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1、6G 信息超材料技術白皮書中國移動通信有限公司研究院東南大學電磁空間科學與技術研究院目錄1 引言.12 超材料應用于天線領域.33 基于信息超材料的智能反射表面.43.1 原理.53.2 工作模式. 73.3 應用.103.4 性能驗證. 123.5 挑戰.194 基于信息超材料的波束賦形基站.204.1 原理.214.2 應用挑戰. 225 基于信息超材料的直接調制基站.235.1 原理.235.2 應用挑戰. 246 總結.267 白皮書貢獻單位. 26參考文獻.27中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）11 引言引言超材料(Metamaterial)于 1968 年被提出， 并在

2、近 20 年間受到廣泛關注。其英文單詞中的前綴 meta 是超越、超過的意思，表示超材料具備自然界材料所不具備的特性。超材料的“超”并非歸因于構成材料本身，而是因為新穎的結構賦予其超越自然材料的能力和范疇。超材料被廣泛用于光學、聲學、熱學、電磁學、結構力學等領域。電磁超材料（以下簡稱超材料）是根據電磁功能需求而設計和加工的，因而也被稱為人工電磁媒質。超材料由按照一定規則（周期或非周期）排列的人工微結構組成，這些微結構由介質或介質+金屬等材料構成，并具有亞波長尺寸（0.1-0.5 波長）。起初，超材料的設計遵循等效媒質理念，最早提出的左手材料具備負折射率、負多普勒等特性，可用于雷達隱身等場景，在

3、電磁學和材料學的發展過程中具有重要意義。然而，等效媒質超材料屬于三維結構，厚度大且不易加工，在工程應用中有很大的局限性。隨后，超材料的概念被增廣和擴充，其他人工結構也被納入超材料的范疇。特別地，超表面(Metasurface)是由亞波長平面單元組成的二維結構，與早期的等效媒質超材料相比具有低剖面、低成本、易加工的優點，因而在電磁領域吸引了大量關注并得到廣泛應用。 傳統的電磁帶隙結構（Electromagnetic Band Gap,EBG）、頻率選擇表面（FrequencySelective Surface, FSS） 以及人工磁導體 （Artificial Magnetic Conducto

4、r,AMC）等也屬于廣義的超表面范疇。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）2圖 1：超材料的原理傳統超材料通過對單元結構參數的調整達到控制電磁波的目的，在制備完成后其功能即被固化，無法根據需求作二次調整。2014 年，東南大學崔鐵軍院士團隊在國際上率先提出數字超材料的概念， 并展示了第一塊現場可編程超材料， 借助 FPGA 輸出序列調整超表面單元內部二極管開關的通斷，在物理空間實現對電磁波的直接調控1，開創了數字可編程超材料研究的先河， 并在國際上引發大量關注。 之后，變容管、三極管、MEMS、液晶、石墨烯、相變材料等被引入超表面研究，調控手段得以進一步豐富，實現了對電磁波幅度、相位

5、、極化等狀態的靈活調控。隨后，崔鐵軍院士在融合信息、電子、材料等科學的基礎上提出了信息超材料的概念， 將超材料的研究由單純的空間編碼拓展至空間-時間-頻率等多域聯合編碼，并應用于對空間電磁信息的直接調制2,3。該系列工作開創了連接數字世界與物理世界的新范式， 并為基于信息超材料的下一代無線通信系統研究作了基礎性和前瞻性鋪墊，具有里程碑意義。2021 年 7 月，中國移動攜手東南大學電磁空間科學與技術研究中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）3院率先在 5G 現網完成智能超表面技術實驗，結果表明智能超表面可根據用戶分布靈活地調整無線環境中的信號波束， 顯著改善現網弱覆蓋區域的信號強度、網

6、絡容量和用戶速率，預示了信息超材料技術在未來無線通信中的廣泛應用前景。本白皮書介紹了信息超材料在天線、智能反射表面、波束賦形的超表面基站以及信息直接調制超表面基站四大領域的應用，為 6G通信網絡提供全新的設計理念和技術手段。2 超材料應用于天線領域超材料應用于天線領域超材料應用在無源天線的技術比較成熟。 不論是降低互耦提升單元間隔離度，還是改變諧振特性來改變單元的相位，本質就是改變超材料的表面阻抗。以下是一些典型的應用及其原理：圖 2：超材料在天線中的應用中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）4將超材料用于天線蓋板5或者使用超材料隔離條6，可降低天線單元間空間波或者表面波的傳播，從而達

7、到降低天線之間的互耦，提升單元間的隔離度的目的；或者將超材料（FSS）作為天線的反射板實現一個頻段天線對另一個頻段天線“電磁透明”，從而實現有限空間內的多頻段天線集成。目前已在部分基站天線中有所應用。此外， 用不同相位響應的周期結構構成超材料平面透鏡來代替傳統的曲面透鏡7，易于共形和加工，并通過在焦平面放置不同饋源實現多波束； 通過 ZIM 的超材料蓋板8可以實現波束的匯聚從而實現天線增益的提升； 采用周期排列或準周期排布的超材料陣列作為天線陣列的輻射單元9來減小表面波傳播， 從而不僅可減小互耦,還可以展寬頻帶寬度和提升天線增益。還有，AMC 超材料結構還可以在不降低天線增益的前提下降低天線剖

8、面10：傳統天線輻射單元會距離金屬反射板 1/4 波長，這是由于天線輻射單元照射到金屬板上， 其反射波的相位會疊加 180 度相位，為保證較高的輻射效率，即反射波和天線直接輻射的電磁波同相，天線需要和金屬反射板通過保證 1/4 波長的高度。若采用 AMC 代替金屬反射板，當天線輻射單元照射到上 AMC 時，反射相位可以為零，即不需要 1/4 波長的高度來保證天線輻射效率，從而起到降低天線高度的作用。3 基于信息超材料的智能反射表面基于信息超材料的智能反射表面智能反射表面( Intelligent Reflecting Surface，IRS) ，也稱為可重中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2

9、022）5構智能表面( Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)， 是一種可以重新配置的超表面。因無源的反射特性和簡單的硬件架構，智能反射面通過構建可控無線環境，將給 6G 通信系統帶來一種全新的通信網絡范式，滿足未來移動通信需求。下文將從智能反射面的技術原理、工作模式、應用場景、性能驗證及面臨挑戰等方面進行介紹。3.13.1 原理原理在傳統的無線通信環境中，無線信號在傳輸過程中會遇到障礙，經過反射、折射和透射等，會出現原始無線信號的多徑分量，以不同的幅度、相位及延遲到達接收端。由于這些多徑分量與原始無線信號在接收端正向疊加或反向抵消，使得接收信號產生多徑

10、衰落，嚴重損害無線通信系統的性能。 而智能反射面通過大量低成本電磁單元智能控制無線信號的反射特性，從而實現無線傳播環境的重構，使得無線電環境“可控”。RIS 以軟件控制的方式重新設計環境中的電磁波，將不可控的傳播環境變為一個確定性的空間。如圖 3 所示，調控 RIS的電磁單元的反射相移， 使得通過 RIS 的反射信號以及通過其它路徑傳播的信號可以在接收端同相疊加以增強接收信號質量。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）6圖 3：智能反射面示意圖RIS 由大規模器件陣列和陣列控制模塊構成。大規模器件陣列是在平面底板上規則的重復排列的大量器件單元。 為達到可觀的信號操控效果，通常需要幾百或

11、者幾千個器件單元組成器件陣列。每個器件單元都具有可變的器件結構。 例如， 器件單元中包含一個 PIN 二極管，PIN 二極管的開關狀態決定了器件單元對外界無線信號的響應模式11。典型的硬件架構如圖 4 所示，由三層和一個控制模塊組成。在外層，大量金屬貼片印刷在介電基板上，直接與入射信號相互作用。在中間層，使用銅板來避免信號能量泄漏。最后，內層是一個控制電路板，負責調整每個單元的反射幅度/相移，連接到 RIS 的陣列控制模塊12。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）7圖 4：RIS 的結構12RIS 的陣列控制模塊可以控制每個器件單元的工作狀態，即對每個單元的參數進行調整，實現對任意的

12、電磁波反射/透射幅度和相位分布的調整，從而動態或半靜態地控制每個器件單元的工作狀態，以實現對無線信號不同的響應模式。 大規模器件陣列的每個器件單元的無線響應信號互相疊加，從而在實現波束賦形，大幅提升無線通信系統的信道容量和頻譜效率。3.23.2 工作模式工作模式目前學術研究多從理想假設出發， 主要關注 RIS 輔助通信系統的理論性能上界。而實際部署需要綜合考慮量化誤差、處理復雜度、計算能力、系統開銷等多種實際因素，因此，從靜態到動態，逐步實現逼近理論上界的智能調控的 “三步走” 工作模式更符合一般部署節奏。根據反射波束調節的靈活程度，可將 RIS 的工作模式分成三種，如圖5 所示，包括：靜態/

13、半靜態工作模式、信道透明的動態工作模式和信道非透明的智能工作模式。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）81. 靜態/半靜態工作模式初期階段，可以令反射板波束固定不變，或者間隔很長一段時間進行相位調節。該工作模式適用于覆蓋較小、或完全遮擋的區域，需要依靠反射面接入網絡，具有控制簡單、部署迅速等優勢。但是，由于覆蓋方向在一定時間內是固定不變的， 無法針對用戶進行波束賦形，不能針對信道的實時變化做出最優的波束響應。2. 信道透明的動態工作模式在該階段，反射相位調節過程無需信道信息，RIS 使用多個已知的波束方向（例如碼本）進行調整，用戶通過信道質量的測量，反饋對應最佳波束方向的相關信息，

14、基站將反射面配置為所選擇的波束方向。該工作模式無需小尺度信道信息，可選波束方向較為固定，控制指示開銷較小等優點，但多次調整波束會帶來較大的系統開銷。3. 信道非透明的智能工作模式在該階段，基站配置反射面的相位，多次調整反射單元相位進行信道估計，基站根據信道估計結果，配置與實際傳輸信道適配的反射相位。該工作模式可以獲得最優性能，但是信道估計算法和流程的復雜度很高，系統開銷很大。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）9圖 5：RIS 的三種工作模式流程示意圖基于以上分析，在當前條件下，信道透明的動態工作模式可以很好地獲得性能和開銷的折中，是目前研究的重點方向。圖 6 給出了RIS 在該工作

15、模式下的基本傳輸流程。為了實現 RIS 的智能可調， 需要基站對 RIS 進行控制， 控制方式可以通過有線連接、IP 路由、無線連接和自主感知等。綜合考慮部署的靈活性和功耗等因素， 基站無線控制 RIS 具有更高的可行性，真正實現隨用隨部署?，F階段基于 Uu 接口協議，考慮智能反射板引入的操作流程的變化， 設計協議流程和信令，有利于加速 RIS 落地商用進程。由于 RIS 面板反射單元數目帶來的過高的信道估計開銷， 該流程中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）10示例中采用了基于碼本的反射相位調節方案。首先，該方案不需要基站和 RIS 之間進行反復迭代的聯合波束賦形優化， 只需要基于選

16、定反射相位碼字設計基站賦形權重即可。其次，基于碼本調節反射相位不需要逐個反射單元上的信道信息， 因此用戶只需要估計級聯信道信息，大大降低了信道估計的復雜度?；谝陨蟽牲c，該方案兼具了動態調整獲得的增益以及可實現的低復雜度，為后續系統設計提供參考。圖 6：信道透明的動態工作模式流程示例3.33.3 應用應用未來移動通信業務要求更高的通信速率和更多的連接密度， 需要中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）11更多的頻譜資源和更高的頻譜利用率。RIS 一方面可以降低物聯網無線傳輸的能耗， 另一方面能夠提升信道容量卻不占用額外的頻譜資源。RIS 具有準無源、低功耗、易部署等優點，通過電磁波傳播特

17、性的智能調控，在提高移動通信系統傳輸速率、覆蓋范圍、以及能量效率方面具有很大的潛力。RIS 的潛在應用場景可分為傳統通信應用和垂直行業新型應用兩類4，如圖 7 所示。圖 7：RIS 的應用1、傳統通信應用RIS 在傳統通信的應用包括減小覆蓋空洞、增強邊緣覆蓋、增強室內覆蓋、提升邊緣速率與抑制干擾、熱點增流和視距多流傳輸、增強傳輸穩健性等。2、垂直行業新型應用現有諸多文獻對 RIS 的潛在新型應用場景進行了探討， 其中典型應用包括高精度感知定位、車聯網通信、無人機通信、安全通信、數能同傳、減少電磁污染、降低邊緣網絡時延、背向散射等。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）123.43.4

18、性能驗證性能驗證為了探索 RIS 的實際性能和應用場景以及室內外部署可能面臨的問題，中國移動未來研究院聯合東南大學崔鐵軍院士團隊、杭州錢塘信息有限公司于 2021 年 6 月初在南京完成了面向 5G 現網環境下的電磁單元器件可調、 波束方向可靈活控制的 RIS 新技術可行性的測試驗證。1、測試環境為了確保測試結果能夠真實反映 RIS 對小區邊緣、 弱覆蓋區域的提升效果，對此次驗證工作中的 UE 均進行了工作頻率鎖定的操作。同時，針對于實際應用過程中所會面臨的不同場景，分別開展了包括塔下陰影覆蓋、室外覆蓋室內、室外遍歷多個測試場景的驗證工作。1）塔下陰影覆蓋由于受到基站天線下傾角和天線方向圖的限

19、制， 在基站塔下方往往會存在弱覆蓋區域，即“塔下陰影”區域。通過在主測小區內信號好點架設 RIS，調整 RIS 面板參數，使其可以將來自于基站信號反射至塔下陰影區域， 對比架設反射面前后該區域內用戶的 RSRP、 SINR、吞吐量等指標的 CDF 分布差異，考察 RIS 改善塔下陰影區域覆蓋的總體效果， 對能否滿足塔下陰影區域的用戶高速率業務需求進行驗證。該測試例測試現場見圖8， 所選擇的小區基站主覆蓋區域為城市道路，在大樓前道路的斜對側架設 RIS， RIS 接收自大樓 13 層 （站高 46 米）的基站發射的信號，反射至大樓背側的信號弱覆蓋區域，基站至 RIS的直線距離約 120 米，二者

20、為視距傳輸路徑。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）13圖 8：塔下陰影覆蓋測試現場圖2）室外覆蓋室內由于受到建筑鋼筋混泥土墻體、玻璃幕墻、鋁合金建材等因素的影響，電磁信號在傳播過程中衰減嚴重，故通常情況下，室內會是一種典型的弱覆蓋場景。而 RIS 因其可對反射波束形狀進行調控，進行波束匯聚，增強穿透性，實現提升室內覆蓋的作用。本測試例選取室內弱覆蓋場景，比較架設 RIS 前后室內多個定點傳輸性能的差異，考察 RIS 在室外覆蓋室內場景下的總體效果。 本測試例選擇的室內場景在一棟玻璃幕墻寫字樓內，在樓內選擇多個定點進行穩定傳輸測試，反射面板 RIS 架設于大樓下方道路的對側， 基站與

21、 RIS 為視距傳輸路徑，二者直線距離約 65 米。測試例測試現場見圖 9。圖 9：室外覆蓋室內測試現場圖中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）143）室外遍歷RIS 可對反射波束和波束形狀進行靈活控制，故可被用于補盲、提升小區邊緣覆蓋等場景?；诖?，室外遍歷測試選擇在密集城區內開展，針對于覆蓋交叉的小區，比較部署 RIS 前后，UE 在小區內進行遍歷的各項指標差異， 考察部署 RIS 后，對基站覆蓋范圍的提升效果。本測試例選擇了密集城區中一處掛高 10 米的桿站，由于主測小區內存在高樓遮擋，桿站信號覆蓋范圍受限（與桿站所處道路相垂直的另一條道路基本為弱覆蓋區域）。將 RIS 部署在距

22、離桿站 70 米的十字路口處，接收來自桿站的信號，反射至另一條在本小區內的弱覆蓋道路，在部署 RIS 前后，UE 分別在此弱覆蓋道路上勻速進行遍歷測試。RIS 與 UE、UE 與基站均為良好的視距傳輸路徑。測試例測試現場如圖 10。圖 10：室外遍歷測試現場圖2、基站及小區配置以上測試例中所涉及的基站有兩個，均為室外站，分別是位于玻璃幕墻寫字樓 13 層的基站和位于密集城區的桿站，具體的基站和小區信息見下表。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）15表 3-1 基站配置信息測試例類型發射功率RRU類型基站型號安裝下傾角安裝方向角塔下陰影室外站327 W64 通道華為9/1060室外覆蓋

23、室內室外遍歷室外站327 W64 通道華為6/ 3200表 3-2 小區配置信息測試例扇區號下行頻點下行帶寬物理小區標識小區雙工模式時隙配比塔下陰影1504990100301TDD8:2室外覆蓋室內室外遍歷250499010013TDD8:23、RIS 面板配置本次外場性能測試由中國移動與東南大學、 杭州錢塘信息有限公司共同完成，面板長 160 cm，寬 80 cm。圖 11：用于外場測試的 RIS 樣機4、驗證結論1）塔下陰影覆蓋中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）16部署 RIS 前后， 分別攜帶 UE 在塔下陰影覆蓋區域內沿著相同的線路進行勻速遍歷測試， 可得到如圖12所示的部

24、署RIS前后的RSRP、SINR、吞吐量打點圖。圖 12：部署 RIS 前后，塔下陰影覆蓋測試例的 RSRP、SINR、吞吐量打點圖部署 RIS 后，RSRP、吞吐量均可觀察到有顯著提升，弱覆蓋、質差區域相對減少；SINR 無明顯變化，分析或是 RIS 在反射基站信號的同時同步放大了鄰區的干擾信號所致。此外，可以觀察到寫字樓后側性能提升也較為明顯， 但此區域內UE與RIS為非視距傳輸路徑，分析該現象產生原因是由于附近障礙物的存在形成了豐富的折射衍射場景，使得 RIS 反射的基站下行信號可被該區域內的 UE 接受。測試結果表明：在未部署 RIS 時，邊緣用戶和用戶平均 RSRP 均較低，分別為-

25、102.18 dBm 和-94.93 dBm，部署 RIS 后，RSRP 有一定提高，邊緣用戶提高了 4.03 dB，用戶平均 RSRP 覆蓋提高了 3.8 dB；部署 RIS 前后，用戶平均吞吐量由 91.50 Mbps 提升至 109.00 Mbps，抬升約 19%；部署 RIS 前后，SINR 未觀察到明顯差異。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）172）室外覆蓋室內所選的室內場景位于玻璃幕墻寫字樓的二層和四層， 二層辦公區域，在該層選擇共 8 個定點，囊括了會議室、辦公室和工作室三個典型場景，寫字樓四層為大樓內超市，在四層超市內選擇了 4 個不同的位置進行穩定傳輸測試。具體的

26、定點位置示意圖見圖 13。圖 13：寫字樓內定點傳輸測試平面示意圖在測試過程中可以發現，當 UE 位于室內鋼筋混泥土結構的墻體后面時，UE 無法接收到基站側所發射出的下行信號，由此可見，該測試版本的 RIS 室外覆蓋室內穿透能力較弱， 雖能穿透一堵玻璃幕墻，但無法再繼續穿透室內環境的一堵內墻。 記錄能接收到下行信號的各定點穩定傳輸 1 分鐘的各項數據并求平均值可得到以下數據。通過對部署 RIS 前后的各定點傳輸數據進行分析， 可得到這樣的初步結論， 部署 RIS 后， 大部分定點的 RSRP、 SINR、 速率均有提升，中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）18在經玻璃幕墻損耗后，RS

27、RP 仍有 317 dB 的提升，平均各點提高 10dB；速率提升 5137 Mbps 不等，平均各點提升 78.19 Mbps；各定點提升差異大，或受信號波動及 RIS 覆蓋范圍有限所致；雖增益提升明顯，但由于室內整體覆蓋情況差，測試場景基礎電平較低（部署 RIS后，約-100 dB），無法繼續穿透一堵內墻（內墻穿透損耗 15 dB 以上）；同時二樓工作室位于大樓最右側，RIS 反射波束寬度有限，該測試區域或已超出 RIS 反射波束的覆蓋范圍，故無明顯增益變化。3）室外遍歷室外遍歷測試主要是指部署 RIS 前后，攜帶 UE 在主測小區內沿著相同的線路進行勻速遍歷測試， 得到如圖14所示的RS

28、RP、 SINR、吞吐量打點圖。圖 14：室外遍歷測試的 RSRP、SINR、吞吐量打點圖通過打點圖可看到，在 RSRP -80 dBm 的區域，部署 RIS 前后，各項性能指標無明顯變化，與此同時，RSRP -90 dBm 的區域，部署 RIS 后的 RSRP、SINR、吞吐量各項指標均明顯好于未部署 RIS中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）19的情況。此外， 測試數據表明： 部署 RIS 對小區邊緣用戶影響明顯， RSRP提升約 3.3 dB，邊緣用戶 SINR 提升 1.45 dB，邊緣吞吐量提升約 79Mbps；相比之下對用戶均值的增益并不明顯，用戶均值 RSRP 僅提升

29、1.25 dB。此外，為了考察 RIS 對小區覆蓋范圍的提升效果，在該場景下進行了孤站拉遠測試，即在部署 RIS 前后，攜帶 UE 分別移動至斷鏈處，比較兩次 UE 所處的斷鏈脫網位置，可以發現，部署 RIS前的最大拉遠距離為 150 米，部署 RIS 后拉遠距離被延長至 210 米，延伸距離約 60 米。該測試例的結果表明 RIS 在提升小區邊緣用戶性能以及延伸小區覆蓋范圍等方面具有明顯的實際應用價值。通過外場測試結果， 可以初步了解 RIS 所適用場景以及可能獲得的性能增益情況。對于低頻，弱覆蓋區域少，補盲場景有限，因此，RIS 可以用于提升頻譜效率和容量；對于高頻，預計網絡覆蓋空洞較多，

30、RIS 可以在提升覆蓋和容量方面發揮較好的作用。3.53.5 挑戰挑戰目前 RIS 在硬件實現和工程部署、 理論和方案設計以及控制方案和網絡架構等方面還面臨著嚴峻的挑戰： 硬件實現和工程部署硬件實現和工程部署 RIS 受限于規模、價格、部署難度等因素。在硬件實現方面，RIS 材料和器件成熟度不高，成本較高；可調器件性能難以滿足調控需求、結構設計待優化；受可調器件調控速率的限中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）20制，目前的高頻段 RIS 還未實現動態調控；RIS 有一定的反射損耗，難以實現超遠距離覆蓋。在工程部署方面，由于 RIS 面板尺寸較大，部署需與物業、業主溝通，存在風阻大的問

31、題；饋電需求會限制 RIS的部署，并且饋電需求可能存在弱電干擾。 理論和方案設計目前仍缺乏可靠完善的傳輸理論基礎、信道模型和系統模型，無法為 RIS 系統傳輸方案設計提供有力的理論支撐。 現有空口傳輸相關方案復雜度高、開銷大、可行性受限。因此，首先需要一套完善可信的、綜合考慮非理想因素的系統實際性能評估體系；然后，考慮性能和復雜度折中， 設計可實現的信道估計和聯合波束賦形等基本空口傳輸方案。除此之外，RIS 能否支持子帶調度方案，高低頻陣子相位調節速度是否足夠快都有待進一步的研究。 控制方案和網絡架構RIS 的控制方式對網絡架構設計、功耗和部署方式會產生重要影響，需要考慮功耗和網絡復雜度的折中

32、，真正實現無源/半無源和動態控制。在組網方面，在多帶寬、多制式的通信模式下，RIS 是否可以獲得性能增益， 以及如何設計傳輸方案等方面還有待進一步的評估和研究。4 基于信息超材料的波束賦形基站基于信息超材料的波束賦形基站波束賦形的超表面基站系統是近年智能超表面研究的熱點領域之一。將智能超表面用于基站系統，可以通過其大量的低成本電磁單中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）21元智能控制無線信號的反射或透射特性，從而實現波束賦形功能。在實際系統中， 通過結合陣面編碼優化算法來設計智能超表面的數字編碼形式，從而改變單元響應的電磁波幅度/相位，使得智能超表面方向圖實現增益可控、方向圖偏轉等能力

33、，實現波束賦形功能。將具有波束賦形能力的智能超表面與傳統數字基帶技術相結合， 可實現全新形式的無線通信架構。 后續可聯合設計基站超表面處和信道環境中智能反射面處的波束賦形參數，來提高移動通信系統傳輸速率、覆蓋范圍、能量效率，進一步降低成本和功耗。4.14.1 原理原理波束賦形的設計主要包含對多天線的收發機進行預編碼與解碼矩陣的設計，實現信號定向傳輸。在波束賦形超表面基站中，智能超表面等效于具有多比特移相器功能的低成本相控陣天線， 同樣能夠實現波束賦形功能。其原型原理圖以及與傳統基站對比如圖 12 所示，相比于傳統基站，取代了移相器和天線陣子部分，減少了射頻通道數及功放器數量。智能超表面上引入了

34、大量亞波長可調單元，所采用的可調元器件主要為開關二極管或變容二極管。 通過控制表面的大量可調元件，可進行更精細的空間相位調控，即對不同位置的單元相位進行調控。不同的相位分布使得電磁波的入射、反射、透射特性發生改變，從而實現對反射波或透射波的波束賦形，以更低的成本和功耗實現與傳統相控陣相同的波束賦形功能。波束賦形超表面基站基于其可編程特性， 可實現外部模擬預編碼，中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）22并對相應的相位矩陣進行設計。 為使編碼口面在特定方向產生定向波束，則應使編碼單元的輻射場疊加后在該方向形成等相位面。波束賦形超表面基站根據特定方向圖需求逆向綜合出對應智能超表面的編碼序列

35、，優化反射或透射的電磁波信號，進行模擬波束賦形，調整波束朝著特定方向發射信號，從而可以減少所需信號的發送功率、提高頻譜效率、擴大覆蓋范圍并同時削弱干擾。圖 15：波束賦形超表面基站和傳統基站對比圖4.24.2 應用挑戰應用挑戰波束賦形的超表面基站在滿足主用戶通信性能需求的同時， 采用低比特調控單元能夠有效降低成本。但是采用低比特的調控單元，將會導致大角度的波束賦形柵瓣增加，導致其他用戶通信性能惡化，多中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）23個用戶同時通訊，組網情況下可能會對其他小區、甚至對不同運營商網絡產生干擾。故對于低比特智能反射面基站用于多用戶、熱點補充等場景可能存在問題。其次，

36、超材料面板由千百個周期單元集成，超表面上部分調控元件的故障會導致超材料單元功能無法達到預期效果， 而故障單元難以進行排查和維修。當故障超材料單元數量增多，會造成整體超材料的電磁波調控性能下降，如波束增益降低、波束指向偏差、旁瓣增加等問題。5 基于信息超材料的直接調制基站基于信息超材料的直接調制基站5.15.1 原理原理在波束賦形的超表面基礎之上，增加編碼調制功能，即為信息直接調制的超表面基站，它依靠智能超表面，無需復雜的基帶處理和射頻收發操作，即可有效直接調控如相位、振幅、頻率以及極化的各種電磁參數，從而實現對信號的直接調制，是一種全新的基站架構1。信息調制超表面發射機原理如圖 13 所示，饋

37、源發出的單音信號照射至智能超表面上， 數字基帶信號通過實時調控智能超表面的可調元器件，能實現對超表面的反/透射系數進行實時改變，從而控制反射/透射電磁波的幅度、相位、頻率以及極化特性，即無需額外的電路級調制、混頻和天線輻射等一系列復雜的過程，最終實現智能超表面直接調制和傳輸基帶信號的功能。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）24與傳統發射機相比，信息調制超表面發射機可替代傳統發射機射頻鏈路中的模擬器件，實現低成本高能效的發射機，如圖 13：由于頻率調制和濾波均在超表面上實現，無需混頻器和射頻濾波器，只需用窄帶功率放大器對空饋的單音載波信號進行功率放大， 因此一定程度上可部分替代傳統射

38、頻鏈中的模擬器件，如混頻器、濾波器、功率放大器等部分，從而降低整體結構的復雜度和設計制造成本，達到減少系統的功率損耗，提高能量效率的目的。圖 16：信息調制超表面發射機和傳統基站對比圖5.25.2 應用挑戰應用挑戰針對于信息調制的超表面基站， 目前已提出了包括基于二進制頻中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）25移鍵控（BFSK） 、正交相移鍵控（QPSK） 、高階信息調制方案（如8PSK、16QAM、OFDM 等）以及基于空域調制的空時編碼（STC）的時分、頻分以及空分復用體制等多種信息調制超表面通信系統，均有效證明了基于智能超表面的新架構無線通信系統的良好性能。 但是從實際應用角度

39、出發， 信息調制的超表面基站仍面臨諸多問題丞待解決。首先， 目前的智能超表面所采用的可調器件主要為開關二極管或變容二極管。 以開關二極管為主要可調器件的超表面可實現相對相位差為 180 度的兩種狀態，該控制方式僅可實現離散的電磁特性調節，為了增強超表面對電磁波的可調控能力， 往往需要在每個單元中配置多個開關二極管并進行復雜的超表面單元設計， 造成超表面單元結構的設計難度和制造成本增加。其次，不論是基于開關二極管還是變容二極管的超表面，其目前的響應速率都難以滿足未來無線網絡大帶寬高速傳輸的需求。 目前開關二極管的最快響應速度為數納秒，變容二極管響應速度為微秒級，均僅支持 MHz 量級的傳輸帶寬。

40、因此，設計出大帶寬、高效能的發射機就需要提升和改善可調器件性能，實現皮秒級的響應速率。但目前二極管仍存在卡脖子的問題， 就二極管的材料類型來說， Si 基二極管難以滿足高頻的工作頻率且損耗大，GaAs 半導體或會是解決該難題的突破點，亦或是采取全新的可調材料或器件取代二極管。此外，現有的信息調制超表面基站僅有發射端架構，應用于基站側的接收機架構尚未提出，有待進一步研究。中國移動6G 信息超材料技術白皮書（2022）266 總結總結本白皮書介紹了中國移動對信息超材料在 6G 中的應用的初步思考，后續將根據研究進展及時更新。中國移動將進一步攜手高校和產業界持續加大信息超材料研究投入，構建產、學、研協同創新平臺，共同推信息超材料的發展，使其在 6G 通信系統中大放異彩。7 白皮書貢獻單位白皮書貢獻單位在白皮書中，中國移動研究院主要負責第二章、第三章、第四章和第五章和第六章內容的撰寫， 東南大學電磁空間研究院負責第一章和第三章內容的撰寫。白皮書主要貢獻人員如下：王安娜、顧琪、蘇鑫、張雁茗、李亞、袁弋非、王啟星、劉光毅東南大學電磁空間研究院和東南大學毫米波國家重點實驗室：崔鐵軍、程強東南大學電磁空間研究院和東南大學移動通信國家重點實驗室：金石杭州錢塘信息有限公司：苗龍