可重構(gòu)全息超表面輔助衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)

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(shù)

可重構(gòu)全息超表面輔助衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)

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(wèi)星通信網(wǎng)絡能彌補傳統(tǒng)地面網(wǎng)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(guī)模接入的高速率服務。由于衛(wèi)星的高速移動性，衛(wèi)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(gòu)全息超表面（reconfigurable holographic surface，RHS）輔助衛(wèi)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(xiàn)波束成形?；赗HS的硬件結(jié)構(gòu)和全息工作原理，提出了一種RHS輔助多衛(wèi)星通信方案，該方案同時考慮衛(wèi)星跟蹤和數(shù)據(jù)傳輸。同時，設計了全息波束成形優(yōu)化算法以最大化和速率。仿真結(jié)果驗證了所提方案的有效性并表明了相較于傳統(tǒng)相控陣天線，RHS提供了一種成本效益更高的衛(wèi)星通信支持方式。

可重構(gòu)全息超表面；全息波束成形；低軌衛(wèi)星通信

0 引言

近年來，地面通信網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸需求[1]。為了彌補傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡的不足，新興的低地球軌道（low earth orbit，LEO）衛(wèi)星通信網(wǎng)絡具有頻帶寬、覆蓋面廣等一系列優(yōu)勢，有望為地面用戶提供高速率數(shù)據(jù)服務并且實現(xiàn)全球大規(guī)模網(wǎng)絡接入[2]。由于衛(wèi)星的高移動性和由通信距離長帶來的嚴重路徑損耗，LEO衛(wèi)星網(wǎng)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(wèi)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?shù)?。面對LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡對天線性能和傳輸性能的高要求，傳統(tǒng)天線技術(shù)難以通過進一步擴大天線規(guī)模來提升數(shù)據(jù)傳輸速率，從而滿足爆炸式的數(shù)據(jù)需求。這是因為傳統(tǒng)服務于衛(wèi)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(diào)控。因此，傳統(tǒng)天線的質(zhì)量和硬件成本都會成為天線規(guī)模進一步擴大以提供更高數(shù)據(jù)速率服務的阻礙[3]。

為了克服傳統(tǒng)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(gòu)元件緊湊集成在天線面板上，從而以低成本實現(xiàn)高方向性天線增益[4-5]，為支持衛(wèi)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(gòu)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(xù)孔徑的超表面上進行傳輸，因此，RHS為實現(xiàn)HMIMO提供了一種切實可行的方法[6]。RHS的緊湊結(jié)構(gòu)也使其可以方便地集成在地面終端，從而作為收發(fā)天線支持衛(wèi)星通信。具體而言，在RHS中，饋源與超表面緊密集成，饋源產(chǎn)生的電磁波（也被稱作參考波）沿著超表面?zhèn)鞑ゲ⑶抑鹨患钶椛鋯卧猍7]。RHS的獨特之處在于它可以根據(jù)全息干涉原理在超表面上構(gòu)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(wèi)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(wèi)星通信。

RHS作為一種新型的超材料天線，現(xiàn)有對RHS的初期研究主要集中在天線硬件結(jié)構(gòu)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(guān)狀態(tài)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(jié)構(gòu)，RHS也引起了工業(yè)界的廣泛關(guān)注，孵化出了各種應用。例如Pivotal Commware公司開發(fā)了1～70 GHz的商用定制RHS系統(tǒng)，將全息波束成形技術(shù)用于擴展地面通信的覆蓋范圍，構(gòu)建智能中繼器生態(tài)系統(tǒng)[11]。但大多數(shù)現(xiàn)有工作僅證明了RHS在靜態(tài)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(tài)性的衛(wèi)星網(wǎng)絡中能提供良好的服務質(zhì)量。并且，在衛(wèi)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(wèi)星的高數(shù)據(jù)速率通信，本文考慮了RHS輔助LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，并探索了RHS輔助多顆衛(wèi)星通信的可能性。這是一項有挑戰(zhàn)性的工作，原因有如下兩點。第一，全息波束成形方案與衛(wèi)星的位置密切相關(guān)，因此，需要設計一種高效的衛(wèi)星追蹤方案來應對LEO衛(wèi)星的移動性，從而避免頻繁的衛(wèi)星定位；第二，傳統(tǒng)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(yōu)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(yōu)化算法。面對上述挑戰(zhàn)，本文考慮了一種RHS輔助LEO衛(wèi)星上行通信系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，配備RHS的地面終端上傳用戶數(shù)據(jù)至多顆LEO衛(wèi)星進行通信。本文提出了一種包含衛(wèi)星追蹤和全息波束成形優(yōu)化的RHS輔助多衛(wèi)星通信方案。在衛(wèi)星追蹤方案中，利用衛(wèi)星的軌道運動規(guī)律可以預測衛(wèi)星位置，有效避免頻繁的衛(wèi)星定位，便于支持衛(wèi)星的連續(xù)通信。同時，提出了一種最大化和速率的全息波束成形優(yōu)化算法。仿真結(jié)果驗證了該算法的有效性，同時表明了相較于傳統(tǒng)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(wèi)星通信。進一步地，本文還探討了RHS輔助衛(wèi)星通信中未來可能的發(fā)展方向。

1 可重構(gòu)全息超表面基本介紹

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(fā)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(zhuǎn)化為漏波（也被稱為目標波），從而將信號發(fā)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(diào)節(jié)材料的狀態(tài)，實現(xiàn)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(chǎn)生發(fā)送至各衛(wèi)星的目標波束[13]。

圖1 RHS硬件結(jié)構(gòu)

值得關(guān)注的是，隨著超表面技術(shù)的不斷發(fā)展，另一種可用于無線通信增強技術(shù)的可重構(gòu)智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）受到了廣泛關(guān)注[14]。RIS也是一種超薄可重構(gòu)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(chǎn)生指向接收器的定向波束。盡管RHS和RIS均能實現(xiàn)波束成形，但它們在以下3個方面有所不同。

●物理結(jié)構(gòu)：由于RIS的反射特性，RIS的射頻前端位于超表面的外側(cè)，與發(fā)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(fā)射/接收天線集成在收發(fā)器上，無須外置鏈路。因此RHS的硬件結(jié)構(gòu)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(chǎn)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?zhèn)鞑?，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(jié)構(gòu)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(qū)邊緣，用于擴大小區(qū)覆蓋范圍和提高小區(qū)邊緣用戶的性能。由于RHS具有高度集成和超薄結(jié)構(gòu)，其更可能作為集成的發(fā)射/接收天線安裝在可移動平臺上，例如RHS更適合在衛(wèi)星通行系統(tǒng)中提供高吞吐量連接服務。同時，RHS還可以與雷達的收發(fā)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(xiàn)全息波束成形，其中全息圖案是根據(jù)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(wèi)星通信系統(tǒng)

本節(jié)首先描述衛(wèi)星通信場景，總體概況包含衛(wèi)星追蹤和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞HS輔助多衛(wèi)星通信方案。緊接著，詳細介紹衛(wèi)星追蹤方案、衛(wèi)星通信傳輸模型和全息波束成形矩陣。根據(jù)衛(wèi)星通信中信號傳輸?shù)慕＃岢隽薘HS輔助通信系統(tǒng)中最大化和速率的優(yōu)化算法。結(jié)合衛(wèi)星追蹤與和速率最大化算法，RHS輔助多衛(wèi)星通信方案可以實現(xiàn)穩(wěn)定高效的衛(wèi)星通信。

2.1 RHS輔助衛(wèi)星通信場景及多衛(wèi)星通信方案

圖2 RHS輔助多衛(wèi)星通信系統(tǒng)

圖3 LEO衛(wèi)星運動軌跡

2.2 衛(wèi)星追蹤方案

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

2.3 衛(wèi)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(wèi)星系統(tǒng)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(wèi)星通信和速率隨RHS單元數(shù)的變化

3 RHS輔助衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能分析

本節(jié)通過對比RHS輔助衛(wèi)星通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)相控陣輔助衛(wèi)星系統(tǒng)的和速率、功耗和制作成本，評估RHS的性能表現(xiàn)。

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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)至少是相控陣單元數(shù)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(yōu)勢。大型傳統(tǒng)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(xiàn)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(shù)量的RHS的硬件成本的2～10倍[11]。同時，相較于相控陣，RHS內(nèi)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(xiàn)波束調(diào)控，具有功耗低的優(yōu)勢。RHS功耗低與硬件成本低的優(yōu)勢會隨著天線尺寸的增大而變得明顯。相控陣多天線系統(tǒng)受到制作成本約束和功耗約束，難以實現(xiàn)超大規(guī)模天線系統(tǒng)的部署。RHS可利用功耗低與硬件成本低的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)相控陣面臨的瓶頸，進一步提升數(shù)據(jù)速率，在未來的6G網(wǎng)絡中更具發(fā)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(yōu)勢。MATLAB仿真參數(shù)設置與第2.3節(jié)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(tǒng)和速率與硬件成本的比值。成本效率與單元數(shù)量之間的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以清晰地發(fā)現(xiàn)，無論是單衛(wèi)星場景還是多衛(wèi)星場景，RHS的單位成本可實現(xiàn)的和速率超過了相控陣單位成本可實現(xiàn)的和速率[25]。

圖6 成本效率與單元數(shù)量之間的關(guān)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(yōu)勢，RHS在各類通信場景中具有極大的發(fā)展?jié)摿蛻脙r值，這同時為RHS的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)帶來了一系列挑戰(zhàn)。

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

作為通信系統(tǒng)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(zhàn)。在設計RHS輔助通信系統(tǒng)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(xiàn)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?nèi)?，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(tǒng)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(zhì)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(chǎn)生巨大的開銷。為了減少導頻訓練開銷并實現(xiàn)快速準確的信道估計，需要設計與RHS輔助傳輸?shù)男诺捞匦韵嘟Y(jié)合的導頻波束模式，實現(xiàn)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(fā)射功率、信道等。克服變量之間的耦合，聯(lián)合優(yōu)化全息圖案、發(fā)射功率、信道等有限的資源，設計合理的數(shù)據(jù)傳輸方案可實現(xiàn)RHS輔助通信性能指標最優(yōu)。

4.2 應用場景

RHS不僅可以應用于本文主要討論的LEO衛(wèi)星通信，還適用于許多其他場景。下面將寬帶通信和室內(nèi)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(shù)。但當OFDM用于高頻系統(tǒng)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(shù)據(jù)速率。不同于使用昂貴延遲移相器的傳統(tǒng)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(guān)分量引入全息波束成形矩陣，因此，通過優(yōu)化各波束方向?qū)D案的疊加系數(shù)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(tǒng)的性能。

●室內(nèi)通信：得益于緊湊結(jié)構(gòu)和體積小的優(yōu)勢，RHS可以部署在室內(nèi)小型基站處，實現(xiàn)RHS輔助室內(nèi)通信。在室內(nèi)場景中，通過聯(lián)合優(yōu)化基于RHS的波束成形方案和位置估計函數(shù)，能夠精準確定移動用戶的位置。根據(jù)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(lián)合優(yōu)化RHS的部署位置和全息波束成形方案，可以達到擴大室內(nèi)通信覆蓋范圍并提高用戶的服務質(zhì)量的目的。

5 結(jié)束語

本文考慮了可應用于未來6G通信網(wǎng)絡的RHS。RHS可通過全息原理實現(xiàn)精準的波束控制，集成在地面用戶終端上用于衛(wèi)星通信。本文介紹了RHS的硬件結(jié)構(gòu)及其基本工作原理，同時，研究了RHS輔助衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，即基于衛(wèi)星位置隨時間變化規(guī)律的衛(wèi)星追蹤技術(shù)與最大化和速率的全息波束成形優(yōu)化算法。仿真結(jié)果驗證了算法的有效性，同時表明，相較于傳統(tǒng)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(wèi)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(nèi)通信，以及相應的關(guān)鍵技術(shù)進行了探討。

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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(fā)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(gòu)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(gòu)全息超表面及衛(wèi)星網(wǎng)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(wǎng)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(gòu)智能表面、空中接入網(wǎng)絡、優(yōu)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(wǎng)絡、MIMO、OFDMA以及信號處理和機器學習等。