研究背景

目前正處于第五代移動通信技術（5G）快速發展的時代，6G的研究也開始萌芽，未來無線通信對射頻鏈路和大規模天線陣列提出了較高的性能要求，在成本、性能、功耗、集成度等方面面臨諸多挑戰。在移動通信領域，復用技術被廣泛地用于信息傳輸，通過在收發機之間建立多個獨立通道，大幅提升通信網絡的容量。時分復用、頻分復用、碼分復用、空分復用等技術在過去幾十年間被廣泛研究用于移動通信。傳統頻分復用技術通常需要高性能濾波器和混頻器來劃分頻帶；傳統空分復用技術需要多天線和相應射頻部件構成多通道陣列體制收發機，導致了系統的高成本和高復雜度。

成果簡介

近日，東南大學電磁空間科學與技術研究院、毫米波國家重點實驗室崔鐵軍院士、程強教授課題組與移動通信國家重點實驗室金石教授課題組在信息超材料領域取得新進展，利用時空編碼數字超表面將信息直接加載到電磁波的空間譜和頻率譜特征上，實現了空分和頻分復用的無線通信新體制。研究成果以“A wireless communication scheme based on space- and frequency-division multiplexing using digital metasurfaces”為題，于2021年3月18日發表在國際知名期刊《自然·電子學》（Nature Electronics）上。東南大學為第一署名單位，論文通訊作者為崔鐵軍院士、程強教授和金石教授，第一作者為東南大學張磊博士；合作者還包括東南大學博士生陳明正、唐萬愷、戴俊彥、苗龍和周小陽老師。

自2014年崔鐵軍院士課題組提出“數字編碼與可編程超材料/超表面”的概念以來（Light: Science & Applications 3, e218, 2014），相關研究一直是國際超材料領域的熱點。數字超表面通過改變編碼序列來操控電磁波的輻射或散射特性，可以簡化設計流程，便于仿真優化和加工測試；也使得在物理空間上進行信息編碼與處理成為可能。數字編碼的表征方式也在物理世界與數字世界之間建立了紐帶，可以從信息科學的角度來研究超表面，形成了“信息超材料/超表面”的新體系（Journal of Materials Chemistry C 5, 3644-3668, 2017; iScience 23, 101403, 2020）。信息超表面能夠實時操控電磁波、直接處理數字信息，并能進一步對信息進行感知、學習和認識。2018年，“時空編碼數字超表面”概念的提出統一了空間域和時間域的編碼，可以同時在空間域和頻率域進行電磁調控和信息處理（Nature Communications 9, 4334, 2018），拓展了信息超表面的應用范圍。

圖1 基于時空編碼數字超表面實現空分和頻分復用的直接信息傳輸無線通信系統。

為了進一步提升時空編碼數字超表面對電磁信息的強大調控能力，研究人員在該工作中利用時空編碼數字超表面來精準地調控電磁波傳播方向和諧波頻譜分布，集能量輻射和信息調制功能于一體，同時在時間域和空間域編碼并處理數字信息。通過優化時空編碼矩陣，將信息直接加載到電磁波的空間譜和頻率譜特征上，形成了空分復用和頻分復用的新體制無線通信方法。根據目標用戶數量和空間位置，采用預先設計的直接信息編碼方案可以同時、獨立地與多個用戶進行實時信息傳輸，無需數模轉換和混頻過程（如圖1所示）；同時還具備了方向調制的安全通信特性，在非目標位置的用戶無法正確解調信息。

圖2 基于時空編碼數字超表面的雙通道無線通信系統樣機，同時、獨立地朝兩個用戶傳輸不同的圖片。

作為原理驗證，研究人員利用一款2比特數字可編程超表面搭建了一套無線通信系統原理樣機，可以同時、獨立地朝空間任意位置的兩個用戶傳輸不同的信息。不同用戶具備獨立的頻率通道，實驗中用戶之間信號串擾很小，傳輸的結果證實了時空信息編碼方案的可行性（如圖2所示）。

小結

總之，這種基于時空編碼數字超表面的新體制復用無線通信系統，具有成本低廉和結構簡單的優勢，省去了傳統空分和頻分復用技術中所需的天線陣列、混頻器、濾波器等射頻部件。時空編碼數字超表面提供了一種低成本和低復雜度的方案來實施空分和頻分復用技術，在未來新體制無線通信和雷達系統中具有廣闊的應用前景。美國佐治亞理工學院的Shuai Nie和Ian F. Akyildiz教授在Nature Electronics上以“Metasurfaces for multiplexed communication”為題對該工作進行了專題介紹（Nature Electronics, doi.org/10.1038/s41928-021-00555-3, 2021）。

本工作得到了國家科技部重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項“微波毫米波數字編碼和現場可編程超構材料的理論體系與關鍵技術”、國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金、中國博士后科學基金等項目的資助。