6G的超材料解決方案

傳感器技術 2023-02-28 07:00

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如果使用可重構智能表面，將增加大量的可用帶寬。

過去數十年間，無線技術革命動蕩喧囂，但有兩點始終未變。一是無線頻段過度擁擠，二是為擺脫這種擁塞狀態，所用的頻率范圍越來越高。如今，隨著5G的部署和6G無線的規劃，工程師們發現自己置身于一個十字路口：他們年復一年設計超高效發射機和接收機、補償無線電信道末端的信號損失，現在，他們開始意識到自己正在接近發射機和接收機可用效率的極限。從現在開始，隨著我們轉向更高頻段，為了獲取高性能，需要對無線信道本身進行設計。但無線環境由多種因素決定，其中許多因素是隨機的、難以預測的，對這樣的環境，我們應如何設計并控制呢？

可重構智能表面（RIS）或許是目前最有希望的解決方案。可重構智能表面為平面結構，尺寸范圍通常在100平方厘米至5平方米左右或更大，具體取決于頻率和其他因素。這些表面使用被稱為“超材料”的高級材質來反射和折射電磁波。這種輕薄的二維超材料被稱為“超表面”，可感應局地電磁環境，當表面反射或折射電波時，可調整波的振幅、相位、極化等關鍵特性。事實上，這些超表面可以通過編程實現動態的特性改變，應對無線信道的變化，實時重新配置信號。當電波落在這樣的表面上時，表面可實時響應，改變入射波的方向，從而增強信道。可重構智能表面可視為中繼站概念下一步的演變。

這一點很重要，因為隨著我們轉向更高頻率，傳播特性對信號更為“不利”。無線信道會根據周圍的物體不斷變化。與建筑物、車輛、山丘、樹木和下雨相比，5G和6G頻率波長小到可忽略不計。低頻波可圍繞或通過這些障礙物衍射，但高頻信號卻會被吸收、反射或散射。基本上，在這樣的頻率下，你的全部指望只有視距信號。

這些問題有助于解釋為何可重構智能表面成為無線研究中最熱門的話題之一。這個話題如此活躍，是有道理的。在大約10年前首次開發數字控制超材料的推動下，近幾年來，研發活動取得突破進展，成果不斷涌現。

在全球數十個實驗室，可重構智能表面原型顯示出巨大前景。歐洲出資的Visorsurf是首批重大項目之一，該項目5年前啟動，2020年結束。2018年下半年，日本的日本電報電話公共公司和加州卡爾斯巴德的Metawave首次公開演示了該技術。

今天，歐洲、亞洲和美國的數百名研究人員正致力于應用可重構智能表面建立可編程的智能無線環境。華為、愛立信、NEC、諾基亞、三星和中興等廠商則單獨研發或與大學合作。日本電報電話公共公司、Orange、中國移動、中國電信和英國電信等主要網絡運營商都正在開展或計劃開展實質性的可重構智能表面試點。這一工作反復證明了在5G和6G最困難的頻段，可重構智能表面能夠大幅增強信號。

要了解可重構智能表面如何改善信號，不妨從電磁環境講起。傳統蜂窩網絡由分散的基站組成，基站部署在高桿或鐵塔上，以及城市地區的建筑物和電線桿上。信號傳輸路徑上的物體可能會阻擋信號，在5G的高頻率下，這個問題變得尤其嚴重，例如24.25至52.6 千兆赫之間的毫米波頻段。若在6G網絡中，通信公司計劃利用90至300千兆赫的亞太赫茲頻段，情況會更糟。原因如下：對于4G和類似的低頻段，來自表面的反射實際上可增強接收的信號，因為反射的信號會相互疊加。然而，隨著頻率的提高，此種多徑效應會變弱或完全消失，對長波信號來說看似光滑的表面，對短波信號來講則相對粗糙。因此，在這樣的表面上，信號并非發生反射，而是發生散射。

一個解決辦法是使用更強的基站或在整個區域安裝更多基站。但這種策略可能會使成本翻番甚至更高。中繼器或轉發器也可提高覆蓋范圍，但其成本也可能令人望而卻步。相反，可重構智能表面則有望以略高的成本大大提高覆蓋率。

與其他方案相比，可重構智能表面具有吸引力的關鍵特征是其近乎無源的性質。無需放大器提升信號，意味著一個可重構智能表面節點只用一節電池和一小塊太陽能板即可供電。

可重構智能表面的功能好似一面非常復雜的鏡子，它可以調整方向和曲率，可在特定方向上對信號進行聚焦和重新定向（見本文首頁）。但這并不需要移動鏡子或改變鏡子的形狀，而是通過電控的方式改變其表面，從而改變入射電磁波的關鍵屬性，例如相位。

這就是超材料的作用。這種新興材料表現出超天然材料（“超”源自希臘語meta）的屬性，例如，不規則的反射或折射。這些材料由普通金屬和電絕緣體或電介質制成，當電磁波撞擊超材料時，預定的材料斜度會改變波的相位和其他特性，可根據需要彎曲波前并重新定向波束。

可重構智能表面節點由成百上千個被稱為“晶胞”的超材料元素組成。每個晶胞由金屬和介電層以及一個或多個開關或其他可調諧組件構成。典型結構包括帶有開關的頂部金屬貼片、偏置層和被電介質基板隔開的金屬接地層。通過控制偏置（金屬貼片和接地層之間的電壓），可使每個晶胞打開或關閉，控制各個晶胞改變入射波的相位和其他特性。

為控制整個可重構智能表面反射的較大波的方向，可以同步所有晶胞，在較大的反射波中建立相長干涉和相消干涉的模式（見下圖）。這種干涉模式可改變入射光束并將其發送到由該模式確定的方向。順便說一下，此基本工作原理與相控陣雷達相同。

可重構智能表面還有其他有用的功能。即使沒有放大器，可重構智能表面也能提供實質增益：30到40相對各向同性分貝（dBi），具體取決于表面的大小和頻率。這是因為天線的增益與天線的孔徑面積成正比，可重構智能表面相當于覆蓋大孔徑區域的多個天線，因而比傳統天線具有更高的增益。

可重構智能表面中的諸多晶胞均由邏輯芯片控制，例如帶有微控制器的現場可編程門陣列，亦可存儲動態調整可重構智能表面所需的多種編碼序列。控制器向各晶胞發出相應的指令，設置晶胞狀態。最常見的編碼機制是簡單的二進制編碼，由控制器切換各個晶胞的開關。晶胞開關通常為半導體器件，例如PIN二極管或場效應晶體管。

這里的重要因素是功耗、速度和靈活性，控制電路通常是可重構智能表面中最耗電的部分之一。當今合理有效的可重構智能表面在重構切換狀態時的總功耗約為幾瓦到十幾瓦，在空閑狀態下的功耗則很少。

要在現實世界的網絡中部署可重構智能表面節點，研究人員必須首先回答3個問題：需要多少個可重構智能表面節點？節點應該放在哪里？表面應該多大？如你所想，其中涉及復雜的計算和權衡。

工程師可以在設計基站時規劃確定可重構智能表面的最佳位置，或通過在覆蓋圖中找出信號強度差的區域來確定位置。至于表面的大小，將取決于頻率（頻率越低，需要的表面越大）以及表面部署的數量。

研究人員依靠模擬和測量優化網絡性能。在我工作的華為瑞典公司，我們多次討論可重構智能表面單元在城市環境中的最佳位置。我們正在使用一個名為“咖啡豆研磨機模擬器”（Coffee Grinder Simulator）的專有平臺，在構建和部署可重構智能表面前模擬其應用效果。我們正在與法國國家科學研究中心和巴黎中央理工-高等電力學院等機構開展合作。

在最近的一個項目中，我們使用模擬來量化在典型城市5G網絡中部署多個可重構智能表面的性能改善。據我們所知，這是首次采用這種方法大規模、系統級地估測可重構智能表面的性能。我們使用自己研發的有效部署算法優化可重構智能表面增強的無線覆蓋范圍。給定基站和用戶的位置，算法可幫助從墻壁、屋頂、角落等數千個可能位置中，選擇可重構智能表面節點的最佳三維位置和大小。軟件的輸出為可重構智能表面部署圖，可最大限度增加能夠接收目標信號的用戶數量。

當然，需要特別關注位于蜂窩覆蓋區域邊緣的用戶，他們的信號接收最差。我們的結果表明，蜂窩邊緣的覆蓋和數據速率有了很大提高，對于信號接收效果更好的用戶也是如此，尤其是在毫米波段。

我們還研究了潛在的可重構智能表面硬件權衡對性能的影響。簡言之，每個可重構智能表面設計都需要折中，例如將每個晶胞的響應數字轉化為二進制相位和幅度，構建更簡單、成本更低廉的可重構智能表面。但重要的是要知道設計上的折中是否會在不希望的方向產生額外波束或對其他用戶造成干擾。因此，我們研究了多個基站、可重構智能表面的二次輻射波等因素造成的網絡干擾影響。

毫不奇怪，我們的模擬證實了增大可重構智能表面的面積或數量皆可提高整體性能。但哪個更為合適呢？若將可重構智能表面節點和基站的成本考慮在內，我們發現，較少數量、較大面積的可重構智能表面節點部署在離基站及其用戶較遠的地方，可覆蓋更大的區域，這是非常經濟的解決方案。

可重構智能表面的大小和尺寸取決于工作頻率。我們發現少量的矩形可重構智能表面節點是一個很好的折中方案，此類節點用于C波段頻率（3.5千兆赫）時每個約為4米寬，用于毫米波段（28千兆赫）時每個約半米寬，在兩個波段中均可顯著提高性能。這可謂一個驚喜：可重構智能表面不僅改善了可能存在嚴重覆蓋問題的毫米波（5G 高頻）段的信號，還改善了C波段（5G 中頻）的信號。

為擴大室內無線覆蓋，亞洲的研究人員正在研究一種非常有趣的可能性：將透明的可重構智能表面節點覆蓋在屋內窗戶上。日本電報電話公共公司以及中國東南大學和南京大學都在實驗使用智能薄膜或智能玻璃。這些薄膜由透明導電氧化物（如氧化銦錫）、石墨烯或銀納米線制成，不會明顯降低透光率。將薄膜貼在窗戶上時，進入室內外部的信號會被折射和增強，可增強室內的信號覆蓋。

可重構智能表面節點的規劃和安裝只是挑戰的一部分。為使可重構智能表面節點以最佳方式工作，需要每時每刻配置節點，實時適應通信信道的狀態。最佳配置需對信道進行準確的實時估算。技術人員可以通過測量基站、可重構智能表面和用戶之間的“信道脈沖響應”來得出估算值。可使用導頻測量該響應，導頻是發射機和接收機預先已知的參考信號，這是無線通信中的標準技術。基于對信道的估算，可計算可重構智能表面中每個晶胞的相移。

目前的做法是在基站執行此類計算。然而，這需要大量的導頻，因為每個晶胞都需要自己的相位配置。有許多減少這項開支的設想，但到目前為止，沒有一個真正有望實現。

所有晶胞的總計配置通過無線控制鏈路饋送到各可重構智能表面節點。因此，每個可重構智能表面節點都需要一臺無線接收機來定期收集指令。這當然會消耗電力，而且也意味著可重構智能表面節點完全依賴于基站，帶來不可避免且無法承受的運行費用，同時需要持續不斷的控制。這樣一來，整個系統需要通過無線控制信道對基站和多個可重構智能表面節點安排一個完美無暇的復雜業務流程。

我們需要更好的方法。回想一下，可重構智能表面中的“I”代表智能。這個詞暗示節點內部對表面的實時、動態控制，即學習、理解和對變化作出反應的能力。我們現在并沒有做到這一點。如今的可重構智能表面節點無法感知、推理或響應；它們只執行來自基站的遠程命令。這也是為何我和我在華為的同事開始著手執行自治可重構智能表面（AutoRIS）項目。該項目旨在令可重構智能表面節點能夠自主控制并配置其晶胞的相移。這將在很大程度上消除基于基站的控制和大量信令（或是限制使用可重構智能表面增大數據速率，或是需要節點同步），以及額外的功耗。AutoRIS的成功很可能有助于確定可重構智能表面能否實現大規模商用部署。

當然，將必要的接收和處理能力集成到可重構智能表面節點，同時保持節點的輕量級和低功耗是相當艱巨的挑戰。事實上，這將需要大量的研究工作。可重構智能表面要具有商業競爭力，就必須保持低功耗的特性。

考慮到這一點，我們正探索在可重構智能表面中集成超低功耗人工智能（AI）芯片，同時使用極其高效的機器學習模型來實現智能化。這些智能模型能夠根據接收到的信道相關數據生成可重構智能表面輸出配置，同時根據業務合同和網絡運營商對用戶分類。將人工智能集成到可重構智能表面還可增加其他功能，例如動態預測即將接收的可重構智能表面配置，按位置或影響可重構智能表面操作的其他行為特征對用戶進行分組。

并非所有情況都需要智能、自主的可重構智能表面。對某些偶爾重構（可能每天幾次或更少）的區域，靜態可重構智能表面完全適用。事實上，毫無疑問，從靜態到完全智能、自主，需要有一系列的部署。成功與否不僅取決于效率和性能，還取決于是否易于集成到現有網絡中。

可重構智能表面真正的測試用例將是6G。下一代無線技術有望采用自主網絡和智能環境，具有實時、靈活、軟件定義和自適應控制。與5G相比，6G有望提供更高的數據速率、更大的覆蓋范圍、更低的延遲、更多的智能和更高精度的感知服務。與此同時，6G的關鍵驅動因素是可持續發展：我們需要更節能的解決方案來滿足許多網絡運營商正在努力實現的“凈零”排放目標。可重構智能表面符合所有這些要求。

讓我們從大規模多輸入多輸出（MIMO）說起。這種基礎的5G技術在無線信道的發送端和接收端使用多個天線封裝成陣列，一次發送和接收多個信號，從而明顯提高網絡容量。然而，6G更高數據速率的需求將需要更大規模的MIMO，這需要更多的射頻鏈工作，耗電大且運行成本高。如本文所述，節能且成本更低的替代方案是在大規模MIMO基站和用戶之間放置多個低功耗可重構智能表面節點。

毫米波和亞太赫茲6G頻段有望釋放出驚人數量的帶寬，但前提是克服具有潛在致命性的覆蓋問題，且不能倚靠昂貴的解決方案，例如超密集部署基站或有源中繼器。在我看來，只有可重構智能表面能以合理的成本實現這些頻段的商業可行性。

通信行業已將感知（高精度定位服務以及物體檢測和姿勢識別）作為6G的一個重要潛在特性來兜售來。感知也將提升性能。例如，高精度定位用戶將有助于有效引導無線波束。感知亦可以作為一種新的網絡服務提供給垂直行業，例如智能工廠、自動駕駛等，其中對人或汽車的檢測可用于繪制環境地圖，也可用于家庭安全系統的監視。可重構智能表面節點的大孔徑及其帶來的高分辨率意味著此類應用不僅可行，而且可能具有成本效益。

天空不是極限。可重構智能表面可以將衛星集成到6G網絡中。通常，衛星的耗電量很高，需要使用大型天線來補償長距離傳播損耗和地球上移動設備的能力不足。可重構智能表面可以發揮重要作用，最大限度地減少此類限制，甚至可能允許衛星到6G用戶的直接通信。這樣的方案可能會使得集成衛星的6G網絡更高效。

隨著過渡到新服務和廣闊的新頻率體系，無線通信將進入一個充滿希望和嚴峻挑戰的時期。在下一個激動人心的階段，需要引入許多技術。但沒有哪一個比可重構智能表面更重要。

作者在此由衷感謝Ulrik Imberg為本文的撰寫提供的幫助。

作者：Marios Poulakis?

來源：悅智網

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