中可以看出系統的4個星座點清晰可分辨。最終，QPSK無線通信系統可以在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。在此基礎上，為了實現符合理論標準的星座圖分布以及一些高階調制方案（如8PSK、16QAM等），文獻[5,14,15]相繼提出了一種基于智能超表面的諧波調制方法：通過調節智能超表面的時變反射相位波形，在+1階諧波頻率處合成任意的星座圖。在對不同調制方案的實驗驗證中，文獻[15]制作了一種工作在4.25 GHz頻率附近的智能超表面，可實現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線通信系統所合成的QPSK、8PSK和16QAM的星座圖。此外，為了衡量發射機的通信性能，該工作還測量了3種調制方案不同發射功率對應的誤比特率性能。最終，該系統可以在4.25 GHz處以16QAM實現10 Mbit/s的通信速率。從這些測試結果中可以看出，相比于之前的智能超表面通信系統，該系統在傳輸速率、星座圖分布和BER特性等無線通信的關鍵性能上都有了長足的進步。

圖4 智能超表面在無線通信系統中的應用

然而，上文所述的基于智能超表面的無線通信系統并未涉及空域調制。因此，文獻[9]進一步提出了基于空時編碼（STC）的智能超表面，可以在空間域中通過信息編碼來實現可調控的空間信息分配，提高通信容量。基于該智能超表面構建的無線通信系統可以在多信道無線通信系統中實現空分和頻分復用技術：通過對優化的STC矩陣進行編碼，不同的數字消息可以同時獨立直接地傳輸給多個用戶，從而建立了直接數據傳輸的多通道無線通信系統，如圖4（e）所示。在這種情況下，不同的數據流直接發送到位于不同方向的指定用戶。每個指定用戶通過特定頻率擁有獨立的接收信道，而位于其他方向的不想要的用戶無法恢復正確的信息。為了進行實驗驗證，構建了一個雙通道無線通信系統，將兩張不同的圖片傳輸給兩個用戶，如圖4（e）所示。實測結果表明，兩幅不同的圖像以高傳輸速率同時傳輸給兩個不同用戶，驗證了空間和頻率復用信息編碼方案的可行性。

總體而言，仿真和實驗結果均有效證明了新架構無線通信系統的良好性能，簡化了傳統無線通信系統的架構，在未來的6G通信場景中具有廣闊的應用前景。

5 結束語

隨著6G的研究在全球范圍內逐漸展開，智能超表面因其獨特的電磁調控特性和簡單的硬件架構，成為一種極具潛力的新技術，可用于改善信道環境、實現信息調制、提高系統性能和降低搭建成本，促進了新一代無線通信技術的發展與應用。