信息超表面：无线通信的新驱动力与6G应用前景

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4 浏览量更新于2024-06-28 收藏 744KB DOCX 举报

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"基于信息超表面的无线通信是一种前沿的通信技术，它利用超材料和超表面的特性，尤其是在数字编码和可重构技术上的突破，来满足现代无线通信系统日益增长的需求。超材料和超表面是人工电磁媒介，它们能够实现超越自然界的电磁特性，如负折射、隐形传输和超分辨率成像等。数字编码超材料通过离散数字状态控制电磁行为，允许对电磁信息进行精确调控，这一创新使得传统超表面的功能不再受限于制造后固定不变，而是可以实时重构。信息超表面作为可重构数字超表面的升级，将信息科学与超表面技术紧密结合，尤其在6G无线通信的研究中展现了巨大的潜力。它的优势在于低成本、低复杂度、低能耗和高精度，这使得它有望成为6G通信技术的关键组件。信息超表面在无线通信中的应用主要体现在两个方面： 1. 无线中继与信道优化：作为RIS或IRS，信息超表面可以作为发射机和接收机之间的低成本中继，通过调整电磁波的相位，能够改善无线信道，甚至定制化无线环境。它可以增强信号，通过相位调控消除干扰，提升通信质量。 2. 简化系统架构：信息超表面还能用作发射机内部的重要组成部分，通过直接调制电磁波波前并快速改变其近场和散射场，能够简化传统射频模块的设计，降低系统复杂性和成本。这种灵活性使得信息超表面有可能推动新型无线通信系统的设计革新。随着科技的发展，信息超表面在无线通信领域的应用前景广阔，不仅能满足高速度、大容量和高稳定性的通信需求，还有望解决传统无线通信系统面临的诸多挑战。然而，进一步的研究和开发仍需解决的技术难题包括器件的集成、可靠性、以及大规模生产中的制造成本等问题。总体来说，基于信息超表面的无线通信技术正在逐步崭露头角，预示着未来无线通信的新篇章。"

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建立通信链路。参考文献[41-42]将信息超表面置于直角坐标系的 x-o-y 平面上，并使信息

超表面的几何中心与直角坐标系的原点重合。图 1(c)所示的信息超表面由 N 行 M 列规则排

布的电磁响应可重构的单元组成。每个电磁单元沿 y 轴方向的长度为 dydy，沿 x 轴方向的

长度为 dxdx，其大小一般为亚波长尺度，即二分之一波长至十分之一波长。发射机到直角

坐标原点的距离，接收机到直角坐标原点的距离，直角坐标原点到发射机的仰角和方位

角，直角坐标原点到接收机的仰角和方位角分别用 d1d1，d2d2，θtθt，ϕtϕt，θrθr 和 ϕrϕr

来表示。参考文献[41-42]的研究结果显示，当位于(xt,yt,zt)(xt,yt,zt)的发射机发射波长为 λ

的信号经信息超表面的反射被位于(xt,yt,zt)(xt,yt,zt)的接收机所接收，自由空间路径损耗通

用模型可表示为：

PLgeneral=16π2GtGr(dxdy)2∣∣∣∣∣∑m=1−M2M2∑n=1−N2N2Fcombinen,m−−−−−−−√Γn,mrtn,mrrn,me−j2π(rtn,m+rrn,m)λ∣∣∣∣∣2PLgeneral=16π2GtGr(dxdy)2|∑m=1−M2M2∑n=1−N2N2Fn,mcombineΓn,mrn,mtrn,mre−j2π(rn,mt+rn,mr)λ|2

(1)

式中：Fcombinen,mFn,mcombine 为发射天线、信息超表面、接收天线的联合归一化功

率辐射方向图，为角度相关的因子。通过自由空间路径损耗通用模型，参考文献[41-42]揭

示了信息超表面反射路径的自由空间路径损耗与发射/接收天线的增益以及电磁单元大小的

平方成反比。此外，路径损耗还与发射/接收天线以及电磁单元的联合归一化功率方向图、

电磁单元的数量、电磁单元的反射系数设计以及发射机/接收机与各电磁单元之间的距离有

关。为更清晰地展示路损模型与传播距离的关系，参考文献[41-42]针对两个信息超表面典

型应用场景进行讨论，以便得到典型场景下自由空间路径损耗的直观见解。

参考文献[41-42]讨论的两个典型信息超表面应用场景为：辅助波束成形以及辅助信号

广播。在信息超表面辅助波束成形场景中，将配置信息超表面单元的反射系数，使得反射

信号在特定用户处相干叠加，以获得最大的接收功率。而在信息超表面辅助信号广播场景

中，将配置信息超表面单元的反射系数，使得反射信号均匀覆盖特定区域内的所有用户，