透射可重構(gòu)超表面多天線通信系統(tǒng)

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

（上海交通大學(xué)，中國上海 200240）

1 可重構(gòu)超表面的研究背景

2019 年，三大運(yùn)營商陸續(xù)公布5G 商用套餐，標(biāo)志著中國正式進(jìn)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(yīng)用范圍。然而，技術(shù)的升級換代也會導(dǎo)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(shù)要求的同時會帶來能耗和成本的增加。根據(jù)中國鐵塔的統(tǒng)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(diào)制和發(fā)射。因此，尋求一種低功耗和低成本的新型收發(fā)裝置成為B5G乃至6G技術(shù)發(fā)展的一個亟待解決的問題[1]。

1.1 可重構(gòu)超表面簡介

5G 基站配備了大量由射頻天線組成的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）陣列和信號處理模塊。在無線網(wǎng)絡(luò)中，為了擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，實現(xiàn)高可靠傳輸，基站還需要額外配備一些中繼器或射頻拉遠(yuǎn)頭（RRH）。這些器件通常都是有源的，這無疑增加了整個系統(tǒng)的能耗和復(fù)雜度[2]。可重構(gòu)超表面（RMS），也被稱為智能超表面（RIS），被認(rèn)為是一種降低系統(tǒng)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(gòu)成。超材料是將材料內(nèi)部的原子進(jìn)行人工重新排列組合得到的物質(zhì)，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(xué)性質(zhì)。這些超材料可以由二極管、三極管、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、石墨烯、溫敏器件、光敏器件等構(gòu)成，在不同電壓下可以實現(xiàn)“通”或“斷”的狀態(tài)，因而具有動態(tài)編碼能力。這使得超表面可以通過內(nèi)置的控制芯片來改變?nèi)肷潆姶挪ǖ姆群拖辔?，從而實現(xiàn)信號的波束賦形和無線信道的重構(gòu)。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(jìn)行解碼轉(zhuǎn)發(fā)或放大轉(zhuǎn)發(fā)。但正是也得益于此，RMS 的實現(xiàn)復(fù)雜度以及自干擾和噪聲問題才得以有效解決[3]。根據(jù)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(jī)在RMS 的同一側(cè)，而透射型RMS通信的饋源與接收機(jī)在RMS的不同側(cè)[4]。它們都能提升整個系統(tǒng)的頻譜效率、能量利用效率和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

1.2 反射型RMS

目前關(guān)于反射RMS 的研究已取得較大進(jìn)展。由于具有類似光學(xué)的反射特性和可重構(gòu)性，反射型RMS 可以用于加強(qiáng)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(jù)信道特性的變化動態(tài)調(diào)整反射因子，可以實現(xiàn)頻譜效率的提高和系統(tǒng)能耗的優(yōu)化。當(dāng)視距路徑被遮擋時，由多個RMS 構(gòu)成的散射路徑可提高信號的分集增益。目前，已經(jīng)有很多工作研究了基于反射型RMS 的系統(tǒng)資源與反射因子優(yōu)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(yīng)用已經(jīng)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(diào)節(jié)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(yōu)點：

（1）無自干擾。在信號收發(fā)端距離較近的情況下，當(dāng)利用反射型RMS 時，饋源與用戶位于RMS 的同一側(cè)，用戶在收發(fā)信息時容易產(chǎn)生自干擾；而當(dāng)利用透射型RMS 時，饋源與用戶位于RMS 的不同側(cè)，使自干擾問題不易產(chǎn)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(cè)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(wěn)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(tǒng)

圖1是一種基于透射型RMS的多天線系統(tǒng)架構(gòu)，收發(fā)機(jī)由透射型RMS和射頻天線構(gòu)成，并通過內(nèi)置芯片進(jìn)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(jìn)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(gòu)超表面的多天線通信系統(tǒng)

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(fā)機(jī)的基本功能包括兩個方面：可通過控制器芯片實現(xiàn)編程控制，在控制器內(nèi)實現(xiàn)信息調(diào)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(tǒng)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(guī)模RMS 實現(xiàn)空間分集。在通信過程中，信源將信息發(fā)送到RMS 控制器內(nèi)進(jìn)行調(diào)制和波束賦形，并通過RMS 的大規(guī)模點陣向外發(fā)射電磁波。RMS 控制器根據(jù)信道狀態(tài)信息和波束賦形參數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)超表面上每個單元的透射系數(shù)，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(tǒng)在上行鏈路采用正交頻分多址接入（OFDMA）方式，實現(xiàn)多用戶頻率分集。上行信號同樣經(jīng)過RMS 被轉(zhuǎn)發(fā)送入控制芯片，以進(jìn)行解碼和解調(diào)。聯(lián)合優(yōu)化多用戶功率分配、子載波分配和RMS 傳輸系數(shù)有助于使系統(tǒng)狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)，使速率達(dá)到最大。由于優(yōu)化變量的高度耦合，該問題是一個非凸優(yōu)化問題，因此可應(yīng)用基于拉格朗日對偶分解法的交替優(yōu)化算法、差分凸規(guī)劃、逐次凸逼近法和罰函數(shù)法來解決。

2.3 RMS高階調(diào)制

在調(diào)制方法上，透射型RMS多天線系統(tǒng)可沿用傳統(tǒng)的恒包絡(luò)和非恒包絡(luò)調(diào)制。恒包絡(luò)調(diào)制包括二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）、正交相移鍵控（QPSK）等。超材料元件具有二進(jìn)制特性，可以實現(xiàn)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(xiàn)，但是因為一個元件僅能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)。恒包絡(luò)調(diào)制的控制自由度只有一個。一些非恒包絡(luò)調(diào)制，例如高階的正交幅度調(diào)制（16QAM、256QAM等），需要同時控制幅度和相位兩個參數(shù)，然而現(xiàn)有的技術(shù)條件還無法實現(xiàn)。大部分高階調(diào)制通過非恒包絡(luò)調(diào)制來提高系統(tǒng)傳輸速率，這使得透射型超表面多天線系統(tǒng)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(diào)制技術(shù)（即時序調(diào)制）來實現(xiàn)高階相位和振幅聯(lián)合調(diào)制。值得注意的是，在采用時間調(diào)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(dǎo)持續(xù)時間。通過展開控制符號的傅里葉級數(shù)，我們可以得到其在l階諧波（基波）上的振幅和相移。通過設(shè)置兩個自由度，系統(tǒng)可以獨立調(diào)整基波的振幅和相移，還可以實現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)制方案與基波的幅度和相位之間的映射關(guān)系，即可以實現(xiàn)相位和幅度的聯(lián)合調(diào)制。因此，采用時間調(diào)制方案可以實現(xiàn)16QAM或更高階QAM，極大地提高系統(tǒng)的傳輸速率[6]。

2.4 信道模型

透射型RMS 多天線系統(tǒng)的信道模型可以分為近場模型和遠(yuǎn)場模型。模型根據(jù)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(dāng)收發(fā)機(jī)距離大于瑞利距離時，信道被視為遠(yuǎn)場模型，波陣面被近似視為平面波；當(dāng)收發(fā)機(jī)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(yuǎn)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(gòu)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(fù)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(gòu)為視距路徑的均勻平面陣列模型[7]。

2.5 信道估計

當(dāng)完成信道建模后，在信號發(fā)射接收前還需要知道下行/上行信道狀態(tài)信息，以便實時調(diào)整發(fā)射功率、RMS透射因子和波束賦形矢量等參數(shù)。透射型RMS多天線系統(tǒng)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(yīng)的信道狀態(tài)信息可以很方便地被計算或測量出；后者為遠(yuǎn)場信道，由于此時每個用戶同時有視距和非視距路徑，相應(yīng)的信道狀態(tài)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(tǒng)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(nèi)（信道傳播的相干時間），我們可以認(rèn)為上行鏈路和下行鏈路的傳輸信號所經(jīng)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(tài)信息。目前的信道估計方法主要分為直聯(lián)型信道估計[8]和可分離的信道估計[9]。

直聯(lián)型信道估計就是將兩部分信道合并估計，常見的直聯(lián)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(guān)性的估計算法、基于分解和插值恢復(fù)的信道估計算法、利用聯(lián)邦學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計算法。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道估計算法正符合近年來發(fā)展迅速的人工智能技術(shù)與5G 通信結(jié)合的趨勢。該方法將人工智能技術(shù)的高效、多連接和去中心化等特點與通信系統(tǒng)的高速率、高可靠性和海量連接等關(guān)鍵指標(biāo)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(jìn)行估計。具體做法是：在RMS 上布置部分有源元件，收發(fā)機(jī)和用戶分別向超表面發(fā)送用于信道估計的導(dǎo)頻序列，隨后通過RMS的有源元件獲取兩段級聯(lián)信道的信道狀態(tài)信息。這樣做的好處是降低了導(dǎo)頻開銷，但同時超表面還須將信道狀態(tài)信息回傳到收發(fā)機(jī)和用戶處以實現(xiàn)波束賦形，反而降低了傳輸效率。透射型超表面多天線系統(tǒng)主要運(yùn)用直聯(lián)型信道估計方法，在近場信道狀態(tài)信息測量得到后，通過數(shù)據(jù)處理方法得到遠(yuǎn)場信道狀態(tài)信息。

3 透射RMS多天線系統(tǒng)應(yīng)用

基于透射RMS 的多天線系統(tǒng)具有低功耗、低成本的優(yōu)勢，在未來具有很好的應(yīng)用前景。

（1）RMS 與非正交多址接入結(jié)合的通信系統(tǒng)。非正交多址接入是多址接入的一項新技術(shù)，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(fù)用的方式將一個資源分配給多個用戶，有效提高了系統(tǒng)的頻譜效率、吞吐量和接入數(shù)量。非正交多址接入在發(fā)射端使用功率復(fù)用技術(shù)，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(tǒng)的性能。然而，復(fù)雜的接收算法和接收機(jī)設(shè)計將成為當(dāng)前的巨大挑戰(zhàn)[10]。

（2）RMS與速率分割多址接入結(jié)合的通信系統(tǒng)。速率分割多址接入結(jié)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(jù)串行干擾刪除進(jìn)行規(guī)則解碼。這種技術(shù)彌補(bǔ)了空分多址接入只能在強(qiáng)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(tǒng)的抗干擾能力和總通信速率。這種技術(shù)在最近被廣泛地研究，它與透射RMS大規(guī)模多天線系統(tǒng)的結(jié)合會是一個有潛力的發(fā)展方向[11]。

（3）RMS 與人工智能結(jié)合的通信系統(tǒng)。RMS 的可重構(gòu)性和低功耗等特點可以結(jié)合人工智能技術(shù)給通信系統(tǒng)帶來一次全新的變革。根據(jù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念，將RMS 上的超材料原子視為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元，可以構(gòu)建一個低功耗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，這將極大提高通信系統(tǒng)的成像、感知和識別能力。一些機(jī)器學(xué)習(xí)的架構(gòu)，如深度學(xué)習(xí)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)等，用在信號監(jiān)測、信道估計、波束賦形矢量設(shè)計等通信模塊上，在減小算法復(fù)雜度的同時還可以提高系統(tǒng)傳輸性能。目前，基于人工智能的通信系統(tǒng)模型正在快速發(fā)展，將在未來5G和6G的發(fā)展中占據(jù)重要地位[12]。

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

（5）RMS與車聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的通信系統(tǒng)。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(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。車聯(lián)網(wǎng)已成為5G中最有潛力的應(yīng)用場景?；诔砻娴耐干洌嚶?lián)網(wǎng)系統(tǒng)演進(jìn)并形成了兩種側(cè)鏈模式（主動發(fā)送和被動透射模式），可以隨時根據(jù)資源分配情況動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)負(fù)載和能耗。此外，這兩種模式所具有的獨特幀結(jié)構(gòu)可以大大減少信令開銷。如今RMS在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用尚處于萌芽階段，相關(guān)技術(shù)難點還需要更多的研究來解決[14]。

4 結(jié)束語

在5G加速部署的大環(huán)境下，5G的一些優(yōu)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(tǒng)對資源和技術(shù)的要求勢必會更加嚴(yán)格。RMS 具有的低能耗、低成本和可重構(gòu)性等特點，能彌補(bǔ)5G 在這方面的不足。改變RMS 的傳播特性可以實現(xiàn)基于透射和反射兩種架構(gòu)的通信系統(tǒng)。基于透射RMS 多天線系統(tǒng)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(fā)機(jī)架構(gòu)設(shè)計提供了新的思路。RMS 不僅能適應(yīng)原有系統(tǒng)的調(diào)制、波束賦形和信道估計等，還能結(jié)合非正交多址接入、人工智能、移動邊緣計算、車聯(lián)網(wǎng)和速率分割多址接入等新技術(shù)在B5G/6G 時代大放異彩。目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已開展RMS技術(shù)和應(yīng)用的深入研究，更多關(guān)于RMS 的關(guān)鍵技術(shù)還有待挖掘。雖然目前有關(guān)RMS的應(yīng)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(tǒng)中RMS會占據(jù)一席之地。