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崔铁军院士等：提出PDCM天线+全息MIMO架构

科技   2025-02-07 12:41   安徽  

重要信息


2025年1月份，国际顶级期刊《自然·通信》在线刊发东南大学毫米波全国重点实验室崔铁军院士与移动通信全国重点实验室金石教授团队的《基于数字可编程超表面和电磁信息理论的双通道近场全息MIMO通信系统》一文（崔铁军院士、金石教授为通讯作者），这一成果提出一种新的通信架构，以电磁场理论指导实现空间分集，创新性地通过具有亚波长单元和空间准连续调控能力的可编程数字编码超表面（PDCM）实现了双通道近场全息MIMO通信，5G与6G公众号（ID：angmobile）注意到PDCM地消除了阵列天线架构对大量混频器和T/R组件的需求，极大简化了全息MIMO系统的架构，显著降低了成本、功耗，为未来无线通信提供低复杂度、低成本和低功耗方案，可能成为B5G及6G无线通信中的一项重要技术。

1、该论文的结构

5G与6G公众号总结如下。


2、研究背景与现状

B5G和6G通信对设备和系统的集成度、成本及功耗有高要求，全息MIMO技术是潜在解决方案。

但传统大规模MIMO中常用的天线阵列实现全息MIMO存在困难（无法同时满足低成本、低复杂度和高空间分辨率的要求<尤其是在更高频段>），目前相关研究多停留在理论阶段。

数字编码超表面为其提供了新思路，PDCM有独特优势，但也缺乏实际验证。

从而，实现一个可行的硬件平台来支持全息MIMO通信的理论研究至关重要。

3、提出新架构

研究团队提出了一种基于PDCM和电磁理论的近场全息MIMO通信架构。原理上，5G与6G公众号了解到基于电磁理论，将收发器等效为封闭曲面，通过对辐射算子希尔伯特-施密特分解，得到发射和接收孔径上的正交全息图案（这些图案在收发孔径上正交，每个图案对应一个空间信道，可实现多信道通信）；然后根据直接数字调制原理，待传输的信息在PDCM上进行预编码。

图1  基于PDCM的全息MIMO系统示意

4、系统设计

所设计的系统包括发射端和接收端。

发射端由基于PDCM的发射机和现场可编程门阵列（FPGA）组成，5G与6G公众号了解到PDCM在FPGA控制下，依据正交全息图案对基带信号预编码，并生成控制电压驱动进行发射。

接收器采用传统天线阵列和软件无线电（SDR）平台，天线阵列用于接收电场，SDR平台通过计算接收孔径场与正交基图案的内积恢复信号。5G与6G公众号了解到实验设计2个EDoF（电磁自由度为2）的系统，工作在4.95GHz，对发射孔径电流分布和接收电场模式进行理论计算。

5、实验验证

设计了一款基于PDCM的全息MIMO原型（设计并制作2比特相位调制PDCM构建实验系统）。考虑实际因素，实验频率设为4.95GHz。5G与6G公众号注意到实验成功实现双通道QPSK调制，虽测量星座图受PDCM性能和环境影响，但验证了基于希尔伯特-施密特分解构建正交信道传输信息的可行性。

6、总结

该方案用电磁信息理论取代信道估计，PDCM简化系统架构、降低成本和功耗。与以往PDCM通信系统相比有优势，虽目前系统电磁自由度有限，但5G与6G公众号注意到在更高频率可扩展，为未来6G无线通信中全息MIMO技术发展奠定基础。

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