AMT: 简化通信系统架构的时间编码数字超表面

sukiyaki

在信息化时代背景下，无线通信占有十分重要的地位。在更高（频率）、更快（速度）、更低（延迟）要求的推动下，很多新的协议与标准应运而生，但与此同时却增加了硬件实现的成本与复杂度。例如，在大多数无线通信系统中不可或缺的射频模块，主要负责将数字信号变换为微波信号，进而通过天线将其传递出去。而在需要多射频链路和高达GHz的采样率的5G移动通信系统中，由于在更高频率的毫米波段存在天线耦合、功耗、电磁兼容性等方面的限制，会给硬件设计带来很大的挑战。因此，新型的发射机架构一直是通信以及微波工程领域内的研究热点。

近期，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授、程强教授与移动通信国家重点实验室金石教授联合课题组（第一作者为博士生戴俊彦）设计了一种时间编码数字超表面，实现了无射频模块下的无线通信，简化了整个系统架构，降低了系统成本与复杂度，为新一代无线通信系统的发展提供了新思路。

在既往工作的基础上，研究团队通过现场可编程门阵列，对超表面的反射系数实现了实时的精确调控。利用反射系数相位与基带数字比特流的一一对应关系，类比通信原理中的QPSK调制，建立了从数字基带到反射系数的完整映射，进而实现了传统无线通信系统中信息调制的功能。由于超表面本身具有对电磁波灵活调控的能力，因此可将已调制的电磁波再发射出去，最终完成信息传输。

简化的无线通信系统架构框图

在这种简化的架构中，时间编码数字超表面同时起到了传统发射机中射频模块以及天线等部件的作用，基带信号直接映射为超表面的反射系数，实现对入射载波的相位调制以及再次辐射。同时，结合通信领域的先进算法，实现了载波同步、信道预估与均衡等功能，极大地提升了该系统在传输速率、误码率、稳定性等方面的性能，最终完成了在室内复杂环境下的实时视频传输。目前，该系统原型虽然工作在微波频段，但其理论可扩展到更高频段，例如毫米波或太赫兹，因此该架构具有广阔的应用前景。