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1、6G 信息超材料技术白皮书中国移动通信有限公司研究院东南大学电磁空间科学与技术研究院目录1 引言.12 超材料应用于天线领域.33 基于信息超材料的智能反射表面.43.1 原理.53.2 工作模式. 73.3 应用.103.4 性能验证. 123.5 挑战.194 基于信息超材料的波束赋形基站.204.1 原理.214.2 应用挑战. 225 基于信息超材料的直接调制基站.235.1 原理.235.2 应用挑战. 246 总结.267 白皮书贡献单位. 26参考文献.27中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)11 引言引言超材料(Metamaterial)于 1968 年被提出, 并在
2、近 20 年间受到广泛关注。其英文单词中的前缀 meta 是超越、超过的意思,表示超材料具备自然界材料所不具备的特性。超材料的“超”并非归因于构成材料本身,而是因为新颖的结构赋予其超越自然材料的能力和范畴。超材料被广泛用于光学、声学、热学、电磁学、结构力学等领域。电磁超材料(以下简称超材料)是根据电磁功能需求而设计和加工的,因而也被称为人工电磁媒质。超材料由按照一定规则(周期或非周期)排列的人工微结构组成,这些微结构由介质或介质+金属等材料构成,并具有亚波长尺寸(0.1-0.5 波长)。起初,超材料的设计遵循等效媒质理念,最早提出的左手材料具备负折射率、负多普勒等特性,可用于雷达隐身等场景,在
3、电磁学和材料学的发展过程中具有重要意义。然而,等效媒质超材料属于三维结构,厚度大且不易加工,在工程应用中有很大的局限性。随后,超材料的概念被增广和扩充,其他人工结构也被纳入超材料的范畴。特别地,超表面(Metasurface)是由亚波长平面单元组成的二维结构,与早期的等效媒质超材料相比具有低剖面、低成本、易加工的优点,因而在电磁领域吸引了大量关注并得到广泛应用。 传统的电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap,EBG)、频率选择表面(FrequencySelective Surface, FSS) 以及人工磁导体 (Artificial Magnetic Conducto
4、r,AMC)等也属于广义的超表面范畴。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)2图 1:超材料的原理传统超材料通过对单元结构参数的调整达到控制电磁波的目的,在制备完成后其功能即被固化,无法根据需求作二次调整。2014 年,东南大学崔铁军院士团队在国际上率先提出数字超材料的概念, 并展示了第一块现场可编程超材料, 借助 FPGA 输出序列调整超表面单元内部二极管开关的通断,在物理空间实现对电磁波的直接调控1,开创了数字可编程超材料研究的先河, 并在国际上引发大量关注。 之后,变容管、三极管、MEMS、液晶、石墨烯、相变材料等被引入超表面研究,调控手段得以进一步丰富,实现了对电磁波幅度、相位
5、、极化等状态的灵活调控。随后,崔铁军院士在融合信息、电子、材料等科学的基础上提出了信息超材料的概念, 将超材料的研究由单纯的空间编码拓展至空间-时间-频率等多域联合编码,并应用于对空间电磁信息的直接调制2,3。该系列工作开创了连接数字世界与物理世界的新范式, 并为基于信息超材料的下一代无线通信系统研究作了基础性和前瞻性铺垫,具有里程碑意义。2021 年 7 月,中国移动携手东南大学电磁空间科学与技术研究中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)3院率先在 5G 现网完成智能超表面技术实验,结果表明智能超表面可根据用户分布灵活地调整无线环境中的信号波束, 显著改善现网弱覆盖区域的信号强度、网
6、络容量和用户速率,预示了信息超材料技术在未来无线通信中的广泛应用前景。本白皮书介绍了信息超材料在天线、智能反射表面、波束赋形的超表面基站以及信息直接调制超表面基站四大领域的应用,为 6G通信网络提供全新的设计理念和技术手段。2 超材料应用于天线领域超材料应用于天线领域超材料应用在无源天线的技术比较成熟。 不论是降低互耦提升单元间隔离度,还是改变谐振特性来改变单元的相位,本质就是改变超材料的表面阻抗。以下是一些典型的应用及其原理:图 2:超材料在天线中的应用中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)4将超材料用于天线盖板5或者使用超材料隔离条6,可降低天线单元间空间波或者表面波的传播,从而达
7、到降低天线之间的互耦,提升单元间的隔离度的目的;或者将超材料(FSS)作为天线的反射板实现一个频段天线对另一个频段天线“电磁透明”,从而实现有限空间内的多频段天线集成。目前已在部分基站天线中有所应用。此外, 用不同相位响应的周期结构构成超材料平面透镜来代替传统的曲面透镜7,易于共形和加工,并通过在焦平面放置不同馈源实现多波束; 通过 ZIM 的超材料盖板8可以实现波束的汇聚从而实现天线增益的提升; 采用周期排列或准周期排布的超材料阵列作为天线阵列的辐射单元9来减小表面波传播, 从而不仅可减小互耦,还可以展宽频带宽度和提升天线增益。还有,AMC 超材料结构还可以在不降低天线增益的前提下降低天线剖
8、面10:传统天线辐射单元会距离金属反射板 1/4 波长,这是由于天线辐射单元照射到金属板上, 其反射波的相位会叠加 180 度相位,为保证较高的辐射效率,即反射波和天线直接辐射的电磁波同相,天线需要和金属反射板通过保证 1/4 波长的高度。若采用 AMC 代替金属反射板,当天线辐射单元照射到上 AMC 时,反射相位可以为零,即不需要 1/4 波长的高度来保证天线辐射效率,从而起到降低天线高度的作用。3 基于信息超材料的智能反射表面基于信息超材料的智能反射表面智能反射表面( Intelligent Reflecting Surface,IRS) ,也称为可重中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2
9、022)5构智能表面( Reconfigurable Intelligent Surface,RIS), 是一种可以重新配置的超表面。因无源的反射特性和简单的硬件架构,智能反射面通过构建可控无线环境,将给 6G 通信系统带来一种全新的通信网络范式,满足未来移动通信需求。下文将从智能反射面的技术原理、工作模式、应用场景、性能验证及面临挑战等方面进行介绍。3.13.1 原理原理在传统的无线通信环境中,无线信号在传输过程中会遇到障碍,经过反射、折射和透射等,会出现原始无线信号的多径分量,以不同的幅度、相位及延迟到达接收端。由于这些多径分量与原始无线信号在接收端正向叠加或反向抵消,使得接收信号产生多径
10、衰落,严重损害无线通信系统的性能。 而智能反射面通过大量低成本电磁单元智能控制无线信号的反射特性,从而实现无线传播环境的重构,使得无线电环境“可控”。RIS 以软件控制的方式重新设计环境中的电磁波,将不可控的传播环境变为一个确定性的空间。如图 3 所示,调控 RIS的电磁单元的反射相移, 使得通过 RIS 的反射信号以及通过其它路径传播的信号可以在接收端同相叠加以增强接收信号质量。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)6图 3:智能反射面示意图RIS 由大规模器件阵列和阵列控制模块构成。大规模器件阵列是在平面底板上规则的重复排列的大量器件单元。 为达到可观的信号操控效果,通常需要几百或
11、者几千个器件单元组成器件阵列。每个器件单元都具有可变的器件结构。 例如, 器件单元中包含一个 PIN 二极管,PIN 二极管的开关状态决定了器件单元对外界无线信号的响应模式11。典型的硬件架构如图 4 所示,由三层和一个控制模块组成。在外层,大量金属贴片印刷在介电基板上,直接与入射信号相互作用。在中间层,使用铜板来避免信号能量泄漏。最后,内层是一个控制电路板,负责调整每个单元的反射幅度/相移,连接到 RIS 的阵列控制模块12。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)7图 4:RIS 的结构12RIS 的阵列控制模块可以控制每个器件单元的工作状态,即对每个单元的参数进行调整,实现对任意的
12、电磁波反射/透射幅度和相位分布的调整,从而动态或半静态地控制每个器件单元的工作状态,以实现对无线信号不同的响应模式。 大规模器件阵列的每个器件单元的无线响应信号互相叠加,从而在实现波束赋形,大幅提升无线通信系统的信道容量和频谱效率。3.23.2 工作模式工作模式目前学术研究多从理想假设出发, 主要关注 RIS 辅助通信系统的理论性能上界。而实际部署需要综合考虑量化误差、处理复杂度、计算能力、系统开销等多种实际因素,因此,从静态到动态,逐步实现逼近理论上界的智能调控的 “三步走” 工作模式更符合一般部署节奏。根据反射波束调节的灵活程度,可将 RIS 的工作模式分成三种,如图5 所示,包括:静态/
13、半静态工作模式、信道透明的动态工作模式和信道非透明的智能工作模式。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)81. 静态/半静态工作模式初期阶段,可以令反射板波束固定不变,或者间隔很长一段时间进行相位调节。该工作模式适用于覆盖较小、或完全遮挡的区域,需要依靠反射面接入网络,具有控制简单、部署迅速等优势。但是,由于覆盖方向在一定时间内是固定不变的, 无法针对用户进行波束赋形,不能针对信道的实时变化做出最优的波束响应。2. 信道透明的动态工作模式在该阶段,反射相位调节过程无需信道信息,RIS 使用多个已知的波束方向(例如码本)进行调整,用户通过信道质量的测量,反馈对应最佳波束方向的相关信息,
14、基站将反射面配置为所选择的波束方向。该工作模式无需小尺度信道信息,可选波束方向较为固定,控制指示开销较小等优点,但多次调整波束会带来较大的系统开销。3. 信道非透明的智能工作模式在该阶段,基站配置反射面的相位,多次调整反射单元相位进行信道估计,基站根据信道估计结果,配置与实际传输信道适配的反射相位。该工作模式可以获得最优性能,但是信道估计算法和流程的复杂度很高,系统开销很大。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)9图 5:RIS 的三种工作模式流程示意图基于以上分析,在当前条件下,信道透明的动态工作模式可以很好地获得性能和开销的折中,是目前研究的重点方向。图 6 给出了RIS 在该工作
15、模式下的基本传输流程。为了实现 RIS 的智能可调, 需要基站对 RIS 进行控制, 控制方式可以通过有线连接、IP 路由、无线连接和自主感知等。综合考虑部署的灵活性和功耗等因素, 基站无线控制 RIS 具有更高的可行性,真正实现随用随部署。现阶段基于 Uu 接口协议,考虑智能反射板引入的操作流程的变化, 设计协议流程和信令,有利于加速 RIS 落地商用进程。由于 RIS 面板反射单元数目带来的过高的信道估计开销, 该流程中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)10示例中采用了基于码本的反射相位调节方案。首先,该方案不需要基站和 RIS 之间进行反复迭代的联合波束赋形优化, 只需要基于选
16、定反射相位码字设计基站赋形权重即可。其次,基于码本调节反射相位不需要逐个反射单元上的信道信息, 因此用户只需要估计级联信道信息,大大降低了信道估计的复杂度。基于以上两点,该方案兼具了动态调整获得的增益以及可实现的低复杂度,为后续系统设计提供参考。图 6:信道透明的动态工作模式流程示例3.33.3 应用应用未来移动通信业务要求更高的通信速率和更多的连接密度, 需要中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)11更多的频谱资源和更高的频谱利用率。RIS 一方面可以降低物联网无线传输的能耗, 另一方面能够提升信道容量却不占用额外的频谱资源。RIS 具有准无源、低功耗、易部署等优点,通过电磁波传播特
17、性的智能调控,在提高移动通信系统传输速率、覆盖范围、以及能量效率方面具有很大的潜力。RIS 的潜在应用场景可分为传统通信应用和垂直行业新型应用两类4,如图 7 所示。图 7:RIS 的应用1、传统通信应用RIS 在传统通信的应用包括减小覆盖空洞、增强边缘覆盖、增强室内覆盖、提升边缘速率与抑制干扰、热点增流和视距多流传输、增强传输稳健性等。2、垂直行业新型应用现有诸多文献对 RIS 的潜在新型应用场景进行了探讨, 其中典型应用包括高精度感知定位、车联网通信、无人机通信、安全通信、数能同传、减少电磁污染、降低边缘网络时延、背向散射等。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)123.43.4
18、性能验证性能验证为了探索 RIS 的实际性能和应用场景以及室内外部署可能面临的问题,中国移动未来研究院联合东南大学崔铁军院士团队、杭州钱塘信息有限公司于 2021 年 6 月初在南京完成了面向 5G 现网环境下的电磁单元器件可调、 波束方向可灵活控制的 RIS 新技术可行性的测试验证。1、测试环境为了确保测试结果能够真实反映 RIS 对小区边缘、 弱覆盖区域的提升效果,对此次验证工作中的 UE 均进行了工作频率锁定的操作。同时,针对于实际应用过程中所会面临的不同场景,分别开展了包括塔下阴影覆盖、室外覆盖室内、室外遍历多个测试场景的验证工作。1)塔下阴影覆盖由于受到基站天线下倾角和天线方向图的限
19、制, 在基站塔下方往往会存在弱覆盖区域,即“塔下阴影”区域。通过在主测小区内信号好点架设 RIS,调整 RIS 面板参数,使其可以将来自于基站信号反射至塔下阴影区域, 对比架设反射面前后该区域内用户的 RSRP、 SINR、吞吐量等指标的 CDF 分布差异,考察 RIS 改善塔下阴影区域覆盖的总体效果, 对能否满足塔下阴影区域的用户高速率业务需求进行验证。该测试例测试现场见图8, 所选择的小区基站主覆盖区域为城市道路,在大楼前道路的斜对侧架设 RIS, RIS 接收自大楼 13 层 (站高 46 米)的基站发射的信号,反射至大楼背侧的信号弱覆盖区域,基站至 RIS的直线距离约 120 米,二者
20、为视距传输路径。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)13图 8:塔下阴影覆盖测试现场图2)室外覆盖室内由于受到建筑钢筋混泥土墙体、玻璃幕墙、铝合金建材等因素的影响,电磁信号在传播过程中衰减严重,故通常情况下,室内会是一种典型的弱覆盖场景。而 RIS 因其可对反射波束形状进行调控,进行波束汇聚,增强穿透性,实现提升室内覆盖的作用。本测试例选取室内弱覆盖场景,比较架设 RIS 前后室内多个定点传输性能的差异,考察 RIS 在室外覆盖室内场景下的总体效果。 本测试例选择的室内场景在一栋玻璃幕墙写字楼内,在楼内选择多个定点进行稳定传输测试,反射面板 RIS 架设于大楼下方道路的对侧, 基站与
21、 RIS 为视距传输路径,二者直线距离约 65 米。测试例测试现场见图 9。图 9:室外覆盖室内测试现场图中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)143)室外遍历RIS 可对反射波束和波束形状进行灵活控制,故可被用于补盲、提升小区边缘覆盖等场景。基于此,室外遍历测试选择在密集城区内开展,针对于覆盖交叉的小区,比较部署 RIS 前后,UE 在小区内进行遍历的各项指标差异, 考察部署 RIS 后,对基站覆盖范围的提升效果。本测试例选择了密集城区中一处挂高 10 米的杆站,由于主测小区内存在高楼遮挡,杆站信号覆盖范围受限(与杆站所处道路相垂直的另一条道路基本为弱覆盖区域)。将 RIS 部署在距
22、离杆站 70 米的十字路口处,接收来自杆站的信号,反射至另一条在本小区内的弱覆盖道路,在部署 RIS 前后,UE 分别在此弱覆盖道路上匀速进行遍历测试。RIS 与 UE、UE 与基站均为良好的视距传输路径。测试例测试现场如图 10。图 10:室外遍历测试现场图2、基站及小区配置以上测试例中所涉及的基站有两个,均为室外站,分别是位于玻璃幕墙写字楼 13 层的基站和位于密集城区的杆站,具体的基站和小区信息见下表。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)15表 3-1 基站配置信息测试例类型发射功率RRU类型基站型号安装下倾角安装方向角塔下阴影室外站327 W64 通道华为9/1060室外覆盖
23、室内室外遍历室外站327 W64 通道华为6/ 3200表 3-2 小区配置信息测试例扇区号下行频点下行带宽物理小区标识小区双工模式时隙配比塔下阴影01TDD8:2室外覆盖室内室外遍历250499010013TDD8:23、RIS 面板配置本次外场性能测试由中国移动与东南大学、 杭州钱塘信息有限公司共同完成,面板长 160 cm,宽 80 cm。图 11:用于外场测试的 RIS 样机4、验证结论1)塔下阴影覆盖中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)16部署 RIS 前后, 分别携带 UE 在塔下阴影覆盖区域内沿着相同的线路进行匀速遍历测试, 可得到如图12所示的部
24、署RIS前后的RSRP、SINR、吞吐量打点图。图 12:部署 RIS 前后,塔下阴影覆盖测试例的 RSRP、SINR、吞吐量打点图部署 RIS 后,RSRP、吞吐量均可观察到有显著提升,弱覆盖、质差区域相对减少;SINR 无明显变化,分析或是 RIS 在反射基站信号的同时同步放大了邻区的干扰信号所致。此外,可以观察到写字楼后侧性能提升也较为明显, 但此区域内UE与RIS为非视距传输路径,分析该现象产生原因是由于附近障碍物的存在形成了丰富的折射衍射场景,使得 RIS 反射的基站下行信号可被该区域内的 UE 接受。测试结果表明:在未部署 RIS 时,边缘用户和用户平均 RSRP 均较低,分别为-
25、102.18 dBm 和-94.93 dBm,部署 RIS 后,RSRP 有一定提高,边缘用户提高了 4.03 dB,用户平均 RSRP 覆盖提高了 3.8 dB;部署 RIS 前后,用户平均吞吐量由 91.50 Mbps 提升至 109.00 Mbps,抬升约 19%;部署 RIS 前后,SINR 未观察到明显差异。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)172)室外覆盖室内所选的室内场景位于玻璃幕墙写字楼的二层和四层, 二层办公区域,在该层选择共 8 个定点,囊括了会议室、办公室和工作室三个典型场景,写字楼四层为大楼内超市,在四层超市内选择了 4 个不同的位置进行稳定传输测试。具体的
26、定点位置示意图见图 13。图 13:写字楼内定点传输测试平面示意图在测试过程中可以发现,当 UE 位于室内钢筋混泥土结构的墙体后面时,UE 无法接收到基站侧所发射出的下行信号,由此可见,该测试版本的 RIS 室外覆盖室内穿透能力较弱, 虽能穿透一堵玻璃幕墙,但无法再继续穿透室内环境的一堵内墙。 记录能接收到下行信号的各定点稳定传输 1 分钟的各项数据并求平均值可得到以下数据。通过对部署 RIS 前后的各定点传输数据进行分析, 可得到这样的初步结论, 部署 RIS 后, 大部分定点的 RSRP、 SINR、 速率均有提升,中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)18在经玻璃幕墙损耗后,RS
27、RP 仍有 317 dB 的提升,平均各点提高 10dB;速率提升 5137 Mbps 不等,平均各点提升 78.19 Mbps;各定点提升差异大,或受信号波动及 RIS 覆盖范围有限所致;虽增益提升明显,但由于室内整体覆盖情况差,测试场景基础电平较低(部署 RIS后,约-100 dB),无法继续穿透一堵内墙(内墙穿透损耗 15 dB 以上);同时二楼工作室位于大楼最右侧,RIS 反射波束宽度有限,该测试区域或已超出 RIS 反射波束的覆盖范围,故无明显增益变化。3)室外遍历室外遍历测试主要是指部署 RIS 前后,携带 UE 在主测小区内沿着相同的线路进行匀速遍历测试, 得到如图14所示的RS
28、RP、 SINR、吞吐量打点图。图 14:室外遍历测试的 RSRP、SINR、吞吐量打点图通过打点图可看到,在 RSRP -80 dBm 的区域,部署 RIS 前后,各项性能指标无明显变化,与此同时,RSRP -90 dBm 的区域,部署 RIS 后的 RSRP、SINR、吞吐量各项指标均明显好于未部署 RIS中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)19的情况。此外, 测试数据表明: 部署 RIS 对小区边缘用户影响明显, RSRP提升约 3.3 dB,边缘用户 SINR 提升 1.45 dB,边缘吞吐量提升约 79Mbps;相比之下对用户均值的增益并不明显,用户均值 RSRP 仅提升
29、1.25 dB。此外,为了考察 RIS 对小区覆盖范围的提升效果,在该场景下进行了孤站拉远测试,即在部署 RIS 前后,携带 UE 分别移动至断链处,比较两次 UE 所处的断链脱网位置,可以发现,部署 RIS前的最大拉远距离为 150 米,部署 RIS 后拉远距离被延长至 210 米,延伸距离约 60 米。该测试例的结果表明 RIS 在提升小区边缘用户性能以及延伸小区覆盖范围等方面具有明显的实际应用价值。通过外场测试结果, 可以初步了解 RIS 所适用场景以及可能获得的性能增益情况。对于低频,弱覆盖区域少,补盲场景有限,因此,RIS 可以用于提升频谱效率和容量;对于高频,预计网络覆盖空洞较多,
30、RIS 可以在提升覆盖和容量方面发挥较好的作用。3.53.5 挑战挑战目前 RIS 在硬件实现和工程部署、 理论和方案设计以及控制方案和网络架构等方面还面临着严峻的挑战: 硬件实现和工程部署硬件实现和工程部署 RIS 受限于规模、价格、部署难度等因素。在硬件实现方面,RIS 材料和器件成熟度不高,成本较高;可调器件性能难以满足调控需求、结构设计待优化;受可调器件调控速率的限中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)20制,目前的高频段 RIS 还未实现动态调控;RIS 有一定的反射损耗,难以实现超远距离覆盖。在工程部署方面,由于 RIS 面板尺寸较大,部署需与物业、业主沟通,存在风阻大的问
31、题;馈电需求会限制 RIS的部署,并且馈电需求可能存在弱电干扰。 理论和方案设计目前仍缺乏可靠完善的传输理论基础、信道模型和系统模型,无法为 RIS 系统传输方案设计提供有力的理论支撑。 现有空口传输相关方案复杂度高、开销大、可行性受限。因此,首先需要一套完善可信的、综合考虑非理想因素的系统实际性能评估体系;然后,考虑性能和复杂度折中, 设计可实现的信道估计和联合波束赋形等基本空口传输方案。除此之外,RIS 能否支持子带调度方案,高低频阵子相位调节速度是否足够快都有待进一步的研究。 控制方案和网络架构RIS 的控制方式对网络架构设计、功耗和部署方式会产生重要影响,需要考虑功耗和网络复杂度的折中
32、,真正实现无源/半无源和动态控制。在组网方面,在多带宽、多制式的通信模式下,RIS 是否可以获得性能增益, 以及如何设计传输方案等方面还有待进一步的评估和研究。4 基于信息超材料的波束赋形基站基于信息超材料的波束赋形基站波束赋形的超表面基站系统是近年智能超表面研究的热点领域之一。将智能超表面用于基站系统,可以通过其大量的低成本电磁单中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)21元智能控制无线信号的反射或透射特性,从而实现波束赋形功能。在实际系统中, 通过结合阵面编码优化算法来设计智能超表面的数字编码形式,从而改变单元响应的电磁波幅度/相位,使得智能超表面方向图实现增益可控、方向图偏转等能力
33、,实现波束赋形功能。将具有波束赋形能力的智能超表面与传统数字基带技术相结合, 可实现全新形式的无线通信架构。 后续可联合设计基站超表面处和信道环境中智能反射面处的波束赋形参数,来提高移动通信系统传输速率、覆盖范围、能量效率,进一步降低成本和功耗。4.14.1 原理原理波束赋形的设计主要包含对多天线的收发机进行预编码与解码矩阵的设计,实现信号定向传输。在波束赋形超表面基站中,智能超表面等效于具有多比特移相器功能的低成本相控阵天线, 同样能够实现波束赋形功能。其原型原理图以及与传统基站对比如图 12 所示,相比于传统基站,取代了移相器和天线阵子部分,减少了射频通道数及功放器数量。智能超表面上引入了
34、大量亚波长可调单元,所采用的可调元器件主要为开关二极管或变容二极管。 通过控制表面的大量可调元件,可进行更精细的空间相位调控,即对不同位置的单元相位进行调控。不同的相位分布使得电磁波的入射、反射、透射特性发生改变,从而实现对反射波或透射波的波束赋形,以更低的成本和功耗实现与传统相控阵相同的波束赋形功能。波束赋形超表面基站基于其可编程特性, 可实现外部模拟预编码,中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)22并对相应的相位矩阵进行设计。 为使编码口面在特定方向产生定向波束,则应使编码单元的辐射场叠加后在该方向形成等相位面。波束赋形超表面基站根据特定方向图需求逆向综合出对应智能超表面的编码序列
35、,优化反射或透射的电磁波信号,进行模拟波束赋形,调整波束朝着特定方向发射信号,从而可以减少所需信号的发送功率、提高频谱效率、扩大覆盖范围并同时削弱干扰。图 15:波束赋形超表面基站和传统基站对比图4.24.2 应用挑战应用挑战波束赋形的超表面基站在满足主用户通信性能需求的同时, 采用低比特调控单元能够有效降低成本。但是采用低比特的调控单元,将会导致大角度的波束赋形栅瓣增加,导致其他用户通信性能恶化,多中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)23个用户同时通讯,组网情况下可能会对其他小区、甚至对不同运营商网络产生干扰。故对于低比特智能反射面基站用于多用户、热点补充等场景可能存在问题。其次,
36、超材料面板由千百个周期单元集成,超表面上部分调控元件的故障会导致超材料单元功能无法达到预期效果, 而故障单元难以进行排查和维修。当故障超材料单元数量增多,会造成整体超材料的电磁波调控性能下降,如波束增益降低、波束指向偏差、旁瓣增加等问题。5 基于信息超材料的直接调制基站基于信息超材料的直接调制基站5.15.1 原理原理在波束赋形的超表面基础之上,增加编码调制功能,即为信息直接调制的超表面基站,它依靠智能超表面,无需复杂的基带处理和射频收发操作,即可有效直接调控如相位、振幅、频率以及极化的各种电磁参数,从而实现对信号的直接调制,是一种全新的基站架构1。信息调制超表面发射机原理如图 13 所示,馈
37、源发出的单音信号照射至智能超表面上, 数字基带信号通过实时调控智能超表面的可调元器件,能实现对超表面的反/透射系数进行实时改变,从而控制反射/透射电磁波的幅度、相位、频率以及极化特性,即无需额外的电路级调制、混频和天线辐射等一系列复杂的过程,最终实现智能超表面直接调制和传输基带信号的功能。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)24与传统发射机相比,信息调制超表面发射机可替代传统发射机射频链路中的模拟器件,实现低成本高能效的发射机,如图 13:由于频率调制和滤波均在超表面上实现,无需混频器和射频滤波器,只需用窄带功率放大器对空馈的单音载波信号进行功率放大, 因此一定程度上可部分替代传统射
38、频链中的模拟器件,如混频器、滤波器、功率放大器等部分,从而降低整体结构的复杂度和设计制造成本,达到减少系统的功率损耗,提高能量效率的目的。图 16:信息调制超表面发射机和传统基站对比图5.25.2 应用挑战应用挑战针对于信息调制的超表面基站, 目前已提出了包括基于二进制频中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)25移键控(BFSK) 、正交相移键控(QPSK) 、高阶信息调制方案(如8PSK、16QAM、OFDM 等)以及基于空域调制的空时编码(STC)的时分、频分以及空分复用体制等多种信息调制超表面通信系统,均有效证明了基于智能超表面的新架构无线通信系统的良好性能。 但是从实际应用角度
39、出发, 信息调制的超表面基站仍面临诸多问题丞待解决。首先, 目前的智能超表面所采用的可调器件主要为开关二极管或变容二极管。 以开关二极管为主要可调器件的超表面可实现相对相位差为 180 度的两种状态,该控制方式仅可实现离散的电磁特性调节,为了增强超表面对电磁波的可调控能力, 往往需要在每个单元中配置多个开关二极管并进行复杂的超表面单元设计, 造成超表面单元结构的设计难度和制造成本增加。其次,不论是基于开关二极管还是变容二极管的超表面,其目前的响应速率都难以满足未来无线网络大带宽高速传输的需求。 目前开关二极管的最快响应速度为数纳秒,变容二极管响应速度为微秒级,均仅支持 MHz 量级的传输带宽。
40、因此,设计出大带宽、高效能的发射机就需要提升和改善可调器件性能,实现皮秒级的响应速率。但目前二极管仍存在卡脖子的问题, 就二极管的材料类型来说, Si 基二极管难以满足高频的工作频率且损耗大,GaAs 半导体或会是解决该难题的突破点,亦或是采取全新的可调材料或器件取代二极管。此外,现有的信息调制超表面基站仅有发射端架构,应用于基站侧的接收机架构尚未提出,有待进一步研究。中国移动6G 信息超材料技术白皮书(2022)266 总结总结本白皮书介绍了中国移动对信息超材料在 6G 中的应用的初步思考,后续将根据研究进展及时更新。中国移动将进一步携手高校和产业界持续加大信息超材料研究投入,构建产、学、研协同创新平台,共同推信息超材料的发展,使其在 6G 通信系统中大放异彩。7 白皮书贡献单位白皮书贡献单位在白皮书中,中国移动研究院主要负责第二章、第三章、第四章和第五章和第六章内容的撰写, 东南大学电磁空间研究院负责第一章和第三章内容的撰写。白皮书主要贡献人员如下:王安娜、顾琪、苏鑫、张雁茗、李亚、袁弋非、王启星、刘光毅东南大学电磁空间研究院和东南大学毫米波国家重点实验室:崔铁军、程强东南大学电磁空间研究院和东南大学移动通信国家重点实验室:金石杭州钱塘信息有限公司:苗龙