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信息超材料为6G做前瞻铺垫

来源:中国电子报2022-05-06 08:53

  上世纪六七十年代,隐身技术红极一时,即使在今天,隐身材料依然是尖端技术。使物体可以在光天化日之下“隐身”的是一种等效超材料,这种超材料通过人工微结构构造出了一些自然界不存在的材料参数,通过特殊的材料参数控制了电磁波,实现了“隐身”“黑洞”这样的电磁效果。

  超材料对电磁波的控制引起了很多专家学者的兴趣,其研究在中国的发展速度也很快,目前我国在超材料领域的研究已经处于全球第一梯队中。2014年,中国科学院院士、东南大学毫米波国家重点实验室主任崔铁军团队首次将超材料对电磁波的动态控制,以数字编程的方式实现,从而为6G技术研究打开了一个新的领域,这种超材料被命名为“信息超材料”,并以其灵活性、低成本和高效率,成为当前6G研究的宠儿。今年4月7日,智能超表面(RIS)技术联盟成立。智能超表面是信息超材料的应用技术之一,吸引了国内外80多家单位参与,涵盖大专院校、科研机构、学术团体、标准化组织,以及终端与芯片、仪器仪表、设备制造、运营企业等上下游单位。

  开创连接数字世界与物理世界新范式

  做隐身用的等效材料有一个明显的缺点,就是其中的人工微结构是固定的,不能变化,这意味着功能也是固定的,不能按照意愿实时控制电磁波,限制了超材料的应用场景,降低了使用价值。

  2014年,崔铁军院士团队在国际上率先提出数字超材料的概念,并展示了第一块现场可编程超材料,借助FPGA输出序列调整超表面单元内部二极管开关的通断,在物理空间中实现了对电磁波的直接调控,开创了数字可编程超材料研究的先河,并在国际上引发大量关注。

  “我们要把一个无源的微结构做成一个动态的有源超材料(无源指无需供电,有源指需要供电),就是要实现两个目标,一是微结构要能对电磁波动态调控,二是可以用数字来实现这种调控。”崔铁军说。

  在数字超材料中,数字0和1代表的是两种相反的物理状态,例如相位的正相和反相,0透射和全透射等。在最初的设计中采用有源的二极管(PIN)来设计这个微结构,当二极管接通和断开时,会产生180 的相位差,同时二极管的接通和断开也可以对应高电平和0电平,这恰与数字电路中的0和1是相同的,从而将电磁波控制的物理行为与数字电路的0和1的计算对应起来。

  在二极管之后,变容管、三极管、MEMS、液晶、石墨烯、相变材料等都被引入超表面研究,调控手段进一步丰富,实现了对电磁波幅度、相位、极化等状态的灵活调控。随后,崔铁军院士在融合信息、电子、材料等科学的基础上提出了信息超材料的概念,将超材料的研究由单纯的空间编码拓展至空间-时间-频率等多域联合编码,并应用于对空间电磁信息的直接调制。这一系列工作开创了连接数字世界与物理世界的新范式,并为基于信息超材料的下一代无线通信系统研究做了基础性和前瞻性铺垫,具有里程碑意义。

  信息超材料技术一诞生,就显示出在多种场景中应用的潜力。在FPGA之后,崔铁军团队又在研究加入传感器和人工智能算法,以此来实现信息超材料的自适应能力。

  超材料将在6G受宠

  一种颠覆性技术的引入,往往是由于传统的技术路径在满足新需求时碰到不好逾越的困难。人类在解决最基本的自身保暖的问题上,上千年主要利用棉花,但要又保暖又轻便,棉花明显不如羽绒。这也是6G研究中一直在寻找原创性技术的原因,希望另辟蹊径解决问题。

  从3G开始,无线通信技术为了实现更大的信号传输吞吐量,在天线技术上做了很多改进,从智能天线到多天线,从多天线再到天线阵列,4G时引入了天线阵列(MIMO),5G引入了大规模天线阵列(Massive MIMO)。天线的数量从1对(发射和接收各1根天线)开始,经历2对、4对、8对,现在主流5G宏基站普遍用的是64对天线。在5G研究之初,大家热衷讨论的甚至是128对、256对。

  从理论上讲,更高的天线对数带来更好的传输带宽,但为什么128对、256对天线并没有规模商用?因为5G和6G都面临一个系统性的挑战,MIMO、毫米波通信天线的核心体制是阵列体制,一个明显的缺点是成本高、系统复杂、功耗大。

  崔铁军认为,6G采用超大规模天线阵列或者使用太赫兹频段时,这个矛盾会更加突出。而信息超材料则给出了一种路径,通过超材料对电磁波的控制,可以把天线的物理特性与基带的数字特性结合起来,简化了天线技术,而且功耗明显降低,成本也会明显下降。

  2021年7月,中国移动携手东南大学电磁空间科学与技术研究院率先在5G现网完成智能超表面技术实验,结果表明,智能超表面可根据用户分布,灵活地调整无线环境中的信号波束,显著改善现网弱覆盖区域的信号强度、网络容量和用户速率,预示了信息超材料技术在未来无线通信中的广泛应用前景。

  未来应用要分三步走

  在中国移动近期发布的《6G信息技术超材料白皮书》中,集中反映出了中国移动对超材料、信息超材料在通信中应用的探索。

  中国移动研究院首席专家袁弋非说:“通信中的超材料可以用于超材料天线、智能反射面、波束赋型超表面基站和信息调制超表面基站中。”

  超材料可以用于做天线盖板,提高天线收发信号的能力、降低天线高度。信息超材料有一个很大的用途是做智能反射面(RIS),具有灵活部署、节能的优点,还能够扩大网络的覆盖,提升网络容量,并且抑制电磁干扰。

  “从应用部署上来看,信息超材料可以分三步走来实现。”袁弋非说,“第一步最简单,超材料是静态和半静态的工作模式,适合用来做网络补盲,优点是控制简单,缺点是不够灵活;第二步是折中,事先给超材料环境分配一些波束,需要不断调整,灵活性差一些;第三步是在小尺度的信道上做实时调整,不断做估计和反馈,从而对每一个天线振子的相位做单独的动态调整,充分发挥智能超表面的性能优势。当然第三步是比较复杂的,现在也存在很多技术挑战。”

  这种革命性技术的挑战也是明显的。袁弋非说,目前挑战主要在硬件实现、工程部署、方案设计和组网架构上。从硬件看,二极管等器件的切换速率是受限的,实现高频率的动态调控有难度,由于目前器件成熟度不够,材料制做成本偏高;在工程部署上,智能超表面的面板尺寸比较大,风阻大,和现在的天线面板相比,不易部署;在理论上,缺乏可靠完整的传输理论基础、信息和系统模型,而且控制方式的改变,对网络架构设计、功耗等都有影响,在多带宽、多制式下的组网方案还要进一步明确。(记者刘晶)

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