清華新聞網(wǎng)10月30日電 基于人工電磁超材料的智能超表面技術(shù)（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）能夠通過(guò)改變無(wú)線(xiàn)信道主動(dòng)創(chuàng)造有利于電磁波傳播的無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境，是未來(lái)6G的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一。RIS是一種集成低功耗低成本可調(diào)器件的平面天線(xiàn)陣列，其可以對(duì)入射電磁波的幅度、相位、頻率、極化等電磁特性進(jìn)行多維度調(diào)控，從而克服通信系統(tǒng)中的陰影衰落、補(bǔ)償路徑損耗，進(jìn)而提升無(wú)線(xiàn)通信的覆蓋質(zhì)量和系統(tǒng)性能。
為了在實(shí)際通信環(huán)境中主動(dòng)創(chuàng)造良好的電磁波傳播環(huán)境，RIS需要針對(duì)變化的電磁信道作出實(shí)時(shí)響應(yīng)。如圖1所示，典型的實(shí)現(xiàn)方式是先讓基站獲取信道狀態(tài)信息，然后基站計(jì)算RIS的賦相矩陣，最后通過(guò)額外的控制鏈路將賦相信息傳遞給RIS，從而完成對(duì)RIS的閉環(huán)控制。這一控制流程需要在基站和RIS之間建立額外的控制鏈路，無(wú)論是采用有線(xiàn)控制還是無(wú)線(xiàn)控制的方式，都會(huì)明顯提高RIS部署的硬件成本和控制流程的復(fù)雜度。這一RIS控制難題成為RIS大規(guī)模部署的重要制約因素之一。
圖1.（a）現(xiàn)有的基站控制RIS；（b）提出的自控制RIS（SC-RIS）
針對(duì)上述RIS控制難題，清華大學(xué)電子工程系戴凌龍團(tuán)隊(duì)與東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院崔鐵軍團(tuán)隊(duì)借鑒了光學(xué)中的全息成像原理，提出了一種自控制RIS方案（self-controlled RIS, SC-RIS）。如圖2所示，通過(guò)在RIS單元中額外集成的低成本微波功率計(jì)，SC-RIS可以檢測(cè)基站與用戶(hù)信號(hào)在RIS處發(fā)生電磁干涉所形成的全息圖，RIS利用此全息圖就可以自主反推出用戶(hù)的角度信息進(jìn)行波束賦形，從而實(shí)現(xiàn)了不依賴(lài)于基站控制的RIS獨(dú)立自主控制。圖3展示了自控制RIS單元的硬件實(shí)現(xiàn)及電磁特性。
圖2.光學(xué)全息成像啟發(fā)的SC-RIS硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3.自控制RIS單元的硬件實(shí)現(xiàn)及電磁特性
進(jìn)一步，研究提出了一種基于二維快速傅里葉變換（2D-FFT）的用戶(hù)角度估計(jì)算法，稱(chēng)為全息定位算法（holographic localization）。如圖4所示，該全息定位算法首先利用2D-FFT將全息圖變換到波數(shù)域，形成全息圖波數(shù)譜。然后，通過(guò)最大似然算法可以檢測(cè)全息圖波數(shù)譜的雙峰結(jié)構(gòu)，并從雙峰的位置中反推出用戶(hù)和基站的相對(duì)角度信息。最后，算法可從已知的基站角度中計(jì)算出未知的用戶(hù)角度，從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)定位。
圖4.全息定位算法的流程
針對(duì)所提的SC-RIS硬件架構(gòu)和算法，研究團(tuán)隊(duì)研制了一塊32×32單元的SC-RIS硬件，并基于Xilinx FPGA+AD9361構(gòu)成軟件定義無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了完整的正交頻分復(fù)用（OFDM）通信系統(tǒng)，進(jìn)行了RIS輔助的OFDM通信系統(tǒng)實(shí)測(cè)。圖5中的實(shí)測(cè)結(jié)果表明：在不同的基站-用戶(hù)角度配置下，該全息定位算法能夠?qū)⒏┭鼋呛头轿唤堑亩ㄎ徽`差分別降低至2.61°與5.24°。受益于最大似然超分辨率算法的應(yīng)用，全息定位算法的誤差可以低于相應(yīng)陣列分辨率極限（6.62°）。在完成對(duì)用戶(hù)的全息定位之后，就可以根據(jù)用戶(hù)相對(duì)于RIS的幾何關(guān)系來(lái)計(jì)算RIS賦相矩陣，從而完成RIS波束賦形。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，對(duì)未調(diào)制信息的單音信號(hào)，所提RIS閉環(huán)控制方案能夠在RIS不受基站控制的前提下，相比隨機(jī)RIS賦相獲得16.4dB的用戶(hù)接收信號(hào)功率增益。
圖5.全息定位算法的實(shí)測(cè)性能
如圖6所示，通信系統(tǒng)級(jí)實(shí)測(cè)表明，在啟用SC-RIS自動(dòng)波束賦形功能后，SC-RIS能夠自主獲取用戶(hù)方位并進(jìn)行波束賦形，OFDM接收機(jī)能獲得12dB的平均接收信號(hào)功率增益，且OFDM接收機(jī)的信道估計(jì)、符號(hào)解調(diào)以及信息解碼過(guò)程均得到明顯改善。
圖6.SC-RIS輔助OFDM通信系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果
該研究針對(duì)RIS受基站控制而無(wú)法獨(dú)立自主工作這一瓶頸問(wèn)題，創(chuàng)新性地引入了光學(xué)中全息干涉的思想，通過(guò)在RIS單元上集成微波功率計(jì)，構(gòu)成SC-RIS這一新的硬件結(jié)構(gòu)。SC-RIS能夠自主檢測(cè)RIS表面的電磁干涉全息圖，并利用全息定位算法完成用戶(hù)定位，基于此可進(jìn)行自主波束賦形，最終實(shí)現(xiàn)了脫離基站控制的自主控制。該研究工作也為RIS的設(shè)計(jì)提供了新的思路，即RIS的信道狀態(tài)信息獲取與電磁調(diào)控可以由RIS本身自主完成，從而有望使RIS成為無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境中獨(dú)立的智能體，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中自主感知無(wú)線(xiàn)環(huán)境的變化并實(shí)時(shí)做出響應(yīng)，以獨(dú)立完成通信、感知等多重任務(wù)。
研究成果以“光學(xué)全息啟發(fā)的自控制智能超表面”（A self-controlled reconfigurable intelligent surface inspired by optical holography）為題，于10月29日發(fā)表于《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）。
清華大學(xué)電子工程系教授戴凌龍、東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院崔鐵軍院士為論文共同通訊作者。清華大學(xué)電子工程系2021級(jí)博士生朱結(jié)奧、東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2025級(jí)博士生顧澤為論文共同第一作者。
研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41928-025-01482-3
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
