基于可重構智能表面的移動通信簡要綜述

周儒雅　唐萬愷　李瀟　金石

【摘? 要】現代移動通信的發展揭示了無線信道的隨機性和不確定性是影響無線傳輸質量的關鍵因素，發射機的無線電波在傳輸過程中與傳輸路徑上各種物體不可控制的相互作用，導致接收端信號質量降低，目前正興起的6G使能技術研究中，可重構智能表面是被積極探索的新興范式。通過對可重構智能表面的概念、基于可重構智能表面的信息調制、基于可重構智能表面的無線中繼、以及未來研究方向四個方面進行簡要綜述和討論，揭示了可重構智能表面輔助的移動通信系統有潛力使網絡運營商通過主動控制無線電波的反射來克服自然無線傳播的負面影響，重塑無線傳播環境，進而大幅提升通信性能。

【關鍵詞】6G;可重構智能表面;直接調制;中繼

0? ?引言

蜂窩移動通信系統大約每十年更新一代，基本發展思路是通過引入新的關鍵使能技術來提高服務質量。第五代移動通信（5G）的目標是提供更高標準的移動通信基礎設施，支持多種場景，如增強移動寬帶通信、海量物聯網、超高可靠超低時延通信等。同時，移動通信網絡正在向軟件定義的模式發展，即通過軟件實現對網絡的實時配置和優化。但是無線環境的隨機性和不確定性導致移動通信網絡仍然有很多不可控因素存在。隨著未來第六代移動通信（6G）的研究拉開序幕，6G被認為將以全覆蓋、全頻譜、全應用、強安全的形式滿足人們日益增長的各類通信需求。6G將提供更大的容量、極低的延遲、高可靠性、高安全性和全空間覆蓋。探索突破傳統無線信道不可控因素，重塑無線傳播環境，為6G的發展提供了新的思路。

近兩年來，可編程超表面技術引起了移動通信領域的極大關注。可編程超表面由東南大學崔鐵軍院士團隊在2014年首次提出并進行了實驗驗證[1]，其基本結構如圖1所示。可編程超表面是一種具有可編程電磁特性的二維薄層人工電磁表面結構，可以應用于從微波到可見光的各種頻段中[2]。可編程超表面由精心設計的電磁單元規則排列組成，這些電磁單元通常由金屬、介質和可調元件構成。通過控制電磁單元中的可調元件，以可編程方式更改反射電磁波的電磁參數，例如相位和幅度。這一過程提供了超表面的物理電磁世界和信息科學的數字世界之間的接口[3]，對于移動通信應用尤其有吸引力。

可重構智能表面由可編程超表面構成和使能，可以實現對移動通信中的電磁信號進行實時調控。可重構智能表面目前在移動通信領域的研究主要集中在兩個方向。

方向一為基于可重構智能表面的直接信息調制。由于毫米波通信和大規模多輸入多輸出系統都對高性能的射頻鏈路有極大的需求，同時，射頻端硬件復雜度提升導致了高成本和高功耗的問題。可重構智能表面因結構輕薄、成本可控以及具有對電磁波電磁參數靈活調控的卓越能力，成為有可能替代傳統發射鏈路的新體制陣列式發射機架構，利用可重構智能表面可以實現基帶信息直接調制至射頻載波。

方向二為基于可重構智能表面的無線中繼。可重構智能表面通過人為調整無線信道環境，從而顯著提高通信設備之間的傳輸性能。無線信號從發射端到達接收端的過程中會因為傳輸環境中物體的吸收以及空間內信號的自然擴散而產生一定的衰減和散射，導致接收端恢復信號的運算復雜度增加以及性能下降。傳統移動通信系統無法人為操控無線信道環境，只能通過大量的信道測量來建模信道特性并在收發兩端精心設計收發機算法。而在通信系統中引入可重構智能表面后，通過靈活控制電磁波傳輸的方式，可以實現對無線傳播環境的主動改善。基于可重構智能表面的無線中繼可在無線信道中對電磁信號進行重定向和波束賦形，更加高效地利用無線信號能量，提高系統性能。

1? ?基于可重構智能表面的信息調制

可重構智能表面可以有效地直接調控電磁信號的波前和各種電磁參數，例如相位、振幅、頻率、甚至極化，而無需復雜的基帶處理和射頻收發操作，因而可被用于探索新型發射機架構，對信號進行直接調制。如圖2所示，數字基帶信號通過數模轉換器后控制可重構智能表面的反射相位或幅度特性，從而對由饋電天線入射的單音電磁信號進行信息調制。

文獻[4]提出了一種產生和控制非線性響應的新途徑，即利用具有動態可編程相位響應的時域數字編碼可重構智能表面來調制反射電磁信號。其中可重構智能表面的離散反射相位狀態由數字編碼序列控制，通過外部控制信號精確調控。文獻[4]使用時域數字編碼可重構智能表面來代替傳統外差結構發射機中由數模轉換器、濾波器、混頻器、功率放大器組成的射頻鏈路，實現了BFSK調制。基于可重構智能表面的信息調制方式顯示出在不需要混頻器的情況下將數字信號嵌入射頻載波信號中的優異能力，因此可以作為新體制陣列通信系統的理想平臺，簡化了硬件架構，降低了系統的復雜度、成本和能耗。

文獻[5]在基于可重構智能表面的移動通信系統中實現了單載波正交相移鍵控（QPSK）空中傳輸。根據基帶控制信號直接實時控制可重構智能表面反射電磁波的相位，實現了2.048 Mbit/s的數據傳輸速率，并進行了視頻流的空中傳輸。與傳統系統相比，大幅降低了發射機硬件復雜度。文獻[6]改進了組成可重構智能表面的電磁單元的結構，將其相位調控范圍擴展到360°全覆蓋，并采用與文獻[5]中同樣的外部電壓信號控制方式，基于可重構智能表面實現了8PSK直接調制。此外，文獻[7]和[8]也分別構建和實現了基于可重構智能表面的QPSK和8PSK發射機。文獻[9]中通過基于PIN二極管的頻率選擇表面，切換可重構智能表面的電磁響應狀態，以在60 GHz上產生幅移鍵控（ASK）調制。這為可重構智能表面在毫米波和太赫茲頻率下進行直接調制打下了基礎。最近，文獻[10]進行了高階調制的研究，提出了一種以非線性方式控制可重構智能表面反射相位的調制方法，在一階諧波上實現高階調制。文中實現了QSPK、8PSK和16QAM三種調制方案，驗證了在移動通信領域中使用可重構智能表面進行高階調制的可行性。

此外，文獻[11]和[12]為基于可重構智能表面的直接信息調制范式建立了數學模型進行系統性能分析。文獻[11]提出了利用可重構智能表面作為無線接入點的架構，其中可重構智能表面充當智能反射器和接入點。在該架構中，可重構智能表面電磁單元的反射相位不僅用于最大化接收信噪比，還用于信息傳輸。文獻[12]通過數值仿真和理論推導指出可重構智能表面在6G中的巨大潛力，討論了基于可重構智能表面的低復雜度發射機的潛在應用。

2? ?基于可重構智能表面的無線中繼

可重構智能表面可以通過其大量的低成本電磁單元智能控制無線信號的反射特性，從而實現無線傳播環境的重新配置，成為一種被積極討論的新興技術，有提高移動通信系統傳輸速率、覆蓋范圍、以及能量效率的巨大潛力。如圖3所示，在無線信道上調控可重構智能表面的電磁單元的反射相移，使得通過可重構智能表面反射以及通過其它路徑傳播的信號可以在用戶端同相疊加以增強接收信號質量。與傳統的無線中繼相比，基于可重構智能表面的無線中繼能夠在不引入自干擾的情況下實現全雙工模式的傳輸，且可重構智能表面具有體積輕薄、低成本、低能耗等優點，具有很大的發展潛力。

文獻[13]研究了可重構智能表面輔助中繼的單小區無線通信系統，使用一個可重構智能表面輔助多天線接入點和多個單天線用戶之間的通信。通過聯合優化接入點的有源天線陣列的發射波束和可重構智能表面的反射波束，在用戶接收信噪比約束下，使接入點處的總發射功率最小化。與被動散射通信有著明顯不同，基于可重構智能表面的無線中繼主要用于增強現有的通信鏈路性能，而不是通過反射傳輸自己的信息。在可重構智能表面輔助通信中，直接路徑信號和反射輔助路徑信號都攜帶相同的有用信息，因此可以在接收機處相干增強，以最大化接收功率。文獻[14]將可重構智能表面用于多天線基站下行鏈路多用戶通信，提出了可重構智能表面輔助通信系統的功耗優化模型。該模型基于可重構智能表面的反射單元數量和相位調控能力，在最高功率和最低服務質量約束下，構造能源效率最大化問題來優化可重構智能表面的電磁單元相移分布和下行鏈路發射功率。文章提出了兩種低復雜度且收斂的優化算法：第一種算法使用梯度下降來獲得可重構智能表面的電磁單元相移分布，并優化發射功率的分配;第二種算法采用分式規劃來優化可重構智能表面的相移分布。

在可重構智能表面輔助中繼的移動通信系統中，信道狀態信息對于實現可重構智能表面的無源波束成形增益至關重要。文獻[15]通過建立一個嚴格的遍歷譜效率上界來評估在各類衰落信道條件下可重構智能表面輔助的多天線系統的性能，證明了遍歷譜效率與可重構智能表面的反射相移分布有關。此外還考慮了硬件非理想因素，在假設了可重構智能表面的相位量化比特約束下，提出了一種基于遍歷頻譜效率上界和統計信道狀態信息的最優相移設計來最大化遍歷頻譜效率。文獻[16]研究了可重構智能表面輔助移動通信系統中離散相移約束下的波束成形優化問題。假設電磁單元只能通過有限的相移狀態來輔助多天線接入點至單天線用戶的通信，應用交替優化技術，提出了一種接近最優且低復雜度的求解方法，通過聯合優化接入點的連續發射波束和可重構智能表面的離散反射波束，在用戶接收信噪比約束下來最小化接入點處的發射功率。仿真表明在有大量反射電磁單元的情況下，具有離散相移的可重構智能表面可以達到與具有連續相移相同的性能。上述文獻[13]、[14]、[15]和[16]都在完美信道狀態信息已知的假設下，進行可重構智能表面電磁單元的反射相位設計，該假設有助于理解系統性能上界。

目前，在可重構智能表面輔助通信系統的非理想信道狀態信息假設下，聯合設計信道估計和反射優化的工作較少。值得注意的是，由于可重構智能表面只能被動反射電磁信號，沒有射頻信號接收和基帶處理能力，加上單元數量非常龐大，所以其信道估計方案亟待探索和研究。文獻[17]針對可重構智能表面輔助的正交頻分復用系統，設計了一種傳輸協議來實現信道估計和反射優化。在單位模約束下，通過設計可重構智能表面的反射模式來輔助接入點利用用戶傳來的導頻信號進行信道估計，并以閉合形式給出信道估計誤差。利用估計出的信道狀態信息，基于時域中解析出的最強信號路徑，對電磁單元反射相位進行了優化，能夠達到與文獻[18]中的半定松弛方法接近的性能，且具有更低的計算復雜度。文獻[19]研究了基于可重構智能表面中繼的MIMO通信系統的級聯信道估計問題。利用雙線性稀疏矩陣分解和矩陣完備化相結合的方法，提出了一種求解該信道估計問題的一般框架，并給出了一個兩階段的算法：稀疏矩陣分解的雙線性廣義信息傳遞算法和基于黎曼流形梯度的矩陣完備化算法。

可重構智能表面還被研究用于提高移動通信的安全性。文獻[20]通過自適應地調控可重構智能表面的反射相移分布，以增強期望信號和抑制不期望信號。通過聯合設計接入點的發射波束成形和可重構智能表面的無源反射波束成形，最大限度地提高合法通信鏈路的保密率。文獻[21]探索使用可重構智能表面加強物理層保密通信，在多輸入單輸出廣播系統中，基站傳輸獨立的數據流到多個合法的接收機，并對多個竊聽者保密。通過聯合優化基站處的波束成形器和可重構智能表面的反射相位分布，在各類實際約束下，建立了最小保密率最大化問題，并通過基于交替優化的路徑跟蹤算法，降低了計算復雜度。

以上公開報道的結果通過理論分析對可重構智能表面輔助中繼的移動通信系統進行了研究，提出了多種優化算法改善系統的性能。實際上，已經有少量早期研究工作進行了基于可重構智能表面的無線中繼的系統實現。

文獻[22]中，名為RFocus的基于可重構智能表面的無線中繼將波束成形功能從無線終端遷移到無線環境中。在典型的室內場景中，RFocus的每個電磁反射單元的狀態由軟件控制器設定，以最大化接收機的接收信號功率。通過理論分析和實際測量，RFocus能夠將信號強度平均提高10.5倍，信道容量平均提高2倍。文獻[23]中的實驗還證明了RFocus對電磁單元失效具有很好的魯棒性，即使三分之一的單元失效，相對性能的提高也不會驟降到0，而是下降了50%。文獻[22]和[23]為可重構智能表面實際應用到通信系統中的可行性提供了實際驗證。

文獻[24]在室內家庭環境中部署了一個由36個低成本天線單元組成的大型陣列來調控無線環境，設計了信道分解算法來快速估計無線信道環境，并實時配置大型陣列的相位分布，從而使多個子信道的相位對齊。該系統實現了靈活的可編程無線信道。實驗表明，通過重新配置無線環境，平均提高了24%的系統吞吐量。并且香農容量比基線單天線鏈路平均提高51.4%，比基線多天線鏈路平均提高了12.23%至18.95%。文獻[25]中提出了一種基于可重構智能表面的散射MIMO系統，利用低成本的可重構智能表面增強環境中的散射效應，從而提高MIMO空間復用增益。它通過與有源接入點配對，來創建虛擬無源接入點。實驗通過優化配置，使虛擬接入點向用戶提供與真實有源接入點相同功率的信號并提高單個接入點的覆蓋范圍。另一方面，通過設計算法以較低的運算復雜度為每個用戶優化散射MIMO中的可重構智能表面。基于可重構智能表面的散射MIMO系統減少了干擾，并且降低了分布式MIMO系統的功率需求。實驗測得在商用現成的MIMO-Wi-Fi網絡中部署后，可重構智能表面使系統的平均吞吐量提高了2倍。

文獻[26]提出智能空間的概念，其中無線環境是可編程的，以在無線空間內實現所需的鏈路質量。將低成本設備嵌入建筑物的墻壁中，以被動反射或主動發射無線信號的方式增強無線鏈路質量。通過實驗驗證了使用無源元件改變無線信道的可行性，將2×2MIMO信道矩陣條件數增強了1.5 dB，以及將信號強度增強了26 dB。文獻[27]通過對可重構智能表面的物理和電磁特性的研究，建立了不同場景下可重構智能表面輔助的移動通信的自由空間路徑損耗模型。并且利用三個不同尺寸的可重構智能表面進行了實驗測量，揭示了可重構智能表面中繼系統的自由空間路徑損耗與可重構智能表面的發射/接收距離、可重構智能表面的大小、可重構智能表面的近場/遠場效應，以及天線和表面單元輻射方向圖之間的關系。

除了文獻[22]至[27]采用的電信號控制的可重構智能表面，研究者也在探索其它的控制方法，以提高可重構智能表面的控制效率。文獻[28]報道了一個由6×6個子陣組成的光控可重構智能表面平臺，每個子陣包含4×4個基于變容管的可重構智能表面單元和基于光電二極管的光感應網絡。光感應網絡將可見光光強轉換為電壓，從而對可重構智能表面單元施加偏壓，以產生特定的反射相位分布。實驗中通過使用光驅動的可重構智能表面進行了電磁隱身、電磁幻覺和動態渦流光束產生，驗證了通過光信號來調控可重構智能表面的可行性。該研究為靈活操控可重構智能表面提供了新的思路。

3? ?未來研究方向

基于可重構智能表面的移動通信研究目前尚處于初始階段，其相對于傳統移動通信技術的區別和優勢值得繼續深入挖掘，未來亟待探索的研究方向如下。

3.1? 信道測量與建模

現有可重構智能表面研究中的信道模型大多沿用3GPP和ITU的傳統無線信道模型，并將可重構智能表面的相位響應簡化為對角陣，缺少可重構智能表面無線信道實測數據的支撐。目前尚沒有經過信道測量驗證的真實可用的可重構智能表面信道模型。文獻[27]對可重構智能表面輔助的移動通信的自由空間路徑損耗進行了模型和測量驗證，可用于鏈路預算分析，但亟需開發更加完備地考慮了各類衰落因素的可重構智能表面實際信道模型。此外，信道建模時需要考慮可重構智能表面的近場傳播特性和信道相關性[29]，合理建模亞波長電磁單元間的耦合等硬件非理想因素，并通過信道測量進行驗證。

3.2? 遠場擴展到近場

現有可重構智能表面的大部分研究工作都基于遠場通信假設，近場的相關研究很少。在實際系統中，可重構智能表面由大量的低成本電磁反射單元組成，其幾何尺寸和單元規模遠大于傳統通信系統中的天線陣列。這意味著在一些應用場景中，可重構智能表面將在近場狀態下工作[30]。例如在室內環境中，部署在墻上的大尺寸可重構智能表面將使傳統遠場通信中的平面波假設失效，需要考慮球面波的傳輸特性以及輻射近場區域的影響。研究方向包括可重構智能表面的近場通信性能分析和設計優化，這些研究可以幫助學術界和業界理解可重構智能表面輔助的近場通信的特性和潛在優勢。

3.3? 容量與能量效率極限

在可重構智能表面輔助的無線傳輸系統中，由于可重構智能表面的引入，系統的傳播環境由基站/接入點、可重構智能表面與各移動終端間的信道共同決定。因此，傳播環境更加復雜，影響信道容量與系統能量效率的因素增多。此外，可重構智能表面可根據不同的場景需求執行不同的功能，例如波束成形、能量聚焦、近場廣播以及與調制功能的聯合優化。因此，研究各種場景下系統能夠支持的最大容量及其對應的能量效率將是未來研究的熱點，可為基于可重構智能表面的傳輸系統優化設計及其性能的評估提供重要依據。

4? ?結束語

隨著5G商業化部署的開展，6G的研究正在全球范圍嶄露頭角。可重構智能表面因其獨特的無源反射特性和簡單的硬件架構，是一種很有潛力的技術，可被應用到移動通信系統中實現信息調制、改善信道環境、提高系統性能和降低覆蓋成本。本文介紹了可重構智能表面的發展現狀以及在未來移動通信系統中的潛在應用場景和研究進展。

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作者簡介

周儒雅（orcid.org/0000-0001-8185-753X）：東南大學信息與通信工程專業在讀碩士研究生，研究方向為基于可編程超表面的無線通信。

唐萬愷：東南大學國家移動通信研究實驗室在讀博士研究生，研究方向為基于可編程超表面的無線通信系統的理論建模和原型驗證。

李瀟：博士，現任東南大學國家移動通信研究實驗室副教授，研究方向為智能通信、毫米波大規模MIMO和可編程超表面通信。

金石：博士，現任東南大學國家移動通信研究實驗室教授，研究方向為空時無線通信、隨機矩陣理論、信息理論、智能通信和可編程超表面通信。