研究背景

目前正處于第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）快速發(fā)展的時(shí)代，6G的研究也開(kāi)始萌芽，未來(lái)無(wú)線通信對(duì)射頻鏈路和大規(guī)模天線陣列提出了較高的性能要求，在成本、性能、功耗、集成度等方面面臨諸多挑戰(zhàn)。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，復(fù)用技術(shù)被廣泛地用于信息傳輸，通過(guò)在收發(fā)機(jī)之間建立多個(gè)獨(dú)立通道，大幅提升通信網(wǎng)絡(luò)的容量。時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、碼分復(fù)用、空分復(fù)用等技術(shù)在過(guò)去幾十年間被廣泛研究用于移動(dòng)通信。傳統(tǒng)頻分復(fù)用技術(shù)通常需要高性能濾波器和混頻器來(lái)劃分頻帶；傳統(tǒng)空分復(fù)用技術(shù)需要多天線和相應(yīng)射頻部件構(gòu)成多通道陣列體制收發(fā)機(jī)，導(dǎo)致了系統(tǒng)的高成本和高復(fù)雜度。

成果簡(jiǎn)介

近日，東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院、毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍院士、程強(qiáng)教授課題組與移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金石教授課題組在信息超材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，利用時(shí)空編碼數(shù)字超表面將信息直接加載到電磁波的空間譜和頻率譜特征上，實(shí)現(xiàn)了空分和頻分復(fù)用的無(wú)線通信新體制。研究成果以“A wireless communication scheme based on space- and frequency-division multiplexing using digital metasurfaces”為題，于2021年3月18日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）上。東南大學(xué)為第一署名單位，論文通訊作者為崔鐵軍院士、程強(qiáng)教授和金石教授，第一作者為東南大學(xué)張磊博士；合作者還包括東南大學(xué)博士生陳明正、唐萬(wàn)愷、戴俊彥、苗龍和周小陽(yáng)老師。

自2014年崔鐵軍院士課題組提出“數(shù)字編碼與可編程超材料/超表面”的概念以來(lái)（Light: Science & Applications 3, e218, 2014），相關(guān)研究一直是國(guó)際超材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)。數(shù)字超表面通過(guò)改變編碼序列來(lái)操控電磁波的輻射或散射特性，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，便于仿真優(yōu)化和加工測(cè)試；也使得在物理空間上進(jìn)行信息編碼與處理成為可能。數(shù)字編碼的表征方式也在物理世界與數(shù)字世界之間建立了紐帶，可以從信息科學(xué)的角度來(lái)研究超表面，形成了“信息超材料/超表面”的新體系（Journal of Materials Chemistry C 5, 3644-3668, 2017; iScience 23, 101403, 2020）。信息超表面能夠?qū)崟r(shí)操控電磁波、直接處理數(shù)字信息，并能進(jìn)一步對(duì)信息進(jìn)行感知、學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)。2018年，“時(shí)空編碼數(shù)字超表面”概念的提出統(tǒng)一了空間域和時(shí)間域的編碼，可以同時(shí)在空間域和頻率域進(jìn)行電磁調(diào)控和信息處理（Nature Communications 9, 4334, 2018），拓展了信息超表面的應(yīng)用范圍。

圖1 基于時(shí)空編碼數(shù)字超表面實(shí)現(xiàn)空分和頻分復(fù)用的直接信息傳輸無(wú)線通信系統(tǒng)。

為了進(jìn)一步提升時(shí)空編碼數(shù)字超表面對(duì)電磁信息的強(qiáng)大調(diào)控能力，研究人員在該工作中利用時(shí)空編碼數(shù)字超表面來(lái)精準(zhǔn)地調(diào)控電磁波傳播方向和諧波頻譜分布，集能量輻射和信息調(diào)制功能于一體，同時(shí)在時(shí)間域和空間域編碼并處理數(shù)字信息。通過(guò)優(yōu)化時(shí)空編碼矩陣，將信息直接加載到電磁波的空間譜和頻率譜特征上，形成了空分復(fù)用和頻分復(fù)用的新體制無(wú)線通信方法。根據(jù)目標(biāo)用戶數(shù)量和空間位置，采用預(yù)先設(shè)計(jì)的直接信息編碼方案可以同時(shí)、獨(dú)立地與多個(gè)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)信息傳輸，無(wú)需數(shù)模轉(zhuǎn)換和混頻過(guò)程（如圖1所示）；同時(shí)還具備了方向調(diào)制的安全通信特性，在非目標(biāo)位置的用戶無(wú)法正確解調(diào)信息。

圖2 基于時(shí)空編碼數(shù)字超表面的雙通道無(wú)線通信系統(tǒng)樣機(jī)，同時(shí)、獨(dú)立地朝兩個(gè)用戶傳輸不同的圖片。

作為原理驗(yàn)證，研究人員利用一款2比特?cái)?shù)字可編程超表面搭建了一套無(wú)線通信系統(tǒng)原理樣機(jī)，可以同時(shí)、獨(dú)立地朝空間任意位置的兩個(gè)用戶傳輸不同的信息。不同用戶具備獨(dú)立的頻率通道，實(shí)驗(yàn)中用戶之間信號(hào)串?dāng)_很小，傳輸?shù)慕Y(jié)果證實(shí)了時(shí)空信息編碼方案的可行性（如圖2所示）。

小結(jié)

總之，這種基于時(shí)空編碼數(shù)字超表面的新體制復(fù)用無(wú)線通信系統(tǒng)，具有成本低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，省去了傳統(tǒng)空分和頻分復(fù)用技術(shù)中所需的天線陣列、混頻器、濾波器等射頻部件。時(shí)空編碼數(shù)字超表面提供了一種低成本和低復(fù)雜度的方案來(lái)實(shí)施空分和頻分復(fù)用技術(shù)，在未來(lái)新體制無(wú)線通信和雷達(dá)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Shuai Nie和Ian F. Akyildiz教授在Nature Electronics上以“Metasurfaces for multiplexed communication”為題對(duì)該工作進(jìn)行了專題介紹（Nature Electronics, doi.org/10.1038/s41928-021-00555-3, 2021）。

本工作得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”重點(diǎn)專項(xiàng)“微波毫米波數(shù)字編碼和現(xiàn)場(chǎng)可編程超構(gòu)材料的理論體系與關(guān)鍵技術(shù)”、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。