基于时空编码数字超表面的空分和频分复用无线通信方法

研究背景

目前正处于第五代移动通信技术（5G）快速发展的时代，6G的研究也开始萌芽，未来无线通信对射频链路和大规模天线阵列提出了较高的性能要求，在成本、性能、功耗、集成度等方面面临诸多挑战。在移动通信领域，复用技术被广泛地用于信息传输，通过在收发机之间建立多个独立通道，大幅提升通信网络的容量。时分复用、频分复用、码分复用、空分复用等技术在过去几十年间被广泛研究用于移动通信。传统频分复用技术通常需要高性能滤波器和混频器来划分频带；传统空分复用技术需要多天线和相应射频部件构成多通道阵列体制收发机，导致了系统的高成本和高复杂度。

成果简介

近日，东南大学电磁空间科学与技术研究院、毫米波国家重点实验室崔铁军院士、程强教授课题组与移动通信国家重点实验室金石教授课题组在信息超材料领域取得新进展，利用时空编码数字超表面将信息直接加载到电磁波的空间谱和频率谱特征上，实现了空分和频分复用的无线通信新体制。研究成果以“A wireless communication scheme based on space- and frequency-division multiplexing using digital metasurfaces”为题，于2021年3月18日发表在国际知名期刊《自然·电子学》（Nature Electronics）上。东南大学为第一署名单位，论文通讯作者为崔铁军院士、程强教授和金石教授，第一作者为东南大学张磊博士；合作者还包括东南大学博士生陈明正、唐万恺、戴俊彦、苗龙和周小阳老师。

自2014年崔铁军院士课题组提出“数字编码与可编程超材料/超表面”的概念以来（Light: Science & Applications 3, e218, 2014），相关研究一直是国际超材料领域的热点。数字超表面通过改变编码序列来操控电磁波的辐射或散射特性，可以简化设计流程，便于仿真优化和加工测试；也使得在物理空间上进行信息编码与处理成为可能。数字编码的表征方式也在物理世界与数字世界之间建立了纽带，可以从信息科学的角度来研究超表面，形成了“信息超材料/超表面”的新体系（Journal of Materials Chemistry C 5, 3644-3668, 2017; iScience 23, 101403, 2020）。信息超表面能够实时操控电磁波、直接处理数字信息，并能进一步对信息进行感知、学习和认识。2018年，“时空编码数字超表面”概念的提出统一了空间域和时间域的编码，可以同时在空间域和频率域进行电磁调控和信息处理（Nature Communications 9, 4334, 2018），拓展了信息超表面的应用范围。

图1 基于时空编码数字超表面实现空分和频分复用的直接信息传输无线通信系统。

为了进一步提升时空编码数字超表面对电磁信息的强大调控能力，研究人员在该工作中利用时空编码数字超表面来精准地调控电磁波传播方向和谐波频谱分布，集能量辐射和信息调制功能于一体，同时在时间域和空间域编码并处理数字信息。通过优化时空编码矩阵，将信息直接加载到电磁波的空间谱和频率谱特征上，形成了空分复用和频分复用的新体制无线通信方法。根据目标用户数量和空间位置，采用预先设计的直接信息编码方案可以同时、独立地与多个用户进行实时信息传输，无需数模转换和混频过程（如图1所示）；同时还具备了方向调制的安全通信特性，在非目标位置的用户无法正确解调信息。

图2 基于时空编码数字超表面的双通道无线通信系统样机，同时、独立地朝两个用户传输不同的图片。

作为原理验证，研究人员利用一款2比特数字可编程超表面搭建了一套无线通信系统原理样机，可以同时、独立地朝空间任意位置的两个用户传输不同的信息。不同用户具备独立的频率通道，实验中用户之间信号串扰很小，传输的结果证实了时空信息编码方案的可行性（如图2所示）。

小结

总之，这种基于时空编码数字超表面的新体制复用无线通信系统，具有成本低廉和结构简单的优势，省去了传统空分和频分复用技术中所需的天线阵列、混频器、滤波器等射频部件。时空编码数字超表面提供了一种低成本和低复杂度的方案来实施空分和频分复用技术，在未来新体制无线通信和雷达系统中具有广阔的应用前景。美国佐治亚理工学院的Shuai Nie和Ian F. Akyildiz教授在Nature Electronics上以“Metasurfaces for multiplexed communication”为题对该工作进行了专题介绍（Nature Electronics, doi.org/10.1038/s41928-021-00555-3, 2021）。

本工作得到了国家科技部重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项“微波毫米波数字编码和现场可编程超构材料的理论体系与关键技术”、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。