基于可重构智能表面的MIMO传输：系统设计，分析和实现

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研究背景

随着第五代（5G）移动通信网络正在全球进行测试和部署，第六代（6G）移动通信系统也逐渐引起学术界和工业界的广泛兴趣。在6G物理层候选使能技术中，将大规模多输入多输出（MIMO）升级成为超大规模MIMO，以及将工作频段扩展至太赫兹频段被公认为有潜力的技术路线。但是，超大规模MIMO技术需要包含大量射频链路收发机，太赫兹通信也需要复杂昂贵的器件支撑，这些都面临高硬件成本和高能耗的严峻挑战。

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成果介绍

通过改变可编程电磁单元的反射系数，基于可重构智能表面（RIS）的无线发射机成为一种有巨大潜力的新型硬件范式，可以通过低成本和高能效的方式实现信息调制和无线传输。然而，可重构智能表面的电磁响应通常只能调整相位，这大大限制了基于可重构智能表面的无线发射机的传输速率。此外，基于可重构智能表面的直接信息调制研究一直局限在单输入单输出（SISO）通信，亟待与MIMO技术有效结合以倍增系统容量。基于此，东南大学电磁空间研究院、毫米波国家重点实验室程强教授、崔铁军院士和移动通信国家重点实验室金石教授合作提出了一种可重构智能表面的控制方法来实现幅度和相位的同时调制以实现正交幅度调制（QAM）信息的传输，同时进一步提出利用可重构智能表面的阵列结构和空间维度来实现MIMO的无线传输方案。相关研究成果以“MIMO transmission through reconfigurable intelligent surface: System design, analysis, and implementation”为题发表于国际期刊《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》上，共同第一作者为东南大学唐万恺博士和戴俊彦博士。

图1  基于可重构智能表面的MIMO传输原型系统

研究人员构建了如图1所示的原型系统来验证所提方案，实现了基于可重构智能表面的MIMO-QAM空中实时传输。基于可重构智能表面的MIMO发射机位于图1的左侧，由可重构智能表面、载波信号源、馈源天线、基带控制平台组成。单音载波信号由馈源天线发出，入射至可重构智能表面。基带控制平台生成两路控制序列，分别调控可重构智能表面左半边和右半边的反射系数，实现对反射信号的直接调制并传输两路独立的数据流。接收机位于图1的右侧，由两个接收天线、软件无线电平台和上位机组成。接收机对收到的无线信号进行解调，并恢复出发送的两路数据流。原型系统中实现的是2x2 MIMO传输，但是该方案适用于任意大规模的MIMO传输，只需将可重构智能表面的阵列规模提高并且进行更精细的控制区域划分即可。此外还分析了可重构智能表面的硬件约束及其对系统设计的影响，通过理论和实验证明了所提方案的鲁棒性。这些令人鼓舞的结果表明，可重构智能表面提供了一种有吸引力的新型硬件体系架构，有希望以可承受的硬件复杂度和成本来实现大规模MIMO与太赫兹通信。

文章DOI：

10.1109/JSAC.2020.3007055 

网页链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9133266

稿件来源：唐万恺 程强