北京大学信息学院电子学系宋令阳教授、邸博雅助理教授团队在基于可重构超表面（Reconfigurable MetaSurface）的6G无线传输技术研究中取得一系列进展。课题组研究了可重构超表面通信的网络容量机理，首次揭示了容量与超表面尺寸、相移数目之间的数学关系，并基于实际通信系统限制条件，提出有限相移下的可重构超表面多用户传输机制，为实现未来低功耗、超大规模通信提供了新的理论依据和技术路径。系列研究成果分别发表在期刊IEEE Transactions on Vehicular Technology和IEEE Journal of Selected Areas in Communications（通信领域影响因子最高的技术期刊），并受到来自学术界和工业界的关注。3篇论文的被引频次在同期文章中排名均位居电子学科的前1%，并于2021年9月入选ESI高被引论文。其中2篇论文在近两个月的被引频次排名位居电子学科的前0.1%，入选ESI热点论文。
当前移动设备数量的显著增长和日益多样化的通信应用对6G网络容量与数据服务质量提出了更高的要求，导致无线通信网络在深度覆盖、功耗、成本、超密集连接等方面所面临的问题越来越突出，引发了我们对新的通信模式的迫切需求。为了支持高速和无缝的数据传输业务，各种无线传输技术受到越来越多的关注，如大规模天线技术等。然而，这些技术依赖于复杂的硬件电路和软件处理算法来实现，成本和功耗极高，对未来大规模移动用户的支持还难以为继。此外，以上技术在应对复杂的、不稳定的传播环境时，服务质量亦难以保证。
而可重构超表面（Reconfigurable MetaSurface）作为一种全新的无线通信增强技术（如图1a和1b为超表面结构）可以有效解决上述问题。该技术融合了人工电磁超材料技术和现代移动通信技术，具有前沿交叉学科特质。如图1c和1d所示，可重构超表面可以摆脱对复杂硬件电路的依赖来调控电磁波，通过改变入射信号的传输方向，定向增强接收方向的信号强度，从而提升网络性能，降低了成本和功耗。然而，目前对可重构超表面通信系统的研究还处于起步阶段，我们面临如网络容量机理表征、超表面参数设计、无线传输机制研究等众多挑战。
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图1 a)超表面整体结构；b)超表面单元结构；c）超表面调控电磁波反射方向；d)可重构超表面后5G通信场景
“信息论之父”克劳德·香农指出“网络容量理论是通信系统设计的基石”（1961年）。研究团队为构建可重构超表面无线传输系统的容量理论，构建了有限相移条件下的通信链路模型,推导了可重构超表面无线传输的网络容量，获得了网络容量受有限相移数目和超表面尺寸之间的数学关系（如图2所示）。研究揭示当超表面尺寸足够大时，相移数目采用1比特调制即可达到目标数据速率，这为实际系统中超表面的尺寸和相移调制设计带来了有力依据。该成果以《有限相移可重构超表面辅助通信：相移数目探究》（Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted Communications with Limited Phase Shifts: How Many Phase Shifts Are Enough?）为题，在2020年4月发表于期刊IEEE Transactions on Vehicular Technology，宋令阳教授为通讯作者，至今Google Scholar被引100余次，同时入选ESI高被引论文和热点论文。
图2有限相移数目和超表面尺寸对信噪比的影响
在可重构超表面容量理论的基础上，研究团队针对下行大规模多用户通信需求（如图3a），进一步提出了基于有限相移可重构超表面的多用户混合波束成形传输技术。利用超表面能够定向反射信号的特性，设计了通信基站数字波束成形-超表面模拟波束成形的传输方案（如图3b），相比于传统传输方案，将用户的数据速率提升了30%以上。并且在不完全信道信息条件下，设计了实用的低相移超表面波束成形技术，揭示了相移数目较低（2-3比特）时，超表面即可以用极低的成本实现目标传输速率，为实现低成本高速率传输提供了有效途径。研究成果分别以《面向多用户通信的可重构超表面混合波束成形：有限相移条件下的可达数据速率》（Hybrid Beamforming for Reconfigurable Intelligent Surface Based Multi-User Communications: Achievable Rates with Limited Discrete Phase Shifts）和《基于低相移数目可重构超表面的实用波束成形技术》（Practical Hybrid Beamforming with Limited-Resolution Phase Shifters for Reconfigurable Intelligent Surface based Multi-user Communications）为题目，发表于期刊IEEE Transactions on Vehicular Technology (2020/04)和IEEE Journal of Selected Areas in Communications (2020/08)上，第一作者为邸博雅助理教授，通讯作者为宋令阳教授。两篇论文均入选ESI高被引论文，其中《面向多用户通信的可重构超表面混合波束成形：有限相移条件下的可达数据速率》同时入选ESI热点论文。
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图3 (a)可重构超表面多用户下行通信(b)可重构超表面混合波束成形传输方案
上述研究得到国家杰出青年科学基金等项目资助。
原文链接：
1.https://ieeexplore.ieee.org/document/8990007
2.https://ieeexplore.ieee.org/document/9110889
3.https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9001052
