6G 信息技术超材料白皮书

6G信息技术超材料白皮书 中国移动研究院 东南大学电磁空间科学与技术研究所 2022 内容 1Introduction3 2超材料天线5 3智能反射面6 3.1原则6 3.2操作模式8 3.3应用程序场景12 3.4性能Testing13 4波束形成超表面基底站21 4.1原则21 4.2挑战22 5直接调制超表面基站23 5.1原则23 5.2挑战24 6Summary26 7贡献者26 参考文献27 1Introduction 超材料于1968年首次提出。从那以后，他们受到了广泛的关注。在英语单词“metamaterial”中，前缀“meta”的意思是超越和超过，强调了超材料具有天然材料所不具有的许多特性。请注意，这些“元”特性不是由于材料本身固有的物理或化学性质，而是由于工程新颖结构的结果，这些结构使它们具有超越天然材料的某些能力。正因为如此，超材料在光学、声学、热学、电磁学和结构力学等领域得到了广泛的应用。 电磁超材料（以下简称超材料）是根据电磁要求设计和制造的。因此，它们也被称为人工电磁介质。超材料由遵循某些规则(周期性或非周期性)的排列良好的人造微结构组成。每个微结构由介电材料或介电材料加上金属组成,具有亚波长水平(0.1-0.5波长)的尺寸。 最初，超材料的设计遵循等效介质的概念，这导致最早提出的具有负折射率和负多普勒特性的材料被用于雷达隐身等场景。它们标志着电磁学和材料科学的重要阶段。然而,等效介质超材料具有厚且难以加工的三维结构,这极大地限制了它们的工程应用。后来，提出并推广了超材料的概念，其中其他人工制造的结构也包括在超材料的大家庭中。特别是，超表面是一种由亚波长平面单元组成的二维结构。与等效介质超材料相比，它具有低剖面、低成本、易加工等优点，因此受到了广泛的关注，在电磁学领域得到了广泛的应用。此外，传统的电磁带隙（EBG）结构，频率选择表面（FSS）和人工磁导体（AMC）通常被认为是超表面的广义。 图1.超材料原理 虽然传统的超材料可以通过单元结构的参数调整来实现对电磁波的控制，但一旦制造出来，它们的性能就会固定下来，难以进一步调整。2014年，东南大学的一个团队由教授领导。CUI铁军成为世界上第一个提出数字超材料概念的人，并展示了第一个现场可编程超材料，可以根据FPGA的输出顺序调整超表面单元内部二极管开关的通断。物理空间中电磁波的直接控制[1]为数字可编程超材料的研究奠定了基础 ，并迅速引起了世界范围的关注。此后，变容二极管，三极管，MEMS，液晶，石墨烯，相变材料等。已被引入到超表面的研究中，以及更多样化的控制方法来灵活调整振幅，相位，极化等。随后，教授。CUI铁军通过融合信息技术，电子，材料科学领域的研究提出了信息超材料的概念，并将超材料的研究从简单的空间域编码扩展到可用于直接调制空间域电磁信息的空间-时间-频率域联合编码[2,3]。这一系列工作具有里程碑式的意义，它开启了连接数字世界和物理世界的新范式，为基于信息超材料的下一代无线通信系统的研究奠定了基础。 2021年7月,中国移动与东南大学电磁空间科学与技术研究所联合在商用5G网络中对智能超表面进行了行业首次现场试验,结果表明,智能超表面可灵活直 根据用户分布的波束，从而显着提高了弱覆盖区域的信号强度，网络容量和数据速率。该试验为信息超材料技术在未来无线通信中的广泛应用增加了信心。 本白皮书介绍了信息超材料的四个主要应用：天线，智能反射表面，用于波束形成的基于超表面的基站和基于超表面的直接调制，旨在共享6G通信网络的新设计概念和技术手段。 2用于天线的超材料 超材料在无源天线中找到了成熟的用途。无论是减少互耦以提高单元之间的隔离，还是改变谐振以改变单元的相位，本质都是调整超材料的表面阻抗。以下是一些典型的应用和原理： 图2.无源天线的超材料 用于天线罩的超材料[5]或超材料隔离带[6]可以阻碍天线单元之间的波传播，从而减少天线的交叉耦合，提高单元之间的隔离度。替代地,超材料可以用作天线反射器以实现不同频带的天线之间的“电磁透明”,从而促进在有限空间中的多频带天线集成。这种类型的应用已经在一些基站天线中看到。 此外，由具有不同相位响应的周期性结构组成的平面透镜可以代替传统的曲线状透镜[7]，从而简化了共形和制造过程，并且可以通过在焦平面中放置不同的馈电源来形成多个光束。光束可以通过ZIM[8]的超材料盖聚焦到整形器方向，从而提高天线增益。超材料阵列的周期性或准周期性布置，当应用于天线阵列的辐射单元[9]时，会阻碍表面波的传播，这不仅减少了互耦，而且扩大了带宽并提高了天线增益。 AMC超材料结构还可以在不牺牲天线增益的情况下降低天线轮廓[10]。想法如下。在传统天线中,辐射单元与底层金属反射板之间的间距通常为1/4波长。这是由于以下事实:当金属板被天线辐射单元照射时,反射波的相位将被增加180度。为了保证较高的辐射效率，即保持天线元件反射波和辐射波的同相关系，天线元件和金属反射板应分开1/4波长。如果使用AMC代替金属板,则当天线辐射单元照射上AMC时,反射相位可以为零。 即,将不再需要1/4波长间隔,从而显著降低天线的高度。 3智能反射面 智能反射表面（IRS），也称为可重构智能表面（RIS），是一种可重构的超表面。由于无源反射特性和简单的硬件架构，RIS通过构建可控的无线环境来满足未来移动通信的需求，带来了6G通信系统的新网络范式。在以下部分中，将从技术原理，操作模式，应用场景，性能验证和挑战四个方面讨论RIS 。 3.1原则 在传统的无线环境中,无线信号会遇到 传输过程。在反射、折射和穿透之后,产生多路径分量:信号将以不同的幅度、相位和延迟到达接收端。由于这些多路径副本将与直接路径信号正或负叠加。会出现多径衰落，严重降低无线系统的性能。相反，通过对RIS上大量低成本电磁单元的智能控制，可以以可控的方式重建无线传播环境，从而使不确定的信道变得确定性。如图3所示,RIS的电磁单元的反射相移被适当地调谐,使得由RIS反射的信号和沿着其它路径的信号可以在接收器处相长地叠加,以增强信号的质量。 图3.智能反射器示意图 RIS通常由大规模设备阵列和控制模块组成。大规模器件阵列的特征在于在平面衬底上规则且重复布置的大量器件单元。为了实现相位操纵的目标,RIS面板通常需要数百或数千个设备单元。每个设备单元具有可调谐的设备结构。例如，设备单元包含PIN二极管，其中PIN二极管的开关状态确定设备单元对入射无线信号的响应模式[11]。典型的硬件体系结构如图4所示，由三层和一个控制模块组成。在外层中 ,大量的金属片被印刷在电介质衬底上,并且将直接与入射信号相互作用。在中间层中，使用铜板来防止信号能量的泄漏。最后,内层是负责调节每个单元的幅度/相移的控制电路板。内层连接到RIS阵列控制模块[12]。 图4.RIS的结构[12] RIS阵列控制模块可以控制各个设备单元的工作状态,即调谐各个单元的参数和调整单元周围电磁波的幅度和相位分布,动态或半静态地控制各个单元的工作状态,实现对无线信号的不同响应模式。大规模设备阵列的每个设备单元的无线响应信号被叠加,从而形成期望的波束并显著提高无线系统的信道容量和频谱效率。 3.2操作模式 目前，RIS的学术研究大多基于理想主义假设，侧重于RIS辅助通信系统的理论性能上限。然而,在实际部署中,需要考虑各种问题,诸如量化误差、处理复杂性、计算能力、系统开销等。因此，从静态到动态，逐渐接近理论上界的“三步走”操作模式，更符合技术阶段的正常迁移。基于波束控制的灵活性,RIS可以具有三种操作模式,如图5所示,它们是静态/半静态操作模式、基于波束扫描的动态操作模式和基于信道状态信息(CSI)的智能操作模式。 1.静态/半静态运行模式 该模式代表RIS技术的初始阶段，其中反射器光束可以是固定的或具有较长的时间间隔进行调整。这种操作模式适用于覆盖范围较差的小区域，或者移动终端需要依靠反射面来访问网络的完全阻塞区域。该模式具有控制简单、部署快捷等优点。然而,由于反射波束的方向在长时间段内是固定的,因此难以执行用户特定的波束成形。它也不能确定动态改变的信道的最佳波束响应。 2.带波束扫描的动态模式 在该模式中,RIS相位调整不需要动态信道信息。相反，可以基于多个波束方向来调整RIS的相位（e。Procedre，码本）已经知道。用户通过测量信道质量来反馈对应于最佳波束方向的信息。然后,基站将RIS配置到所选择的波束方向。这种操作模式不需要小规模信道状态信息,候选波束方向是预定义的和固定的,导致用于控制指示的小开销。然而,多轮波束调整将导致更大的系统开销。 3.采用CSI的智能运行模式 在该阶段中,基站配置反射表面的元件相位。通过RIS的多次相位调整来执行信道估计。反射相位被配置为根据信道估计结果来适应实际信道。这种操作模式有望提供最佳性能。然而,信道估计和整个过程非常复杂,增加了显著的系统开销。 基于以上分析，基于波束扫描的动态操作模式可以在性能和开销之间进行很好的权衡，是当前研究的一个关键方向。该操作模式下RIS的基本信号流程如图6所示。 图5.RIS的三种工作模式 为了使RIS灵活地可调谐,要求基站对RIS施加控制,其可以通过有线连接、IP路由、无线连接或自主感测。平衡部署灵活性和功耗，基站的无线控制似乎更可行。在该阶段,控制信令可以基于U接口协议,同时还考虑由于将RIS面板引入系统而引起的协议流和信令的必要改变。这将有助于加速RIS的商业化。 图6.基于波束扫描的动态模式流程图 已知信道估计可能导致具有大量反射元素的RIS的过多开销。图6所示的基于码本的反射相位调整方案具有以下优点。首先,该方案不需要基站和RIS之间的迭代联合波束优化。相反,基站仅需要基于所选择的反射相位码字来分配RIS元素相位的适当码字。其次,基于码本的调整不需要关于每个RIS元素的信道状态信息,使得终端只需要估计级联的信道状态信息(基站到RIS和RIS到终端),这大大降低了信道估计的复杂度。基于以上分析,图6中的方案可以在享受低实现复杂度的同时,从动态相位调整中获得性能优势 ,可以作为后续系统设计的参考。 3.3应用场景 未来的移动通信服务需要更高的数据速率、更多的连接密度、更多的频谱资源和更有效的频谱利用 。一方面，RIS可以减少物联网（IoT）无线传输的能耗，另一方面，它可以在不使用额外频谱资源的情况下增加信道容量。RIS具有准无源、低功耗、部署灵活等优点。通过对电磁波传播特性的智能控制，RIS在提高移动通信系统的传输速率、覆盖范围、能效等方面具有巨大潜力。RIS的潜在应用场景可分为传统通信应用和垂直行业新应用[4]，如图7所示。 传统通信应用 垂直行业的新应用 覆盖孔减少 小区边缘覆盖增强 室内覆盖增强 边缘速率增强和干扰抑制 图7.R 传统通信应用 RIS在传统通信中的应用包括覆盖空洞减少、干扰抑制、热点增强和视距多流传输以及传输鲁 热点数据速率增强和视线多流传输 1. 传输鲁棒性增强 ⋯⋯ 高精度传感和定位， 车联网通信、无人机通信 安全通信，同时无线信息和电力传输 减少电磁污染 应用 边缘覆盖增强、室内覆盖增强、小区边缘速率增增强等。 IS的边缘网络延迟减少 反向散射通信 ⋯⋯ 小区强 和棒性 2.垂直行业的新应用 许多现有文献已经讨论了RIS潜在的新应用场景。典型的应用包括高精度传感和定位、车辆对X网络、无人机通信、安全通信、同步信息传输和电力 传输、降低电磁污染、降低边缘网络时延、反向散射通信等。 3.4性能测试 为探索RIS的实际性能和应用场景，以及其在室内和室外部署中的潜在问题，中国移动于2021年6月在南京完成了现场测试，以验证RIS在5G直播网络环境下的可行性。与东南大学CAE院士崔铁军团队和杭州钱塘信息有限公司合作。,Ltd.在测试中，待验证的RIS新技术具有可调节的电磁单元组件，并能够灵活控制波束成形方向