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基于信息超表面的无线通信.docx
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0. 引 言
超材料(Metamaterial)是一种将亚波长尺度人工原子按照特定空间结构排列而成的人工
电磁媒质。超材料具有自然界中不存在或很难获取的媒质参数,因此可以实现全新的物理
现象和工程应用,例如负折射
[1-3]
、电磁隐身衣
[4-6]
,完美透镜
[3, 7]
超分辨率成像
[8]
,幻觉光学
[9-23]
等。作为二维版本的超材料,超表面(Metasurface)具有易加工、成本低、重量轻的优
点,非常适合大规模生产和应用,因此一经提出就引起了广泛的关注
[12-22]
。
2014 年,崔铁军院士团队提出了数字编码超材料的概念
[23]
。数字编码超材料概念用离
散的数字状态表征超材料的电磁特性,彻底摒弃了传统等效媒质参数的表征方法,用数字
化的方式实现电磁信息的调控。在数字编码超表面的基础上引入可调器件和数字可编程模
块进而提出了可重构数字超表面的概念,从而克服了传统超表面一旦制造后功能固化的缺
点,使得可重构数字超表面具备了可实时动态调节电磁功能的能力
[24-31]
。随后,崔铁军院
士等在 Journal of Materials Chemistry C 中的一篇综述论文
[32]
中首次提出信息超表面的概
念,信息超表面将可重构数字超表面与信息科学有机结合,为超表面在无线通信领域的应
用奠定了基础。
信息社会的飞速发展对无线通信系统的速度、容量和稳定性等提出了越来越高的需
求,对于传统无线通信系统的成本、性能和设计复杂度也提出了越来越高的要求。随着第
六代无线通信(6 G)研究的逐渐深入,信息超表面由于其低成本、低复杂度、低功耗、高精
度等优势,或许将成为 6 G 可能的使能技术之一
[33-35]
。
信息超表面在无线通信领域主要有两个应用方向,一是将信息超表面作为发射机和接
收机之间的低成本无线中继,实现对无线信道的改善甚至定制;二是利用信息超表面作为
发射机中的重要组成部分实现简化无线通信系统架构和新型无线通信系统架构。前者在无
线通信中又被称为 Reconfigurable Intelligent Surface(RIS)或 Intelligent Reflecting Surface
(IRS),通过其对空间电磁波相位的调控,实现电磁波在接收机端的同向叠加以增强接收信
号或反向叠加以消除干扰;而后者利用信息超表面可快速直接调制电磁波波前和快速改变
电磁波近远场和散射场的能力,可搭建简化的发射机架构和新型系统架构,从而达到节省
系统中射频模块的开销、简化系统构成、扩大通信容量和提高通信保密性等目的,并且具
有低成本、低复杂度、低功耗、易集成、速率高等优点。
文中主要介绍了信息超表面在无线通信中的一系列研究成果,包括信息超表面作为无
线中继时的基本信道建模与其所能实现的信道改善,以及基于信息超表面实现简化无线通
信系统和基于信息超表面实现新型无线通信系统。
1. 基于信息超表面的无线中继
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基于信息超表面的无线中继近年来受到学术界和工业界的广泛关注。有别于在收发机
进行设计工作的传统无线通信,信息超表面的引进使得通信系统的设计增加了另一可控的
实体——信道。合理且准确的信道模型是无线通信系统研究的理论基础。因此,该节首先
介绍了信息超表面无线中继在信道模型建立方面的一系列研究成果,包括信息超表面辅助
链路的自由空间路径损耗,信息超表面的反射相移特性以及单元互耦现象。为体现信息超
表面在信道调控方面的作用,该节还将介绍现有研究工作如何通过设计信息超表面来改
善、定制电磁传播环境。
1.1 信道建模
1.1.1 自由空间路径损耗
尽管信息超表面的设计在电磁领域已进行了广泛的研究,其在通信领域的分析尚处于
初始阶段。作为无线中继,信息超表面为发射机和接收机之间的信道额外提供了一条可控
的反射链路。鉴于信息超表面将此反射链路分成距离为 d1d1 的发射机至信息超表面子链
路以及距离为 d2d2 的接收机至信息超表面子链路,信息超表面提供的反射链路的自由空
间路径损耗与 d1d1 和 d2d2 的关系亟待澄清。当前关于信息超表面自由空间路径损耗的讨
论主要在于此损耗是与(d1+d2)2(d1+d2)2 成正比,亦或与(d1d2)2(d1d2)2 成正比。
在发射机和接收机之间同时存在视距传播路径和信息超表面反射路径场景中,参考文
献[36]研究通过设计最优的信息超表面单元反射相位,使得接收机接收到的信号能量最大
化。假设地面铺满足够大的信息超表面,该最优反射相位使得自由空间路径损耗与
(d1+d2)2(d1+d2)2 成正比。参考文献[37]使用物理光学原理对信息超表面的自由空间路径
损耗进行研究分析。理论推导结果表明,当远场源发射的电磁波经由信息超表面反射至同
样处于远场的接收机时,即使入射波是一个平面波,反射信号也会呈现一个窄波束的状
态,且波束宽度与信息超表面的面积尺寸呈反比。更重要的是,由于发射机与接收机均处
于信息超表面的远场,自由空间路径损耗与(d1d2)2(d1d2)2 成正比。因此,参考文献[37]认
为自由空间路径损耗与(d1+d2)2(d1+d2)2 成正比不具有通用性。若要使该关系成立,须设
计信息超表面用于镜像反射电磁波,并使信息超表面的面积趋于无穷,或使之处于发射机
和接收机的近场。考虑信息超表面对电磁波的散射效应,参考文献[38]提出了一个简单且
严格的路损模型,表明路损与距离乘积成正比。参考文献[38]所提出的模型采用了普适的
单元辐射方向图,因此适用于各种不同单元设计的信息超表面。在太赫兹频段,参考文献
[39]提供了一个低复杂度的路径损耗模型。不同于已有的研究工作,该模型不仅揭示了路
损与距离乘积的关系,还考虑了太赫兹传播媒介特性的影响,例如分子吸收损耗。上述工
作研究的对象均为反射式信息超表面,而在实际应用中,透射式信息超表面也具有广泛的
应用前景。针对能够工作在反射和透射状态的信息超表面,如图 1(a)、(b)所示,参考文献
[40]等基于格林定理的矢量推广形式,提出了一个基于物理的自由空间路径损耗解析表征
模型。该模型表明,经由信息超表面反射或透射的链路路径损耗可以用一个可计算的积分
来表示,该积分取决于传输距离、无线电磁波的极化、信息超表面的大小和所需的表面变
换。
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图 1 具备反射和透射功能的信息超表面路径损耗分析
[40]
:(a)发射机和接收机在信息超
表面的同一侧;(b)发射机和接收机在信息超表面的两侧;(c)信息超表面辅助的无线
通信系统
[41-42]
;用于测量不同 d1d1,d2d2,θtθt,和 θrθr 配置下自由空间路径损耗的测量
统
[41-42]
:(d)原理图;(e)实测照片
Fig. 1 Pathloss analysis for reflection and transmission RIS
[40]
: (a) Tx and Rx are on the same
side of the RIS; (b) Tx and Rx are on opposite sides of the RIS; (c) RIS-assisted wireless
communication system
[41-42]
; Free-space path loss measurement system for measuring the amount
of power reflected from the RIS for different configurations of d1d1, d2d2, θtθt and θrθr
[41-42]
: (d)
Diagram; (e) Photograph
下载: 全尺寸图片 幻灯片
关于信息超表面路径损耗的研究已引起了众多研究者的关注,然而大部分研究工作局
限于理论分析和建模,缺乏实际的信道测量验证。为了获得准确且符合实际通信系统的路
径损耗模型,参考文献[41-42]基于信息超表面的物理和电磁特性,提出了信息超表面辅助
的自由空间路径损耗通用理论模型,并在两个典型场景中进一步推导特例模型与 d1d1 和
d2d2 的关系,同时进行相应的数值仿真和实验测量验证。
参考文献[41-42]考虑了如图 1(c)所示的信息超表面辅助的无线通信系统,假设发射机
与接收机之间的直达链路被障碍物完全阻挡,收发机仅能依靠信息超表面提供的反射路径
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建立通信链路。参考文献[41-42]将信息超表面置于直角坐标系的 x-o-y 平面上,并使信息
超表面的几何中心与直角坐标系的原点重合。图 1(c)所示的信息超表面由 N 行 M 列规则排
布的电磁响应可重构的单元组成。每个电磁单元沿 y 轴方向的长度为 dydy,沿 x 轴方向的
长度为 dxdx,其大小一般为亚波长尺度,即二分之一波长至十分之一波长。发射机到直角
坐标原点的距离,接收机到直角坐标原点的距离,直角坐标原点到发射机的仰角和方位
角,直角坐标原点到接收机的仰角和方位角分别用 d1d1,d2d2,θtθt,ϕtϕt,θrθr 和 ϕrϕr
来表示。参考文献[41-42]的研究结果显示,当位于(xt,yt,zt)(xt,yt,zt)的发射机发射波长为 λ
的信号经信息超表面的反射被位于(xt,yt,zt)(xt,yt,zt)的接收机所接收,自由空间路径损耗通
用模型可表示为:
PLgeneral=16π2GtGr(dxdy)2∣∣∣∣∣∑m=1−M2M2∑n=1−N2N2Fcombinen,m−−−−−−−√Γn,mrtn,mrrn,me−j2π(rtn,m+rrn,m)λ∣∣∣∣∣2PLgeneral=16π2GtGr(dxdy)2|∑m=1−M2M2∑n=1−N2N2Fn,mcombineΓn,mrn,mtrn,mre−j2π(rn,mt+rn,mr)λ|2
(1)
式中:Fcombinen,mFn,mcombine 为发射天线、信息超表面、接收天线的联合归一化功
率辐射方向图,为角度相关的因子。通过自由空间路径损耗通用模型,参考文献[41-42]揭
示了信息超表面反射路径的自由空间路径损耗与发射/接收天线的增益以及电磁单元大小的
平方成反比。此外,路径损耗还与发射/接收天线以及电磁单元的联合归一化功率方向图、
电磁单元的数量、电磁单元的反射系数设计以及发射机/接收机与各电磁单元之间的距离有
关。为更清晰地展示路损模型与传播距离的关系,参考文献[41-42]针对两个信息超表面典
型应用场景进行讨论,以便得到典型场景下自由空间路径损耗的直观见解。
参考文献[41-42]讨论的两个典型信息超表面应用场景为:辅助波束成形以及辅助信号
广播。在信息超表面辅助波束成形场景中,将配置信息超表面单元的反射系数,使得反射
信号在特定用户处相干叠加,以获得最大的接收功率。而在信息超表面辅助信号广播场景
中,将配置信息超表面单元的反射系数,使得反射信号均匀覆盖特定区域内的所有用户,
以获得公平的服务质量。
在远场辅助波束成形场景下,参考文献[41]给出的自由空间路径损耗模型为:
PLbeamfar field=16π2(d1d2)2GtGr(MNdxdy)2F(θt,φt)F(θr,φr)A2PLfar fieldbeam=16π2(d1d2)2GtGr(MNdxdy)2F(θt,φt)F(θr,φr)A2
(2)
与通用模型相比,信息超表面远场辅助波束成形场景下的路损更加直观,揭示了此场
景中路径损耗与(d1d2)2(d1d2)2 成正比。
在近场辅助信号广播场景下,参考文献[41-42]给出的自由空间路径损耗模型为:
PLbroadcastnear field=16π2(d1+d2)2GtGrλ2A2PLnear fieldbroadcast=16π2(d1+d2)2GtGrλ2A2
(3)
与通用模型相比,信息超表面近场辅助信号广播场景下的路损模型揭示了该场景路径
损耗与(d1+d2)2(d1+d2)2 成正比。
通过以上两个特定场景的讨论,参考文献[41-42]揭示了信息超表面所提供的辅助链路
的路径损耗与其具体应用场景有关。根据不同的应用场景,该路损可与(d1d2)2(d1d2)2 成
正比,也可与(d1+d2)2(d1+d2)2 成正比。为验证这一结论,参考文献[41-42]进一步开展了
实际路损测量工作,搭建了如图 1(d)、(e)的测量系统。通过改变系统中的 d1d1,d2d2,
θtθt,和 θrθr 对路损进行测量,不同频段和不同场景下的实测数据验证了信息超表面远场
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