南京大学电子学院冯一军教授团队成功研制全空间智能表面助力新一代无线通信技术

开展下一代无线通信研究及其关键技术储备，对于加快构建现代化新型基础设施体系、强化国家战略科技力量、发展壮大战略性新兴产业意义重大。电磁波智能表面技术(Reconfigurable Intelligent Surface，简称RIS)是当前无线通信领域研究的关键技术之一，具有低成本、低功耗、可规模扩展和部署等优点，已被列入国家6G发展规划白皮书，有望在未来5G+/6G无线通信应用中发挥重要作用。该技术通过在无线传播环境中部署由亚波长单元结构组成的可编程超表面，实现信号传播的动态调控、增强及干扰抑制，最终实现动态信号覆盖增强、优化无线网络等。智能表面技术刚刚起步，目前仍面临的诸多挑战与技术难点，包括如何实现高效超表面物理建模与设计、低功耗控制电路设计、大规模控制信号同步传输、信道建模以及信道状态获取等。

另外一个突出的挑战是目前应用于无线通信系统的智能表面均为反射型或透射型，因此只能对背向或前向的半空间提供信号覆盖、无线传输，不能做到全空间信号覆盖和智能传输。这不仅导致处于另外半空间的用户无法得到有效信号覆盖，同时也浪费了另外一半的空间资源。

为应对以上挑战，南京大学电子科学与工程学院冯一军教授团队提出了智能全向超表面(Intelligent programmable omni-metasurface)新概念，可在同一频率、同一极化通道内集成透射、反射电磁波动态调控功能(图1)。该超表面由透射-反射控制层和相位调控层构成，通过切换透射-反射控制层中有源器件的工作状态可决定超表面单元以透射模式或反射模式调控电磁波，通过切换相位调控层内有源器件的工作状态可使超表面在对应工作模式下实现动态相位调制。在此基础上，通过联合调控两层结构，可使超表面分别工作为反射、透射和全空间模式(同时实现反射和透射波束控制)(图2)，从而主动调节适应背向半空间、前向半空间、或全空间内的无线通信用户需求。

图1左：全空间智能表面辅助无线通信系统;右：相位调控层和透射-反射控制层。

图2 同时在前向空间和背向空间动态生成相同/不同波束实验测试结果

相关研究工作以An intelligent programmable omni-metasurface为题发表于《Laser & Photonics Reviews》[DOI:10.1002/lpor.202100718]。博士生胡琪为论文第一作者，陈克副教授和冯一军教授为通讯作者。赵俊明教授和姜田教授，以及赵健民、屈凯、杨维旭等研究生也参与了该研究工作。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

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