透射可重构超表面多天线通信系统

李博江/LI Bojiang，李振东/LI Zhendong，陈文/CHEN Wen

（上海交通大学，中国上海 200240）

1 可重构超表面的研究背景

2019 年，三大运营商陆续公布5G 商用套餐，标志着中国正式进入5G商用时代。5G带给人们更好的通信使用体验和更广泛的应用范围。然而，技术的升级换代也会导致资源需求激增。5G 所使用的频段更高，基站的覆盖范围更小，在满足更高技术要求的同时会带来能耗和成本的增加。根据中国铁塔的统计，目前5G 单基站满载功率近3 700 W，是4G单基站的2.5～3.5倍，其中增加的功耗主要源于基带信号的调制和发射。因此，寻求一种低功耗和低成本的新型收发装置成为B5G乃至6G技术发展的一个亟待解决的问题[1]。

1.1 可重构超表面简介

5G 基站配备了大量由射频天线组成的大规模多输入多输出（MIMO）阵列和信号处理模块。在无线网络中，为了扩大网络覆盖率，实现高可靠传输，基站还需要额外配备一些中继器或射频拉远头（RRH）。这些器件通常都是有源的，这无疑增加了整个系统的能耗和复杂度[2]。可重构超表面（RMS），也被称为智能超表面（RIS），被认为是一种降低系统功耗和成本的解决方案。RMS 主要由大量无源的超材料元件构成。超材料是将材料内部的原子进行人工重新排列组合得到的物质，不同的排列组合方式也就决定了材料会具有不同的物理化学性质。这些超材料可以由二极管、三极管、微机电系统（MEMS）、石墨烯、温敏器件、光敏器件等构成，在不同电压下可以实现“通”或“断”的状态，因而具有动态编码能力。这使得超表面可以通过内置的控制芯片来改变入射电磁波的幅度和相位，从而实现信号的波束赋形和无线信道的重构。与中继不同的是，RMS 一般不包含射频链路，因而无法对信号进行解码转发或放大转发。但正是也得益于此，RMS 的实现复杂度以及自干扰和噪声问题才得以有效解决[3]。根据对信号操作方式的不同，RMS可以被分为反射型RMS 和透射型RMS 两种。具体来说，反射型RMS 通信的馈源与接收机在RMS 的同一侧，而透射型RMS通信的馈源与接收机在RMS的不同侧[4]。它们都能提升整个系统的频谱效率、能量利用效率和网络覆盖范围。

1.2 反射型RMS

目前关于反射RMS 的研究已取得较大进展。由于具有类似光学的反射特性和可重构性，反射型RMS 可以用于加强非视距路径信道增益。反射型RMS 主要部署在基站或用户端周围，根据信道特性的变化动态调整反射因子，可以实现频谱效率的提高和系统能耗的优化。当视距路径被遮挡时，由多个RMS 构成的散射路径可提高信号的分集增益。目前，已经有很多工作研究了基于反射型RMS 的系统资源与反射因子优化问题。中兴通讯股份有限公司等成立了主要以反射型RMS 为研究课题的项目组。反射型RMS 的推广与应用已经初见成效。

1.3 透射型RMS

对于透射型RMS 的研究目前还处于起步阶段。通过调节超材料元件的反射特性，就可以将信号透射穿过超表面。相较于反射型超表面，透射型超表面具有以下几个优点：

（1）无自干扰。在信号收发端距离较近的情况下，当利用反射型RMS 时，馈源与用户位于RMS 的同一侧，用户在收发信息时容易产生自干扰；而当利用透射型RMS 时，馈源与用户位于RMS 的不同侧，使自干扰问题不易产生，更适用于用户密集的场景。

（2）无馈源遮挡。对于反射型RMS，用户接收到的电磁波容易被同侧的馈源吸收，而透射型RMS 分隔了馈源与用户，因而不存在这一问题。

（3）更高的孔径效率。研究表明，高频条件下RMS 的透射因子一般要高于反射因子，这使得透射型RMS 可以具有更高的孔径效率[5]。

（4）更大的工作带宽。研究表明，透射型超表面的相位差较稳定，因而具有更大的工作带宽[5]。

2 基于透射型RMS的多天线系统

图1是一种基于透射型RMS的多天线系统架构，收发机由透射型RMS和射频天线构成，并通过内置芯片进行控制。RMS 支持全双工工作模式，可以利用不同的通信资源进行上行和下行通信。RMS的第m个单元的透射因子表示为：

图1 基于透射型可重构超表面的多天线通信系统

其中βm∈[0,1]、θm∈[0,2π)分别表示RMS 第m个单元的振幅和相移。收发机的基本功能包括两个方面：可通过控制器芯片实现编程控制，在控制器内实现信息调制和波束赋形。

2.1 透射RMS下行空间分集

基于透射型RMS 的多天线系统在下行链路采用空分多址接入（SDMA）方式，即在馈源布置一根天线，使得电磁波通过透射大规模RMS 实现空间分集。在通信过程中，信源将信息发送到RMS 控制器内进行调制和波束赋形，并通过RMS 的大规模点阵向外发射电磁波。RMS 控制器根据信道状态信息和波束赋形参数动态调节超表面上每个单元的透射系数，最大限度地提高频谱效率和能量利用效率。

2.2 透射RMS上行频率分集

由于馈源为单天线，基于透射型RMS 的多天线系统在上行链路采用正交频分多址接入（OFDMA）方式，实现多用户频率分集。上行信号同样经过RMS 被转发送入控制芯片，以进行解码和解调。联合优化多用户功率分配、子载波分配和RMS 传输系数有助于使系统状态达到最优，使速率达到最大。由于优化变量的高度耦合，该问题是一个非凸优化问题，因此可应用基于拉格朗日对偶分解法的交替优化算法、差分凸规划、逐次凸逼近法和罚函数法来解决。

2.3 RMS高阶调制

在调制方法上，透射型RMS多天线系统可沿用传统的恒包络和非恒包络调制。恒包络调制包括二进制相移键控（BPSK）、正交相移键控（QPSK）等。超材料元件具有二进制特性，可以实现1 bit或2 bit的编程控制。虽然更高阶的相移键控在理论上也可以实现，但是因为一个元件仅能够实现1 bit控制，更高阶的相移键控势必会需要更多的超材料元件，而空间条件的限制会使这种超表面在物理上很难实现。恒包络调制的控制自由度只有一个。一些非恒包络调制，例如高阶的正交幅度调制（16QAM、256QAM等），需要同时控制幅度和相位两个参数，然而现有的技术条件还无法实现。大部分高阶调制通过非恒包络调制来提高系统传输速率，这使得透射型超表面多天线系统的传输速率受到一定的限制。

为了解决这个问题，可以使用非线性调制技术（即时序调制）来实现高阶相位和振幅联合调制。值得注意的是，在采用时间调制后，控制信号的波形具有两个控制自由度，即相位开始时间和传导持续时间。通过展开控制符号的傅里叶级数，我们可以得到其在l阶谐波（基波）上的振幅和相移。通过设置两个自由度，系统可以独立调整基波的振幅和相移，还可以实现相应的调制方案与基波的幅度和相位之间的映射关系，即可以实现相位和幅度的联合调制。因此，采用时间调制方案可以实现16QAM或更高阶QAM，极大地提高系统的传输速率[6]。

2.4 信道模型

透射型RMS 多天线系统的信道模型可以分为近场模型和远场模型。模型根据瑞利距离2D2/λ 来划分，其中D和λ分别表示天线阵列孔径和电磁波波长。当收发机距离大于瑞利距离时，信道被视为远场模型，波阵面被近似视为平面波；当收发机距离小于瑞利距离时，信道被视为近场模型，波阵面被视为球面波。RMS 到用户处的距离一般大于瑞利距离，因此信道模型被视为远场信道，且RMS-用户信道有视距路径和非视距路径，服从莱斯分布。视距路径信道可以被建构为均匀平面阵列；非视距路径信道路径分量独立同分布服从于零均值，单位方差的圆对称复高斯分布。馈源到RMS 的距离要小于瑞利距离，因此信道模型被视为近场信道。馈源到RMS 之间没有遮挡，因此可以直接被建构为视距路径的均匀平面阵列模型[7]。

2.5 信道估计

当完成信道建模后，在信号发射接收前还需要知道下行/上行信道状态信息，以便实时调整发射功率、RMS透射因子和波束赋形矢量等参数。透射型RMS多天线系统的信道估计可以分为馈源-RMS和RMS-用户两个部分。前者被视为近场信道，相应的信道状态信息可以很方便地被计算或测量出；后者为远场信道，由于此时每个用户同时有视距和非视距路径，相应的信道状态信息需要通过一些信道估计方法才能得出。通常情况下，由于系统的上下行链路在相同频率资源的不同时隙上传输，在相对较短的时间内（信道传播的相干时间），我们可以认为上行链路和下行链路的传输信号所经历的信道衰落是相同的，即所谓的信道互易性。因此，可以通过估计上行链路来获得下行信道的状态信息。目前的信道估计方法主要分为直联型信道估计[8]和可分离的信道估计[9]。

直联型信道估计就是将两部分信道合并估计，常见的直联型信道估计方法主要有：基于信道稀疏性的消息传递算法、基于信道相关性的估计算法、基于分解和插值恢复的信道估计算法、利用联邦学习和深度学习的神经网络估计算法。基于神经网络的信道估计算法正符合近年来发展迅速的人工智能技术与5G 通信结合的趋势。该方法将人工智能技术的高效、多连接和去中心化等特点与通信系统的高速率、高可靠性和海量连接等关键指标完美融合。

可分离的信道估计分别对馈源-RMS 和RMS-用户信道进行估计。具体做法是：在RMS 上布置部分有源元件，收发机和用户分别向超表面发送用于信道估计的导频序列，随后通过RMS的有源元件获取两段级联信道的信道状态信息。这样做的好处是降低了导频开销，但同时超表面还须将信道状态信息回传到收发机和用户处以实现波束赋形，反而降低了传输效率。透射型超表面多天线系统主要运用直联型信道估计方法，在近场信道状态信息测量得到后，通过数据处理方法得到远场信道状态信息。

3 透射RMS多天线系统应用

基于透射RMS 的多天线系统具有低功耗、低成本的优势，在未来具有很好的应用前景。

（1）RMS 与非正交多址接入结合的通信系统。非正交多址接入是多址接入的一项新技术，它颠覆了正交多址接入中一个无线资源（频率、时间、编码）只能分给一个用户使用的概念，采用功率复用的方式将一个资源分配给多个用户，有效提高了系统的频谱效率、吞吐量和接入数量。非正交多址接入在发射端使用功率复用技术，并在接收端采用串行干扰删除以消除多径干扰，很好地提升了透射型超表面多天线系统的性能。然而，复杂的接收算法和接收机设计将成为当前的巨大挑战[10]。

（2）RMS与速率分割多址接入结合的通信系统。速率分割多址接入结合了空分多址接入和非正交多址接入，其原理是将用户的信息分为共同部分和私有部分，并将所有用户共同部分的信息合并，然后将其与用户的私有部分一起送入信道，在接收端根据串行干扰删除进行规则解码。这种技术弥补了空分多址接入只能在强干扰条件以及非正交多址接入只能在弱干扰条件下工作的缺点，提高了系统的抗干扰能力和总通信速率。这种技术在最近被广泛地研究，它与透射RMS大规模多天线系统的结合会是一个有潜力的发展方向[11]。

（3）RMS 与人工智能结合的通信系统。RMS 的可重构性和低功耗等特点可以结合人工智能技术给通信系统带来一次全新的变革。根据卷积神经网络和循环神经网络的概念，将RMS 上的超材料原子视为神经网络中的神经元，可以构建一个低功耗神经网络通信系统，这将极大提高通信系统的成像、感知和识别能力。一些机器学习的架构，如深度学习、联邦学习等，用在信号监测、信道估计、波束赋形矢量设计等通信模块上，在减小算法复杂度的同时还可以提高系统传输性能。目前，基于人工智能的通信系统模型正在快速发展，将在未来5G和6G的发展中占据重要地位[12]。

（4）RMS 与移动边缘计算结合的通信系统。移动边缘计算是蜂窝通信下的一种新颖的数据处理方式。以往设备终端需要同时采集和处理数据，而利用5G 的低时延、高可靠性特点，可以将数据上传至具有高算力的中心服务器，再将结果反馈给终端。这种方式不需要终端进行大量计算，从而在物联网中极大节省了设备的功耗和算力，也保证了数据获取的可靠性。透射RMS 多天线基站与边缘计算结合可以提升系统物理层性能，优化系统资源[13]。

（5）RMS与车联网结合的通信系统。第3代合作伙伴计划（3GPP）第16 版公布了基于5G 新空口（5G NR）的蜂窝式车联网标准。车联网已成为5G中最有潜力的应用场景。基于超表面的透射，车联网系统演进并形成了两种侧链模式（主动发送和被动透射模式），可以随时根据资源分配情况动态优化系统负载和能耗。此外，这两种模式所具有的独特帧结构可以大大减少信令开销。如今RMS在车联网中的应用尚处于萌芽阶段，相关技术难点还需要更多的研究来解决[14]。

4 结束语

在5G加速部署的大环境下，5G的一些优点和缺点都会被放大。在追求极致通信的有效性和可靠性的同时，系统对资源和技术的要求势必会更加严格。RMS 具有的低能耗、低成本和可重构性等特点，能弥补5G 在这方面的不足。改变RMS 的传播特性可以实现基于透射和反射两种架构的通信系统。基于透射RMS 多天线系统具有更好的抗干扰能力和频谱、能量使用效率，这为B5G/6G 无线收发机架构设计提供了新的思路。RMS 不仅能适应原有系统的调制、波束赋形和信道估计等，还能结合非正交多址接入、人工智能、移动边缘计算、车联网和速率分割多址接入等新技术在B5G/6G 时代大放异彩。目前，学术界和工业界已开展RMS技术和应用的深入研究，更多关于RMS 的关键技术还有待挖掘。虽然目前有关RMS的应用仍有许多亟待解决的问题，但是我们相信在未来通信系统中RMS会占据一席之地。