点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:信息超材料为6G做前瞻铺垫
首页> 科技频道> 互联网 > 正文

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)

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平会见俄罗斯总理米舒斯京

  • 上海启动新城绿环水脉建设

独家策划

推荐阅读
天气、气候、水有何关系?人类今天为什么要关注天气气候水?中国气象局日前发布的《全球气候状况报告(2022)》和国家气候中心的专家给出了答案。
2023-03-22 07:55
3月初,在贵阳贵安新区网易贵安数据中心一期项目建设现场,各类工程机械忙碌不停,场平工程已全面开启。项目一期将于今年9月投入试运行,预计未来5年还将陆续启用5000个标准机架、4万台服务器。
2023-03-22 07:50
三峡集团昨天发布消息,国内首艘500千瓦氢燃料电池动力工作船“三峡氢舟1号”在广东中山下水。“三峡氢舟1号”采用氢燃料电池和锂电池动力系统,将用于三峡库区交通、巡查、应急等工作。
2023-03-22 09:35
至2月份,全国新增发电装机容量3511万千瓦,比上年同期多投产1162万千瓦。中国电力企业联合会发布的数据显示,全国跨区送电完成1198亿千瓦时,同比增长23.8%;各省份送出电量合计2698亿千瓦时,同比增长13.4%。
2023-03-22 09:32
中国人民银行定于2023年4月7日发行世界文化和自然遗产——黄山普通纪念币、世界文化和自然遗产——峨眉山-乐山大佛普通纪念币各一枚。
2023-03-22 09:27
世界睡眠日的目标就是提高公众对睡眠健康的认知,促进对睡眠障碍的预防、治疗和管理。
2023-03-21 06:40
春节刚过,江西省第一季度新开工的1234个项目集中启动,总投资近2万亿元的工程随即公布。江西全面掀起开工热潮——省级层面今年重点推进投资亿元以上的大中型建设项目共达3558个,总投资4.57万亿元,同比增长20.5%。
2023-03-21 06:35
国家重点研发计划“碳排放监测数据质量控制关键测量技术及标准研究”项目日前在京启动。
2023-03-21 09:48
近年来,天津港建成全球首个“智慧零碳”码头和港口自动驾驶示范区,2022年集装箱吞吐量突破2100万标准箱。
2023-03-21 09:46
研究生教育是国家人才竞争和科技竞争的重要支柱,肩负着为经济社会发展和科学技术创新培养高层次研究型人才的重任。
2023-03-21 06:45
这是3月3日在云南西双版纳国家级自然保护区拍摄的大花舟翅桐。谭运洪说,此次发现不仅为我国植物增添了新成员,也是以大花舟翅桐为代表的季雨林群落在我国被首次记录。下一步,保护区还将针对大花舟翅桐的种群分布、生境质量、保护现状等情况进行深入调查研究。
2023-03-20 09:32
中国气象局、中国气象学会18日在京启动2023年世界气象日纪念活动,其间公布了“2022年度气象现代化建设重大进展”。
2023-03-20 07:25
当我们遇到挫折时,依然能克服困难继续努力。研究人员还在发生“偏离期待”的情况后,马上人工刺激通往伏隔核的多巴胺神经回路,结果成功驱使了大鼠去克服困难。
2023-03-20 09:35
一个国际科研团队日前在美国《科学》杂志上发表论文说,他们绘制出了果蝇幼虫脑部的完整连接组,即包含所有神经元及其连接状况的线路图。
2023-03-20 09:42
摆脱线材束缚,将手机与充电板轻轻贴合,即可随放随充——手机无线充电在生活中已随处可见。动态无线充电系统与静态系统相比,能量拾取端即车辆端的结构不变,能量发射端线圈则换成埋于地下的供电导轨。
2023-03-20 09:51
该研究精细刻画了活跃、重复的快速射电暴,构建统一图景,称得上是“教科书级别的发现”,为最终揭示快速射电暴的起源奠定了观测基础。浙江大学邱建荣团队、之江实验室谭德志团队、上海理工大学顾敏团队发现了飞秒激光诱导复杂体系微纳结构形成的新机制。
2023-03-20 09:52
中西部地区具有土地、绿电资源丰富,气温较东部低,数据与算力中心成本较低等优势,应在数字经济“新赛道”上抢抓新机、加快发展。
2023-03-20 07:40
无论是全国两会前夕中央政治局对基础研究进行的集体学习,还是今年政府工作报告中提到的“全国基础研究经费五年增长1倍”,都引起这些“打地基”的人高度关注。
2023-03-20 09:56
科技部部长王志刚与香港特别行政区行政长官李家超于15日在北京举行了工作会谈。会后,王志刚与李家超共同出席了《内地与香港关于加快建设香港国际创新科技中心的安排》签署仪式并致辞。
2023-03-19 08:19
16日,我国首个“风光火储一体化”送电的特高压工程——国家电网陇东至山东±800千伏特高压直流输电工程开工建设。
2023-03-17 09:30
加载更多