可重构全息超表面辅助卫星通信关键技术

胡馨元，邓若琪，邸博雅，张泓亮，宋令阳,2

专题：6G无线传输技术

可重构全息超表面辅助卫星通信关键技术

胡馨元1，邓若琪1，邸博雅1，张泓亮1，宋令阳1,2

（1. 北京大学电子学院，北京 100871；2. 鹏程实验室，广东 深圳 518055）

超密集低地球轨道卫星通信网络能弥补传统地面网络频谱资源稀缺、覆盖范围有限的不足，有潜力提供全球大规模接入的高速率服务。由于卫星的高速移动性，卫星通信对天线性能，如波束控制能力和天线增益等，也提出了更为严苛的要求。因此，对一种新型的超材料天线——可重构全息超表面（reconfigurable holographic surface，RHS）辅助卫星通信展开了研究。RHS采用全息原理对超材料单元进行电控，从而实现波束成形。基于RHS的硬件结构和全息工作原理，提出了一种RHS辅助多卫星通信方案，该方案同时考虑卫星跟踪和数据传输。同时，设计了全息波束成形优化算法以最大化和速率。仿真结果验证了所提方案的有效性并表明了相较于传统相控阵天线，RHS提供了一种成本效益更高的卫星通信支持方式。

可重构全息超表面；全息波束成形；低轨卫星通信

0 引言

近年来，地面通信网络由于其频谱资源稀缺和覆盖范围有限，难以满足由大量移动设备和应用程序带来的爆炸式数据传输需求[1]。为了弥补传统地面通信网络的不足，新兴的低地球轨道（low earth orbit，LEO）卫星通信网络具有频带宽、覆盖面广等一系列优势，有望为地面用户提供高速率数据服务并且实现全球大规模网络接入[2]。由于卫星的高移动性和由通信距离长带来的严重路径损耗，LEO卫星网络对传输性能提出了更为严苛的要求，例如，要求天线具有更精准的波束控制能力应对卫星的高移动性，同时还要求天线具有更高的增益对高路损进行补偿等。面对LEO卫星网络对天线性能和传输性能的高要求，传统天线技术难以通过进一步扩大天线规模来提升数据传输速率，从而满足爆炸式的数据需求。这是因为传统服务于卫星通信的天线大多为碟形天线或相控阵天线，这两种天线都依赖于笨重的机械器材或者昂贵的硬件组件进行波束调控。因此，传统天线的质量和硬件成本都会成为天线规模进一步扩大以提供更高数据速率服务的阻碍[3]。

为了克服传统天线的上述局限性，一种新的传输范式——全息多输入多输出（holographic multiple input multiple output，HMIMO）被提出。具体而言，在HMIMO中，大量小型且廉价的天线或可重构元件紧凑集成在天线面板上，从而以低成本实现高方向性天线增益[4-5]，为支持卫星通信提供了一种有前景的解决方案。作为一种具有代表性的超材料天线，可重构全息超表面（reconfigurable holographic surface，RHS）由排布紧凑的亚波长超材料单元组成，信号可以在准连续孔径的超表面上进行传输，因此，RHS为实现HMIMO提供了一种切实可行的方法[6]。RHS的紧凑结构也使其可以方便地集成在地面终端，从而作为收发天线支持卫星通信。具体而言，在RHS中，馈源与超表面紧密集成，馈源产生的电磁波（也被称作参考波）沿着超表面传播并且逐一激励辐射单元[7]。RHS的独特之处在于它可以根据全息干涉原理在超表面上构建全息图案，基于该全息图案，超材料辐射单元可通过电控的方式控制电磁波的辐射幅度，以生成所需的定向波束。上述波束成形方法也被称为全息波束成形[8]。在卫星通信中，RHS集成在地面终端处，通过全息波束成形生成定向波束，与多颗低轨卫星通信。

RHS作为一种新型的超材料天线，现有对RHS的初期研究主要集中在天线硬件结构设计[9]以及提高天线定向增益的软件控制设计[10]两个方面。文献[9]提出了可用于制作RHS的超材料单元，该单元可通过控制二极管开关状态来控制单元辐射幅值。文献[10]提出了一种用于RHS的自适应波束控制器，以消除旁瓣并提高方向性增益。正是因为RHS独特的工作原理和超薄结构，RHS也引起了工业界的广泛关注，孵化出了各种应用。例如Pivotal Commware公司开发了1～70 GHz的商用定制RHS系统，将全息波束成形技术用于扩展地面通信的覆盖范围，构建智能中继器生态系统[11]。但大多数现有工作仅证明了RHS在静态地面通信场景中有生成给定目标方向波束的能力，这不能保证RHS在具有高动态性的卫星网络中能提供良好的服务质量。并且，在卫星通信中以视距（line of sight，LOS）为主的信道与地面通信方案中的信道有所不同，需要新的全息波束成形方案[12]。

为了支持配备RHS的地面用户终端与多颗卫星的高数据速率通信，本文考虑了RHS辅助LEO卫星通信系统，并探索了RHS辅助多颗卫星通信的可能性。这是一项有挑战性的工作，原因有如下两点。第一，全息波束成形方案与卫星的位置密切相关，因此，需要设计一种高效的卫星追踪方案来应对LEO卫星的移动性，从而避免频繁的卫星定位；第二，传统的基于相位控制的模拟波束成形算法无法直接应用于基于幅度控制的全息波束成形优化中，因此，需要设计一种全新的基于幅度控制的全息波束成形优化算法。面对上述挑战，本文考虑了一种RHS辅助LEO卫星上行通信系统。在此系统中，配备RHS的地面终端上传用户数据至多颗LEO卫星进行通信。本文提出了一种包含卫星追踪和全息波束成形优化的RHS辅助多卫星通信方案。在卫星追踪方案中，利用卫星的轨道运动规律可以预测卫星位置，有效避免频繁的卫星定位，便于支持卫星的连续通信。同时，提出了一种最大化和速率的全息波束成形优化算法。仿真结果验证了该算法的有效性，同时表明了相较于传统的相控阵天线，RHS提供了一种成本效益更高的方式来支持卫星通信。进一步地，本文还探讨了RHS辅助卫星通信中未来可能的发展方向。

1 可重构全息超表面基本介绍

1.1 硬件结构

RHS是一种特殊的漏波天线，由馈源和大量密集的亚波长超材料辐射单元组成，RHS硬件结构如图1所示。馈源连接到RHS表面边缘或嵌入RHS底部，向RHS注入携带发射信号的电磁波（也被称为参考波）。在参考波携带信号沿RHS表面各辐射单元传播的过程中，超材料辐射单元受到参考波激励，将参考波转化为漏波（也被称为目标波），从而将信号发射至自由空间，传递至接收机处。超材料辐射单元由人造复合材料制成，各单元的电磁响应可独立控制。具体而言，各单元可通过独立设置的偏置电压，改变可调节材料的状态，实现单元表面电流分布控制，从而影响各单元的辐射电磁波的幅值。最终，各单元辐射的漏波叠加产生发送至各卫星的目标波束[13]。

图1 RHS硬件结构

值得关注的是，随着超表面技术的不断发展，另一种可用于无线通信增强技术的可重构智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）受到了广泛关注[14]。RIS也是一种超薄可重构表面，具有多个电磁特性可控的超材料单元。RIS可以反射入射信号并通过控制反射电磁波的相位产生指向接收器的定向波束。尽管RHS和RIS均能实现波束成形，但它们在以下3个方面有所不同。

●物理结构：由于RIS的反射特性，RIS的射频前端位于超表面的外侧，与发射器之间需要额外的链路连接。相反，RHS的馈源可以集成在印制电路板（printed-circuit board，PCB）中，RHS可直接作为发射/接收天线集成在收发器上，无须外置链路。因此RHS的硬件结构相比RIS具有更高的集成度。

●电磁响应机制：RIS作为反射天线，采用并行馈电的方法使所有辐射单元同步受到入射信号激励，产生响应；RHS采用串行馈电的方式，馈源入射的参考波在RHS表面传播，逐个激励辐射单元，向自由空间辐射能量。

●应用场景：由于硬件结构和电磁响应的不同，RHS和RIS分别适用于不同的场景。RIS的典型应用是作为无源中继，例如，部署在小区边缘，用于扩大小区覆盖范围和提高小区边缘用户的性能。由于RHS具有高度集成和超薄结构，其更可能作为集成的发射/接收天线安装在可移动平台上，例如RHS更适合在卫星通行系统中提供高吞吐量连接服务。同时，RHS还可以与雷达的收发器集成，用于定位或成像。

1.2 全息波束成形原理

通过把目标波束方向映射为全息图案实现全息波束成形，其中全息图案是根据全息干涉原理记录的携带传输信号的参考波与目标波束之间的干涉信息[15]。利用全息图案，RHS可以控制各个辐射单元辐射漏波的幅度，生成目标方向的波束。下面进一步阐述全息波束成形原理。

2 RHS辅助卫星通信系统

本节首先描述卫星通信场景，总体概况包含卫星追踪和数据传输的RHS辅助多卫星通信方案。紧接着，详细介绍卫星追踪方案、卫星通信传输模型和全息波束成形矩阵。根据卫星通信中信号传输的建模，提出了RHS辅助通信系统中最大化和速率的优化算法。结合卫星追踪与和速率最大化算法，RHS辅助多卫星通信方案可以实现稳定高效的卫星通信。

2.1 RHS辅助卫星通信场景及多卫星通信方案

图2 RHS辅助多卫星通信系统

图3 LEO卫星运动轨迹

2.2 卫星追踪方案

卫星追踪方案的主要思想是利用卫星位置随时间的变化规律确定卫星的方位，从而避免频繁的卫星定位。

2.3 卫星通信传输模型

图4 基于RHS的信号传输模型

2.4 全息波束成形矩阵

2.5 卫星系统和速率最大化算法

因此，和速率最大化问题（式（9））等价于：

图5 RHS辅助地面卫星通信和速率随RHS单元数的变化

3 RHS辅助卫星通信系统性能分析

本节通过对比RHS辅助卫星通信系统和传统相控阵辅助卫星系统的和速率、功耗和制作成本，评估RHS的性能表现。

由于亚波长大小的天线制作困难以及紧密间隔天线之间会相互耦合，相控阵的天线距离通常为半波长。这限制了可以部署在给定尺寸的天线阵列中天线单元的数量，从而导致天线增益不足。RHS作为一种超材料天线，其独特的单元结构使得相邻RHS单元之间的间距可以小于1/5波长。因此同等面积下，RHS包含的单元数至少是相控阵单元数的6.25倍，具有更精准的波束成形潜力。

除此之外，RHS还有功耗低和硬件成本低两大优势。大型传统相控阵的制作需要高价电子元件，如移相器等[23]，但制作RHS所需的所有组件（如二极管、PCB和直流控制电路）都是大批量商用现成零件，因此RHS的总体制造和硬件成本较低。具体而言，相控阵的硬件成本通常是具有相同单元数量的RHS的硬件成本的2～10倍[11]。同时，相较于相控阵，RHS内部不依赖于有源放大器和复杂的移相电路[24]，只需要简单的直流偏置电路即可实现波束调控，具有功耗低的优势。RHS功耗低与硬件成本低的优势会随着天线尺寸的增大而变得明显。相控阵多天线系统受到制作成本约束和功耗约束，难以实现超大规模天线系统的部署。RHS可利用功耗低与硬件成本低的优势，突破传统相控阵面临的瓶颈，进一步提升数据速率，在未来的6G网络中更具发展前景。

通过MATLAB仿真，可以直观地看出RHS由硬件成本低带来的优势。MATLAB仿真参数设置与第2.3节相同，设置相控阵每个单元的硬件成本是RHS的4倍。定义成本效率为系统和速率与硬件成本的比值。成本效率与单元数量之间的关系如图6所示。从图6可以清晰地发现，无论是单卫星场景还是多卫星场景，RHS的单位成本可实现的和速率超过了相控阵单位成本可实现的和速率[25]。

图6 成本效率与单元数量之间的关系

4 RHS未来研究方向

由于RHS拥有轻薄、硬件成本低、功耗低等一系列优势，RHS在各类通信场景中具有极大的发展潜力和应用价值，这同时为RHS的关键技术研发带来了一系列挑战。

4.1 关键技术

作为通信系统中的集成天线，RHS需要满足高辐射效率和高天线增益的要求，这对RHS的尺寸设计和单元间距设计提出了挑战。在设计RHS辅助通信系统的传输方案时，也需要考虑信道估计、资源管理等问题。

●RHS尺寸设计：尽管随着RHS尺寸的增大，RHS具有更高的天线增益，可以实现更高的和速率，但天线尺寸变大也会提高控制电路设计复杂度。并且随着RHS尺寸的增大，参考波的能量随传播距离的增加逐步下降。当RHS尺寸过大时，参考波传播到RHS边缘时能量变弱，这导致RHS边缘的辐射元件冗余。因此RHS的尺寸设计需要兼顾系统性能、制作难度及成本，综合考虑各单元的辐射效率与电磁波介质中的传播衰减，避免辐射单元冗余。

●RHS单元间距设计：理论上，具有较小单元间距的RHS可以生成更窄、更精确的定向波束。但在实际工程中，单元之间的耦合效应会随间距变小而变得更强。这会影响RHS单元原有的辐射特性，从而影响通信性能。因此，RHS单元间距与耦合效应之间需要更准确的建模，并且单元间距带来的耦合效应对全息波出成形方案的影响也不能忽视。

●信道估计：因为RHS包含许多密集的辐射单元，所以基于导频训练和信道信息反馈的信道估计会产生巨大的开销。为了减少导频训练开销并实现快速准确的信道估计，需要设计与RHS辅助传输的信道特性相结合的导频波束模式，实现快速准确的信道估计。

●资源管理：在RHS辅助通信中有众多资源，如制作成本、发射功率、信道等。克服变量之间的耦合，联合优化全息图案、发射功率、信道等有限的资源，设计合理的数据传输方案可实现RHS辅助通信性能指标最优。

4.2 应用场景

RHS不仅可以应用于本文主要讨论的LEO卫星通信，还适用于许多其他场景。下面将宽带通信和室内通信作为典型应用场景进行介绍。

●宽带通信：正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）频谱效率高，是宽带通信中的主要技术。但当OFDM用于高频系统时，处于载波频率的波束会遇到严重的波束分裂问题，从而降低数据速率。不同于使用昂贵延迟移相器的传统波束分裂抑制方法，RHS可利用全息波束成形抑制波束分裂[26]。具体来说，RHS可以通过参考波在不同子信道上传播，自然地将频率相关分量引入全息波束成形矩阵，因此，通过优化各波束方向对应全息图案的叠加系数可以有效消除由波束分裂引起的旁瓣，从而提升OFDM通信系统的性能。

●室内通信：得益于紧凑结构和体积小的优势，RHS可以部署在室内小型基站处，实现RHS辅助室内通信。在室内场景中，通过联合优化基于RHS的波束成形方案和位置估计函数，能够精准确定移动用户的位置。根据准确的用户位置，可设计指向不同用户的窄波束来降低多用户之间的干扰。同时，通过联合优化RHS的部署位置和全息波束成形方案，可以达到扩大室内通信覆盖范围并提高用户的服务质量的目的。

5 结束语

本文考虑了可应用于未来6G通信网络的RHS。RHS可通过全息原理实现精准的波束控制，集成在地面用户终端上用于卫星通信。本文介绍了RHS的硬件结构及其基本工作原理，同时，研究了RHS辅助卫星通信系统中的关键技术，即基于卫星位置随时间变化规律的卫星追踪技术与最大化和速率的全息波束成形优化算法。仿真结果验证了算法的有效性，同时表明，相较于传统的相控阵天线，RHS提供了一种成本效益更高的方式来支持卫星通信。除此之外，本文还围绕RHS的未来应用方向，比如RHS辅助下的宽带通信和室内通信，以及相应的关键技术进行了探讨。

[1] ANDREWS J G, BUZZI S, CHOI W, et al. What will 5G be? [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014, 32(6): 1065-1082.

[2] DI B Y, SONG L Y, LI Y H, et al. Ultra-dense LEO: integration of satellite access networks into 5G and beyond[J]. IEEE Wireless Communications, 2019, 26(2): 62-69.

[3] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Ultra-dense LEO satellite constellations: how many LEO satellites do we need? [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2021, 20(8): 4843-4857.

[4] PIZZO A, MARZETTA T L, SANGUINETTI L. Spatially-stationary model for holographic MIMO small-scale fading[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2020, 38(9): 1964-1979.

[5] WAN Z W, GAO Z, GAO F F, et al. Terahertz massive MIMO with holographic reconfigurable intelligent surfaces[J]. IEEE Transactions on Communications, 2021, 69(7): 4732-4750.

[6] BADAWE M E, ALMONEEF T S, RAMAHI O M. A true metasurface antenna[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 19268.

[7] HWANG R B. Binary meta-hologram for a reconfigurable holographic metamaterial antenna[J]. Scientific Reports, 2020, 10: 8586.

[8] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Reconfigurable holographic surface: holographic beamforming for metasurface-aided wireless communications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, 70(6): 6255-6259.

[9] SLEASMAN T, IMANI M F, XU W R, et al. Waveguide-fed tunable metamaterial element for dynamic apertures[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016, 15: 606-609.

[10] JOHNSON M C, BRUNTON S L, KUNDTZ N B, et al. Extremum-seeking control of the beam pattern of a reconfigurable holographic metamaterial antenna[J]. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2016, 33(1): 59-68.

[11] Pivotal Commware. Holographic beamforming and phased arrays[EB]. 2019.

[12] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Holographic MIMO for LEO satellite communications aided by reconfigurable holographic surfaces[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2022, 40(10): 3071-3085.

[13] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Reconfigurable holographic surfaces for future wireless communications[J]. IEEE Wireless Communications, 2021, 28(6): 126-131.

[14] DI B Y, ZHANG H L, SONG L Y, et al. Hybrid beamforming for reconfigurable intelligent surface based multi-user communications: achievable rates with limited discrete phase shifts[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2020, 38(8): 1809-1822.

[15] ZHANG H B, ZHANG H L, DI B Y, et al. Holographic integrated sensing and communication[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2022, 40(7): 2114-2130.

[16] HU X Y, DENG R Q, DI B Y, et al. Holographic beamforming for ultra massive MIMO with limited radiation amplitudes: how many quantized bits do we need? [J]. IEEE Communications Letters, 2022, 26(6): 1403-1407.

[17] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. Reconfigurable holographic surface-enabled multi-user wireless communications: amplitude-controlled holographic beamforming[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2022, 21(8): 6003-6017.

[18] DENG R Q, DI B Y, ZHANG H L, et al. HDMA: holographic-pattern division multiple access[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2022, 40(4): 1317-1332.

[19] SIDIBEH K, VLADIMIROVA T. Wireless communication in LEO satellite formations[C]//Proceedings of 2008 NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems. Piscataway: IEEE Press, : 255-262.

[20] GAO X Y, DAI L L, ZHANG Y, et al. Fast channel tracking for terahertz beamspace massive MIMO systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(7): 5689-5696.

[21] SHEN K M, YU W. Load and interference aware joint cell association and user scheduling in uplink cellular networks[C]// Proceedings of 2016 IEEE 17th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications. Piscataway: IEEE Press, 2016: 1-5.

[22] 3GPP. 3rd generation partnership project; study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz (release 16): TR 38.901 V16.1.0[S]. 2020.

[23] ZHELUDEV N I. Applied physics. The road ahead for metamaterials[J]. Science, 2010, 328(5978): 582-583.

[24] ZHELUDEV N I, KIVSHAR Y S. From metamaterials to metadevices[J]. Nature Materials, 2012, 11(11): 917-924.

[25] SOHRABI F, YU W. Hybrid digital and analog beamforming design for large-scale antenna arrays[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2016, 10(3): 501-513.

[26] DI B Y. Reconfigurable holographic metasurface aided wideband OFDM communications against beam squint[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021, 70(5): 5099-5103.

Key technologies of satellite communications aided by reconfigurable holographic surfaces

HU Xinyuan1, DENG Ruoqi1, DI Boya1, ZHANG Hongliang1, SONG Lingyang1,2

1. School of Electronics, Peking University, Beijing 100871, China 2. Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518055, China

Ultra-dense low earth orbit (LEO) satellite communication networks can overcome the scarcity of spectrum resources and the limited coverage of traditional terrestrial networks, and thus have the potential to provide high data rate services and global massive connectivity for terrestrial users. However, due to the high mobility of the satellites, LEO satellite networks put more stringent requirements on antenna technologies in terms of accurate beam steering and high antenna gain. Reconfigurable holographic surface (RHS), as a new type of metamaterial antenna, is investigated to assist LEO satellite communications. The RHS can electronically control the metamaterial units by leveraging the holographic principle to generate desired directional beams. Based on the hardware structure and holographic working principle of RHS, an RHS-assisted multi-satellite communication scheme was proposed, which considered both the LEO satellite tracking scheme and the data transmission scheme. A holographic beamforming optimization algorithm was also designed to maximize the sum rate. Simulation results verify the effectiveness of the proposed scheme and demonstrat that the RHS provids a more cost-effective way to support satellite communications than the conventional phased array antennas.

reconfigurable holographic surface, holographic beamforming, LEO satellite communication

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022273

2022−08−22；

2022−10−11

宋令阳，lingyang.song@pku.edu.cn

国家重点研发计划项目（No.2020YFB1804800）；国家自然科学基金资助项目（No.62271012，No.6194110）；北京市自然科学基金资助项目（No.L212027，No.4222005）

The National Key Research and Development Program of China (No.2020YFB1804800), The National Natural Science Foundation of China (No.62271012, No.6194110), Beijing Natural Science Foundation (No.L212027, No.4222005)

胡馨元（2000− ），女，北京大学电子学院博士生，主要研究方向为可重构全息超表面。

邓若琪（1997− ），女，北京大学电子学院博士生，主要研究方向为可重构全息超表面及卫星网络等。

邸博雅（1992− ），女，博士，北京大学电子学院助理教授，主要研究方向为无线通信、边缘计算、车载网络、智能反射面和非正交多址接入等。

张泓亮（1992− ），男，博士，北京大学电子学院助理教授，主要研究方向为可重构智能表面、空中接入网络、优化理论和博弈论等。

宋令阳（1979− ），男，博士，北京大学电子学院教授，主要研究方向为无线通信和网络、MIMO、OFDMA以及信号处理和机器学习等。