透射可重構超表面多天線通信系統

李博江/LI Bojiang，李振東/LI Zhendong，陳文/CHEN Wen

（上海交通大學，中國上海 200240）

1 可重構超表面的研究背景

2019 年，三大運營商陸續公布5G 商用套餐，標志著中國正式進入5G商用時代。5G帶給人們更好的通信使用體驗和更廣泛的應用范圍。然而，技術的升級換代也會導致資源需求激增。5G 所使用的頻段更高，基站的覆蓋范圍更小，在滿足更高技術要求的同時會帶來能耗和成本的增加。根據中國鐵塔的統計，目前5G 單基站滿載功率近3 700 W，是4G單基站的2.5～3.5倍，其中增加的功耗主要源于基帶信號的調制和發射。因此，尋求一種低功耗和低成本的新型收發裝置成為B5G乃至6G技術發展的一個亟待解決的問題[1]。

1.1 可重構超表面簡介

5G 基站配備了大量由射頻天線組成的大規模多輸入多輸出（MIMO）陣列和信號處理模塊。在無線網絡中，為了擴大網絡覆蓋率，實現高可靠傳輸，基站還需要額外配備一些中繼器或射頻拉遠頭（RRH）。這些器件通常都是有源的，這無疑增加了整個系統的能耗和復雜度[2]?？芍貥嫵砻妫≧MS），也被稱為智能超表面（RIS），被認為是一種降低系統功耗和成本的解決方案。RMS 主要由大量無源的超材料元件構成。超材料是將材料內部的原子進行人工重新排列組合得到的物質，不同的排列組合方式也就決定了材料會具有不同的物理化學性質。這些超材料可以由二極管、三極管、微機電系統（MEMS）、石墨烯、溫敏器件、光敏器件等構成，在不同電壓下可以實現“通”或“斷”的狀態，因而具有動態編碼能力。這使得超表面可以通過內置的控制芯片來改變入射電磁波的幅度和相位，從而實現信號的波束賦形和無線信道的重構。與中繼不同的是，RMS 一般不包含射頻鏈路，因而無法對信號進行解碼轉發或放大轉發。但正是也得益于此，RMS 的實現復雜度以及自干擾和噪聲問題才得以有效解決[3]。根據對信號操作方式的不同，RMS可以被分為反射型RMS 和透射型RMS 兩種。具體來說，反射型RMS 通信的饋源與接收機在RMS 的同一側，而透射型RMS通信的饋源與接收機在RMS的不同側[4]。它們都能提升整個系統的頻譜效率、能量利用效率和網絡覆蓋范圍。

1.2 反射型RMS

目前關于反射RMS 的研究已取得較大進展。由于具有類似光學的反射特性和可重構性，反射型RMS 可以用于加強非視距路徑信道增益。反射型RMS 主要部署在基站或用戶端周圍，根據信道特性的變化動態調整反射因子，可以實現頻譜效率的提高和系統能耗的優化。當視距路徑被遮擋時，由多個RMS 構成的散射路徑可提高信號的分集增益。目前，已經有很多工作研究了基于反射型RMS 的系統資源與反射因子優化問題。中興通訊股份有限公司等成立了主要以反射型RMS 為研究課題的項目組。反射型RMS 的推廣與應用已經初見成效。

1.3 透射型RMS

對于透射型RMS 的研究目前還處于起步階段。通過調節超材料元件的反射特性，就可以將信號透射穿過超表面。相較于反射型超表面，透射型超表面具有以下幾個優點：

（1）無自干擾。在信號收發端距離較近的情況下，當利用反射型RMS 時，饋源與用戶位于RMS 的同一側，用戶在收發信息時容易產生自干擾；而當利用透射型RMS 時，饋源與用戶位于RMS 的不同側，使自干擾問題不易產生，更適用于用戶密集的場景。

（2）無饋源遮擋。對于反射型RMS，用戶接收到的電磁波容易被同側的饋源吸收，而透射型RMS 分隔了饋源與用戶，因而不存在這一問題。

（3）更高的孔徑效率。研究表明，高頻條件下RMS 的透射因子一般要高于反射因子，這使得透射型RMS 可以具有更高的孔徑效率[5]。

（4）更大的工作帶寬。研究表明，透射型超表面的相位差較穩定，因而具有更大的工作帶寬[5]。

2 基于透射型RMS的多天線系統

圖1是一種基于透射型RMS的多天線系統架構，收發機由透射型RMS和射頻天線構成，并通過內置芯片進行控制。RMS 支持全雙工工作模式，可以利用不同的通信資源進行上行和下行通信。RMS的第m個單元的透射因子表示為：

圖1 基于透射型可重構超表面的多天線通信系統

其中βm∈[0,1]、θm∈[0,2π)分別表示RMS 第m個單元的振幅和相移。收發機的基本功能包括兩個方面：可通過控制器芯片實現編程控制，在控制器內實現信息調制和波束賦形。

2.1 透射RMS下行空間分集

基于透射型RMS 的多天線系統在下行鏈路采用空分多址接入（SDMA）方式，即在饋源布置一根天線，使得電磁波通過透射大規模RMS 實現空間分集。在通信過程中，信源將信息發送到RMS 控制器內進行調制和波束賦形，并通過RMS 的大規模點陣向外發射電磁波。RMS 控制器根據信道狀態信息和波束賦形參數動態調節超表面上每個單元的透射系數，最大限度地提高頻譜效率和能量利用效率。

2.2 透射RMS上行頻率分集

由于饋源為單天線，基于透射型RMS 的多天線系統在上行鏈路采用正交頻分多址接入（OFDMA）方式，實現多用戶頻率分集。上行信號同樣經過RMS 被轉發送入控制芯片，以進行解碼和解調。聯合優化多用戶功率分配、子載波分配和RMS 傳輸系數有助于使系統狀態達到最優，使速率達到最大。由于優化變量的高度耦合，該問題是一個非凸優化問題，因此可應用基于拉格朗日對偶分解法的交替優化算法、差分凸規劃、逐次凸逼近法和罰函數法來解決。

2.3 RMS高階調制

在調制方法上，透射型RMS多天線系統可沿用傳統的恒包絡和非恒包絡調制。恒包絡調制包括二進制相移鍵控（BPSK）、正交相移鍵控（QPSK）等。超材料元件具有二進制特性，可以實現1 bit或2 bit的編程控制。雖然更高階的相移鍵控在理論上也可以實現，但是因為一個元件僅能夠實現1 bit控制，更高階的相移鍵控勢必會需要更多的超材料元件，而空間條件的限制會使這種超表面在物理上很難實現。恒包絡調制的控制自由度只有一個。一些非恒包絡調制，例如高階的正交幅度調制（16QAM、256QAM等），需要同時控制幅度和相位兩個參數，然而現有的技術條件還無法實現。大部分高階調制通過非恒包絡調制來提高系統傳輸速率，這使得透射型超表面多天線系統的傳輸速率受到一定的限制。

為了解決這個問題，可以使用非線性調制技術（即時序調制）來實現高階相位和振幅聯合調制。值得注意的是，在采用時間調制后，控制信號的波形具有兩個控制自由度，即相位開始時間和傳導持續時間。通過展開控制符號的傅里葉級數，我們可以得到其在l階諧波（基波）上的振幅和相移。通過設置兩個自由度，系統可以獨立調整基波的振幅和相移，還可以實現相應的調制方案與基波的幅度和相位之間的映射關系，即可以實現相位和幅度的聯合調制。因此，采用時間調制方案可以實現16QAM或更高階QAM，極大地提高系統的傳輸速率[6]。

2.4 信道模型

透射型RMS 多天線系統的信道模型可以分為近場模型和遠場模型。模型根據瑞利距離2D2/λ 來劃分，其中D和λ分別表示天線陣列孔徑和電磁波波長。當收發機距離大于瑞利距離時，信道被視為遠場模型，波陣面被近似視為平面波；當收發機距離小于瑞利距離時，信道被視為近場模型，波陣面被視為球面波。RMS 到用戶處的距離一般大于瑞利距離，因此信道模型被視為遠場信道，且RMS-用戶信道有視距路徑和非視距路徑，服從萊斯分布。視距路徑信道可以被建構為均勻平面陣列；非視距路徑信道路徑分量獨立同分布服從于零均值，單位方差的圓對稱復高斯分布。饋源到RMS 的距離要小于瑞利距離，因此信道模型被視為近場信道。饋源到RMS 之間沒有遮擋，因此可以直接被建構為視距路徑的均勻平面陣列模型[7]。

2.5 信道估計

當完成信道建模后，在信號發射接收前還需要知道下行/上行信道狀態信息，以便實時調整發射功率、RMS透射因子和波束賦形矢量等參數。透射型RMS多天線系統的信道估計可以分為饋源-RMS和RMS-用戶兩個部分。前者被視為近場信道，相應的信道狀態信息可以很方便地被計算或測量出；后者為遠場信道，由于此時每個用戶同時有視距和非視距路徑，相應的信道狀態信息需要通過一些信道估計方法才能得出。通常情況下，由于系統的上下行鏈路在相同頻率資源的不同時隙上傳輸，在相對較短的時間內（信道傳播的相干時間），我們可以認為上行鏈路和下行鏈路的傳輸信號所經歷的信道衰落是相同的，即所謂的信道互易性。因此，可以通過估計上行鏈路來獲得下行信道的狀態信息。目前的信道估計方法主要分為直聯型信道估計[8]和可分離的信道估計[9]。

直聯型信道估計就是將兩部分信道合并估計，常見的直聯型信道估計方法主要有：基于信道稀疏性的消息傳遞算法、基于信道相關性的估計算法、基于分解和插值恢復的信道估計算法、利用聯邦學習和深度學習的神經網絡估計算法。基于神經網絡的信道估計算法正符合近年來發展迅速的人工智能技術與5G 通信結合的趨勢。該方法將人工智能技術的高效、多連接和去中心化等特點與通信系統的高速率、高可靠性和海量連接等關鍵指標完美融合。

可分離的信道估計分別對饋源-RMS 和RMS-用戶信道進行估計。具體做法是：在RMS 上布置部分有源元件，收發機和用戶分別向超表面發送用于信道估計的導頻序列，隨后通過RMS的有源元件獲取兩段級聯信道的信道狀態信息。這樣做的好處是降低了導頻開銷，但同時超表面還須將信道狀態信息回傳到收發機和用戶處以實現波束賦形，反而降低了傳輸效率。透射型超表面多天線系統主要運用直聯型信道估計方法，在近場信道狀態信息測量得到后，通過數據處理方法得到遠場信道狀態信息。

3 透射RMS多天線系統應用

基于透射RMS 的多天線系統具有低功耗、低成本的優勢，在未來具有很好的應用前景。

（1）RMS 與非正交多址接入結合的通信系統。非正交多址接入是多址接入的一項新技術，它顛覆了正交多址接入中一個無線資源（頻率、時間、編碼）只能分給一個用戶使用的概念，采用功率復用的方式將一個資源分配給多個用戶，有效提高了系統的頻譜效率、吞吐量和接入數量。非正交多址接入在發射端使用功率復用技術，并在接收端采用串行干擾刪除以消除多徑干擾，很好地提升了透射型超表面多天線系統的性能。然而，復雜的接收算法和接收機設計將成為當前的巨大挑戰[10]。

（2）RMS與速率分割多址接入結合的通信系統。速率分割多址接入結合了空分多址接入和非正交多址接入，其原理是將用戶的信息分為共同部分和私有部分，并將所有用戶共同部分的信息合并，然后將其與用戶的私有部分一起送入信道，在接收端根據串行干擾刪除進行規則解碼。這種技術彌補了空分多址接入只能在強干擾條件以及非正交多址接入只能在弱干擾條件下工作的缺點，提高了系統的抗干擾能力和總通信速率。這種技術在最近被廣泛地研究，它與透射RMS大規模多天線系統的結合會是一個有潛力的發展方向[11]。

（3）RMS 與人工智能結合的通信系統。RMS 的可重構性和低功耗等特點可以結合人工智能技術給通信系統帶來一次全新的變革。根據卷積神經網絡和循環神經網絡的概念，將RMS 上的超材料原子視為神經網絡中的神經元，可以構建一個低功耗神經網絡通信系統，這將極大提高通信系統的成像、感知和識別能力。一些機器學習的架構，如深度學習、聯邦學習等，用在信號監測、信道估計、波束賦形矢量設計等通信模塊上，在減小算法復雜度的同時還可以提高系統傳輸性能。目前，基于人工智能的通信系統模型正在快速發展，將在未來5G和6G的發展中占據重要地位[12]。

（4）RMS 與移動邊緣計算結合的通信系統。移動邊緣計算是蜂窩通信下的一種新穎的數據處理方式。以往設備終端需要同時采集和處理數據，而利用5G 的低時延、高可靠性特點，可以將數據上傳至具有高算力的中心服務器，再將結果反饋給終端。這種方式不需要終端進行大量計算，從而在物聯網中極大節省了設備的功耗和算力，也保證了數據獲取的可靠性。透射RMS 多天線基站與邊緣計算結合可以提升系統物理層性能，優化系統資源[13]。

（5）RMS與車聯網結合的通信系統。第3代合作伙伴計劃（3GPP）第16 版公布了基于5G 新空口（5G NR）的蜂窩式車聯網標準。車聯網已成為5G中最有潛力的應用場景?；诔砻娴耐干?，車聯網系統演進并形成了兩種側鏈模式（主動發送和被動透射模式），可以隨時根據資源分配情況動態優化系統負載和能耗。此外，這兩種模式所具有的獨特幀結構可以大大減少信令開銷。如今RMS在車聯網中的應用尚處于萌芽階段，相關技術難點還需要更多的研究來解決[14]。

4 結束語

在5G加速部署的大環境下，5G的一些優點和缺點都會被放大。在追求極致通信的有效性和可靠性的同時，系統對資源和技術的要求勢必會更加嚴格。RMS 具有的低能耗、低成本和可重構性等特點，能彌補5G 在這方面的不足。改變RMS 的傳播特性可以實現基于透射和反射兩種架構的通信系統?；谕干銻MS 多天線系統具有更好的抗干擾能力和頻譜、能量使用效率，這為B5G/6G 無線收發機架構設計提供了新的思路。RMS 不僅能適應原有系統的調制、波束賦形和信道估計等，還能結合非正交多址接入、人工智能、移動邊緣計算、車聯網和速率分割多址接入等新技術在B5G/6G 時代大放異彩。目前，學術界和工業界已開展RMS技術和應用的深入研究，更多關于RMS 的關鍵技術還有待挖掘。雖然目前有關RMS的應用仍有許多亟待解決的問題，但是我們相信在未來通信系統中RMS會占據一席之地。