可重構全息超表面輔助衛星通信關鍵技術

胡馨元，鄧若琪，邸博雅，張泓亮，宋令陽,2

專題：6G無線傳輸技術

可重構全息超表面輔助衛星通信關鍵技術

胡馨元1，鄧若琪1，邸博雅1，張泓亮1，宋令陽1,2

（1. 北京大學電子學院，北京 100871；2. 鵬程實驗室，廣東 深圳 518055）

超密集低地球軌道衛星通信網絡能彌補傳統地面網絡頻譜資源稀缺、覆蓋范圍有限的不足，有潛力提供全球大規模接入的高速率服務。由于衛星的高速移動性，衛星通信對天線性能，如波束控制能力和天線增益等，也提出了更為嚴苛的要求。因此，對一種新型的超材料天線——可重構全息超表面（reconfigurable holographic surface，RHS）輔助衛星通信展開了研究。RHS采用全息原理對超材料單元進行電控，從而實現波束成形?；赗HS的硬件結構和全息工作原理，提出了一種RHS輔助多衛星通信方案，該方案同時考慮衛星跟蹤和數據傳輸。同時，設計了全息波束成形優化算法以最大化和速率。仿真結果驗證了所提方案的有效性并表明了相較于傳統相控陣天線，RHS提供了一種成本效益更高的衛星通信支持方式。

可重構全息超表面；全息波束成形；低軌衛星通信

0 引言

近年來，地面通信網絡由于其頻譜資源稀缺和覆蓋范圍有限，難以滿足由大量移動設備和應用程序帶來的爆炸式數據傳輸需求[1]。為了彌補傳統地面通信網絡的不足，新興的低地球軌道（low earth orbit，LEO）衛星通信網絡具有頻帶寬、覆蓋面廣等一系列優勢，有望為地面用戶提供高速率數據服務并且實現全球大規模網絡接入[2]。由于衛星的高移動性和由通信距離長帶來的嚴重路徑損耗，LEO衛星網絡對傳輸性能提出了更為嚴苛的要求，例如，要求天線具有更精準的波束控制能力應對衛星的高移動性，同時還要求天線具有更高的增益對高路損進行補償等。面對LEO衛星網絡對天線性能和傳輸性能的高要求，傳統天線技術難以通過進一步擴大天線規模來提升數據傳輸速率，從而滿足爆炸式的數據需求。這是因為傳統服務于衛星通信的天線大多為碟形天線或相控陣天線，這兩種天線都依賴于笨重的機械器材或者昂貴的硬件組件進行波束調控。因此，傳統天線的質量和硬件成本都會成為天線規模進一步擴大以提供更高數據速率服務的阻礙[3]。

為了克服傳統天線的上述局限性，一種新的傳輸范式——全息多輸入多輸出（holographic multiple input multiple output，HMIMO）被提出。具體而言，在HMIMO中，大量小型且廉價的天線或可重構元件緊湊集成在天線面板上，從而以低成本實現高方向性天線增益[4-5]，為支持衛星通信提供了一種有前景的解決方案。作為一種具有代表性的超材料天線，可重構全息超表面（reconfigurable holographic surface，RHS）由排布緊湊的亞波長超材料單元組成，信號可以在準連續孔徑的超表面上進行傳輸，因此，RHS為實現HMIMO提供了一種切實可行的方法[6]。RHS的緊湊結構也使其可以方便地集成在地面終端，從而作為收發天線支持衛星通信。具體而言，在RHS中，饋源與超表面緊密集成，饋源產生的電磁波（也被稱作參考波）沿著超表面傳播并且逐一激勵輻射單元[7]。RHS的獨特之處在于它可以根據全息干涉原理在超表面上構建全息圖案，基于該全息圖案，超材料輻射單元可通過電控的方式控制電磁波的輻射幅度，以生成所需的定向波束。上述波束成形方法也被稱為全息波束成形[8]。在衛星通信中，RHS集成在地面終端處，通過全息波束成形生成定向波束，與多顆低軌衛星通信。

RHS作為一種新型的超材料天線，現有對RHS的初期研究主要集中在天線硬件結構設計[9]以及提高天線定向增益的軟件控制設計[10]兩個方面。文獻[9]提出了可用于制作RHS的超材料單元，該單元可通過控制二極管開關狀態來控制單元輻射幅值。文獻[10]提出了一種用于RHS的自適應波束控制器，以消除旁瓣并提高方向性增益。正是因為RHS獨特的工作原理和超薄結構，RHS也引起了工業界的廣泛關注，孵化出了各種應用。例如Pivotal Commware公司開發了1～70 GHz的商用定制RHS系統，將全息波束成形技術用于擴展地面通信的覆蓋范圍，構建智能中繼器生態系統[11]。但大多數現有工作僅證明了RHS在靜態地面通信場景中有生成給定目標方向波束的能力，這不能保證RHS在具有高動態性的衛星網絡中能提供良好的服務質量。并且，在衛星通信中以視距（line of sight，LOS）為主的信道與地面通信方案中的信道有所不同，需要新的全息波束成形方案[12]。

為了支持配備RHS的地面用戶終端與多顆衛星的高數據速率通信，本文考慮了RHS輔助LEO衛星通信系統，并探索了RHS輔助多顆衛星通信的可能性。這是一項有挑戰性的工作，原因有如下兩點。第一，全息波束成形方案與衛星的位置密切相關，因此，需要設計一種高效的衛星追蹤方案來應對LEO衛星的移動性，從而避免頻繁的衛星定位；第二，傳統的基于相位控制的模擬波束成形算法無法直接應用于基于幅度控制的全息波束成形優化中，因此，需要設計一種全新的基于幅度控制的全息波束成形優化算法。面對上述挑戰，本文考慮了一種RHS輔助LEO衛星上行通信系統。在此系統中，配備RHS的地面終端上傳用戶數據至多顆LEO衛星進行通信。本文提出了一種包含衛星追蹤和全息波束成形優化的RHS輔助多衛星通信方案。在衛星追蹤方案中，利用衛星的軌道運動規律可以預測衛星位置，有效避免頻繁的衛星定位，便于支持衛星的連續通信。同時，提出了一種最大化和速率的全息波束成形優化算法。仿真結果驗證了該算法的有效性，同時表明了相較于傳統的相控陣天線，RHS提供了一種成本效益更高的方式來支持衛星通信。進一步地，本文還探討了RHS輔助衛星通信中未來可能的發展方向。

1 可重構全息超表面基本介紹

1.1 硬件結構

RHS是一種特殊的漏波天線，由饋源和大量密集的亞波長超材料輻射單元組成，RHS硬件結構如圖1所示。饋源連接到RHS表面邊緣或嵌入RHS底部，向RHS注入攜帶發射信號的電磁波（也被稱為參考波）。在參考波攜帶信號沿RHS表面各輻射單元傳播的過程中，超材料輻射單元受到參考波激勵，將參考波轉化為漏波（也被稱為目標波），從而將信號發射至自由空間，傳遞至接收機處。超材料輻射單元由人造復合材料制成，各單元的電磁響應可獨立控制。具體而言，各單元可通過獨立設置的偏置電壓，改變可調節材料的狀態，實現單元表面電流分布控制，從而影響各單元的輻射電磁波的幅值。最終，各單元輻射的漏波疊加產生發送至各衛星的目標波束[13]。

圖1 RHS硬件結構

值得關注的是，隨著超表面技術的不斷發展，另一種可用于無線通信增強技術的可重構智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）受到了廣泛關注[14]。RIS也是一種超薄可重構表面，具有多個電磁特性可控的超材料單元。RIS可以反射入射信號并通過控制反射電磁波的相位產生指向接收器的定向波束。盡管RHS和RIS均能實現波束成形，但它們在以下3個方面有所不同。

●物理結構：由于RIS的反射特性，RIS的射頻前端位于超表面的外側，與發射器之間需要額外的鏈路連接。相反，RHS的饋源可以集成在印制電路板（printed-circuit board，PCB）中，RHS可直接作為發射/接收天線集成在收發器上，無須外置鏈路。因此RHS的硬件結構相比RIS具有更高的集成度。

●電磁響應機制：RIS作為反射天線，采用并行饋電的方法使所有輻射單元同步受到入射信號激勵，產生響應；RHS采用串行饋電的方式，饋源入射的參考波在RHS表面傳播，逐個激勵輻射單元，向自由空間輻射能量。

●應用場景：由于硬件結構和電磁響應的不同，RHS和RIS分別適用于不同的場景。RIS的典型應用是作為無源中繼，例如，部署在小區邊緣，用于擴大小區覆蓋范圍和提高小區邊緣用戶的性能。由于RHS具有高度集成和超薄結構，其更可能作為集成的發射/接收天線安裝在可移動平臺上，例如RHS更適合在衛星通行系統中提供高吞吐量連接服務。同時，RHS還可以與雷達的收發器集成，用于定位或成像。

1.2 全息波束成形原理

通過把目標波束方向映射為全息圖案實現全息波束成形，其中全息圖案是根據全息干涉原理記錄的攜帶傳輸信號的參考波與目標波束之間的干涉信息[15]。利用全息圖案，RHS可以控制各個輻射單元輻射漏波的幅度，生成目標方向的波束。下面進一步闡述全息波束成形原理。

2 RHS輔助衛星通信系統

本節首先描述衛星通信場景，總體概況包含衛星追蹤和數據傳輸的RHS輔助多衛星通信方案。緊接著，詳細介紹衛星追蹤方案、衛星通信傳輸模型和全息波束成形矩陣。根據衛星通信中信號傳輸的建模，提出了RHS輔助通信系統中最大化和速率的優化算法。結合衛星追蹤與和速率最大化算法，RHS輔助多衛星通信方案可以實現穩定高效的衛星通信。

2.1 RHS輔助衛星通信場景及多衛星通信方案

圖2 RHS輔助多衛星通信系統

圖3 LEO衛星運動軌跡

2.2 衛星追蹤方案

衛星追蹤方案的主要思想是利用衛星位置隨時間的變化規律確定衛星的方位，從而避免頻繁的衛星定位。

2.3 衛星通信傳輸模型

圖4 基于RHS的信號傳輸模型

2.4 全息波束成形矩陣

2.5 衛星系統和速率最大化算法

因此，和速率最大化問題（式（9））等價于：

圖5 RHS輔助地面衛星通信和速率隨RHS單元數的變化

3 RHS輔助衛星通信系統性能分析

本節通過對比RHS輔助衛星通信系統和傳統相控陣輔助衛星系統的和速率、功耗和制作成本，評估RHS的性能表現。

由于亞波長大小的天線制作困難以及緊密間隔天線之間會相互耦合，相控陣的天線距離通常為半波長。這限制了可以部署在給定尺寸的天線陣列中天線單元的數量，從而導致天線增益不足。RHS作為一種超材料天線，其獨特的單元結構使得相鄰RHS單元之間的間距可以小于1/5波長。因此同等面積下，RHS包含的單元數至少是相控陣單元數的6.25倍，具有更精準的波束成形潛力。

除此之外，RHS還有功耗低和硬件成本低兩大優勢。大型傳統相控陣的制作需要高價電子元件，如移相器等[23]，但制作RHS所需的所有組件（如二極管、PCB和直流控制電路）都是大批量商用現成零件，因此RHS的總體制造和硬件成本較低。具體而言，相控陣的硬件成本通常是具有相同單元數量的RHS的硬件成本的2～10倍[11]。同時，相較于相控陣，RHS內部不依賴于有源放大器和復雜的移相電路[24]，只需要簡單的直流偏置電路即可實現波束調控，具有功耗低的優勢。RHS功耗低與硬件成本低的優勢會隨著天線尺寸的增大而變得明顯。相控陣多天線系統受到制作成本約束和功耗約束，難以實現超大規模天線系統的部署。RHS可利用功耗低與硬件成本低的優勢，突破傳統相控陣面臨的瓶頸，進一步提升數據速率，在未來的6G網絡中更具發展前景。

通過MATLAB仿真，可以直觀地看出RHS由硬件成本低帶來的優勢。MATLAB仿真參數設置與第2.3節相同，設置相控陣每個單元的硬件成本是RHS的4倍。定義成本效率為系統和速率與硬件成本的比值。成本效率與單元數量之間的關系如圖6所示。從圖6可以清晰地發現，無論是單衛星場景還是多衛星場景，RHS的單位成本可實現的和速率超過了相控陣單位成本可實現的和速率[25]。

圖6 成本效率與單元數量之間的關系

4 RHS未來研究方向

由于RHS擁有輕薄、硬件成本低、功耗低等一系列優勢，RHS在各類通信場景中具有極大的發展潛力和應用價值，這同時為RHS的關鍵技術研發帶來了一系列挑戰。

4.1 關鍵技術

作為通信系統中的集成天線，RHS需要滿足高輻射效率和高天線增益的要求，這對RHS的尺寸設計和單元間距設計提出了挑戰。在設計RHS輔助通信系統的傳輸方案時，也需要考慮信道估計、資源管理等問題。

●RHS尺寸設計：盡管隨著RHS尺寸的增大，RHS具有更高的天線增益，可以實現更高的和速率，但天線尺寸變大也會提高控制電路設計復雜度。并且隨著RHS尺寸的增大，參考波的能量隨傳播距離的增加逐步下降。當RHS尺寸過大時，參考波傳播到RHS邊緣時能量變弱，這導致RHS邊緣的輻射元件冗余。因此RHS的尺寸設計需要兼顧系統性能、制作難度及成本，綜合考慮各單元的輻射效率與電磁波介質中的傳播衰減，避免輻射單元冗余。

●RHS單元間距設計：理論上，具有較小單元間距的RHS可以生成更窄、更精確的定向波束。但在實際工程中，單元之間的耦合效應會隨間距變小而變得更強。這會影響RHS單元原有的輻射特性，從而影響通信性能。因此，RHS單元間距與耦合效應之間需要更準確的建模，并且單元間距帶來的耦合效應對全息波出成形方案的影響也不能忽視。

●信道估計：因為RHS包含許多密集的輻射單元，所以基于導頻訓練和信道信息反饋的信道估計會產生巨大的開銷。為了減少導頻訓練開銷并實現快速準確的信道估計，需要設計與RHS輔助傳輸的信道特性相結合的導頻波束模式，實現快速準確的信道估計。

●資源管理：在RHS輔助通信中有眾多資源，如制作成本、發射功率、信道等。克服變量之間的耦合，聯合優化全息圖案、發射功率、信道等有限的資源，設計合理的數據傳輸方案可實現RHS輔助通信性能指標最優。

4.2 應用場景

RHS不僅可以應用于本文主要討論的LEO衛星通信，還適用于許多其他場景。下面將寬帶通信和室內通信作為典型應用場景進行介紹。

●寬帶通信：正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）頻譜效率高，是寬帶通信中的主要技術。但當OFDM用于高頻系統時，處于載波頻率的波束會遇到嚴重的波束分裂問題，從而降低數據速率。不同于使用昂貴延遲移相器的傳統波束分裂抑制方法，RHS可利用全息波束成形抑制波束分裂[26]。具體來說，RHS可以通過參考波在不同子信道上傳播，自然地將頻率相關分量引入全息波束成形矩陣，因此，通過優化各波束方向對應全息圖案的疊加系數可以有效消除由波束分裂引起的旁瓣，從而提升OFDM通信系統的性能。

●室內通信：得益于緊湊結構和體積小的優勢，RHS可以部署在室內小型基站處，實現RHS輔助室內通信。在室內場景中，通過聯合優化基于RHS的波束成形方案和位置估計函數，能夠精準確定移動用戶的位置。根據準確的用戶位置，可設計指向不同用戶的窄波束來降低多用戶之間的干擾。同時，通過聯合優化RHS的部署位置和全息波束成形方案，可以達到擴大室內通信覆蓋范圍并提高用戶的服務質量的目的。

5 結束語

本文考慮了可應用于未來6G通信網絡的RHS。RHS可通過全息原理實現精準的波束控制，集成在地面用戶終端上用于衛星通信。本文介紹了RHS的硬件結構及其基本工作原理，同時，研究了RHS輔助衛星通信系統中的關鍵技術，即基于衛星位置隨時間變化規律的衛星追蹤技術與最大化和速率的全息波束成形優化算法。仿真結果驗證了算法的有效性，同時表明，相較于傳統的相控陣天線，RHS提供了一種成本效益更高的方式來支持衛星通信。除此之外，本文還圍繞RHS的未來應用方向，比如RHS輔助下的寬帶通信和室內通信，以及相應的關鍵技術進行了探討。

[1] ANDREWS J G, BUZZI S, CHOI W, et al. What will 5G be? [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014, 32(6): 1065-1082.

[2] DI B Y, SONG L Y, LI Y H, et al. Ultra-dense LEO: integration of satellite access networks into 5G and beyond[J]. IEEE Wireless Communications, 2019, 26(2): 62-69.

[3] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Ultra-dense LEO satellite constellations: how many LEO satellites do we need? [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2021, 20(8): 4843-4857.

[4] PIZZO A, MARZETTA T L, SANGUINETTI L. Spatially-stationary model for holographic MIMO small-scale fading[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2020, 38(9): 1964-1979.

[5] WAN Z W, GAO Z, GAO F F, et al. Terahertz massive MIMO with holographic reconfigurable intelligent surfaces[J]. IEEE Transactions on Communications, 2021, 69(7): 4732-4750.

[6] BADAWE M E, ALMONEEF T S, RAMAHI O M. A true metasurface antenna[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 19268.

[7] HWANG R B. Binary meta-hologram for a reconfigurable holographic metamaterial antenna[J]. Scientific Reports, 2020, 10: 8586.

[8] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Reconfigurable holographic surface: holographic beamforming for metasurface-aided wireless communications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, 70(6): 6255-6259.

[9] SLEASMAN T, IMANI M F, XU W R, et al. Waveguide-fed tunable metamaterial element for dynamic apertures[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016, 15: 606-609.

[10] JOHNSON M C, BRUNTON S L, KUNDTZ N B, et al. Extremum-seeking control of the beam pattern of a reconfigurable holographic metamaterial antenna[J]. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2016, 33(1): 59-68.

[11] Pivotal Commware. Holographic beamforming and phased arrays[EB]. 2019.

[12] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Holographic MIMO for LEO satellite communications aided by reconfigurable holographic surfaces[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2022, 40(10): 3071-3085.

[13] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Reconfigurable holographic surfaces for future wireless communications[J]. IEEE Wireless Communications, 2021, 28(6): 126-131.

[14] DI B Y, ZHANG H L, SONG L Y, et al. Hybrid beamforming for reconfigurable intelligent surface based multi-user communications: achievable rates with limited discrete phase shifts[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2020, 38(8): 1809-1822.

[15] ZHANG H B, ZHANG H L, DI B Y, et al. Holographic integrated sensing and communication[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2022, 40(7): 2114-2130.

[16] HU X Y, DENG R Q, DI B Y, et al. Holographic beamforming for ultra massive MIMO with limited radiation amplitudes: how many quantized bits do we need? [J]. IEEE Communications Letters, 2022, 26(6): 1403-1407.

[17] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Reconfigurable holographic surface-enabled multi-user wireless communications: amplitude-controlled holographic beamforming[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2022, 21(8): 6003-6017.

[18] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. HDMA: holographic-pattern division multiple access[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2022, 40(4): 1317-1332.

[19] SIDIBEH K, VLADIMIROVA T. Wireless communication in LEO satellite formations[C]//Proceedings of 2008 NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems. Piscataway: IEEE Press, : 255-262.

[20] GAO X Y, DAI L L, ZHANG Y, et al. Fast channel tracking for terahertz beamspace massive MIMO systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(7): 5689-5696.

[21] SHEN K M, YU W. Load and interference aware joint cell association and user scheduling in uplink cellular networks[C]// Proceedings of 2016 IEEE 17th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications. Piscataway: IEEE Press, 2016: 1-5.

[22] 3GPP. 3rd generation partnership project; study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz (release 16): TR 38.901 V16.1.0[S]. 2020.

[23] ZHELUDEV N I. Applied physics. The road ahead for metamaterials[J]. Science, 2010, 328(5978): 582-583.

[24] ZHELUDEV N I, KIVSHAR Y S. From metamaterials to metadevices[J]. Nature Materials, 2012, 11(11): 917-924.

[25] SOHRABI F, YU W. Hybrid digital and analog beamforming design for large-scale antenna arrays[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2016, 10(3): 501-513.

[26] DI B Y. Reconfigurable holographic metasurface aided wideband OFDM communications against beam squint[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, 70(5): 5099-5103.

Key technologies of satellite communications aided by reconfigurable holographic surfaces

HU Xinyuan1, DENG Ruoqi1, DI Boya1, ZHANG Hongliang1, SONG Lingyang1,2

1. School of Electronics, Peking University, Beijing 100871, China 2. Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518055, China

Ultra-dense low earth orbit (LEO) satellite communication networks can overcome the scarcity of spectrum resources and the limited coverage of traditional terrestrial networks, and thus have the potential to provide high data rate services and global massive connectivity for terrestrial users. However, due to the high mobility of the satellites, LEO satellite networks put more stringent requirements on antenna technologies in terms of accurate beam steering and high antenna gain. Reconfigurable holographic surface (RHS), as a new type of metamaterial antenna, is investigated to assist LEO satellite communications. The RHS can electronically control the metamaterial units by leveraging the holographic principle to generate desired directional beams. Based on the hardware structure and holographic working principle of RHS, an RHS-assisted multi-satellite communication scheme was proposed, which considered both the LEO satellite tracking scheme and the data transmission scheme. A holographic beamforming optimization algorithm was also designed to maximize the sum rate. Simulation results verify the effectiveness of the proposed scheme and demonstrat that the RHS provids a more cost-effective way to support satellite communications than the conventional phased array antennas.

reconfigurable holographic surface, holographic beamforming, LEO satellite communication

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022273

2022?08?22；

2022?10?11

宋令陽，lingyang.song@pku.edu.cn

國家重點研發計劃項目（No.2020YFB1804800）；國家自然科學基金資助項目（No.62271012，No.6194110）；北京市自然科學基金資助項目（No.L212027，No.4222005）

The National Key Research and Development Program of China (No.2020YFB1804800), The National Natural Science Foundation of China (No.62271012, No.6194110), Beijing Natural Science Foundation (No.L212027, No.4222005)

胡馨元（2000? ），女，北京大學電子學院博士生，主要研究方向為可重構全息超表面。

鄧若琪（1997? ），女，北京大學電子學院博士生，主要研究方向為可重構全息超表面及衛星網絡等。

邸博雅（1992? ），女，博士，北京大學電子學院助理教授，主要研究方向為無線通信、邊緣計算、車載網絡、智能反射面和非正交多址接入等。

張泓亮（1992? ），男，博士，北京大學電子學院助理教授，主要研究方向為可重構智能表面、空中接入網絡、優化理論和博弈論等。

宋令陽（1979? ），男，博士，北京大學電子學院教授，主要研究方向為無線通信和網絡、MIMO、OFDMA以及信號處理和機器學習等。