【最新成果】基于可编程超表面的Wi-Fi信号调控
背景介绍
随着无线局域网WLAN（Wireless Local Area Network）的广泛普及和物联网技术IOT（Internet of Things）的不断演进，Wi-Fi信号的覆盖范围逐渐从常规的建筑楼宇扩展到高速移动的交通工具（高铁、飞机），这一现象推动了“智慧生活”和“无线城市”的建设。然而，现有的Wi-Fi电磁环境存在信号强度分布不均、零信号盲区较多以及Wi-Fi环境不可定制等诸多问题，这些缺点极大地限制了下一代互联网技术、基于Wi-Fi的电磁感知技术和高精度定位等技术的进一步发展。
幸运的是，近年来发展的可编程超表面逐渐走进研究人员的视野，为解决上述问题提供了强大有力的工具。可编程超表面是一种由大量电可调控的亚波长单元构成的超薄平面型二维阵列，它具有任意、动态操控空间中入射的电磁波波前的能力，目前已经广泛应用于设计各种高性能的微波器件和实现新奇的物理现象。理论上，可编程超表面具有任意设计和动态调控环境中Wi-Fi信号空间能量分布的潜力。如图1所示，李廉林教授团队提出了一种基于可编程超表面的Wi-Fi信号调控方法，旨在灵活调控前现实环境中Wi-Fi信号能量的空间分布，改善Wi-Fi环境。相比传统的基于可编程超表面的电磁调控技术，该工作是鲜有的面向非合作源信号调控场景的研究。
图1 基于可编程超表面的Wi-Fi信号调控示意图
目前，该工作已发表在《雷达学报》2021年第2期“信息超材料及其雷达应用”专刊论文“基于可编程超表面的Wi-Fi信号调控”（双雅，李力，王卓，魏梦麟，李廉林）。
论文介绍
论文研究了一种利用可编程超表面灵活定制环境中Wi-Fi信号空间能量分布的方法，并基于一款工作频段范围在2.4 GHz附近的大规模可编程超表面实验验证了该方法的可行性和有效性。首先，本论文建立了高效的可编程超表面电磁散射模型，该模型可以快速预测可编程超表面的散射场分布。然后，在该预测模型的基础上，本论文进一步提出了用于设计可编程超表面编码序列分布的优化算法CWGS（Complex Weighted Gerchberg-Saxton）。相比传统的GS算法，本文提出的复数加权的GS算法可以同时调控可编程超表面散射场的幅度和相位分布，从而实现对环境中Wi-Fi信号的聚焦调控。图2展示了利用所提出的优化算法对Wi-Fi信号实现聚焦调控的近场扫描测量结果。图2表明可编程超表面能够动态、灵活调控Wi-Fi信号在空间的能量分布。
图2 基于可编程超表面的Wi-Fi信号聚焦调控近场扫描测量结果
图3 基于可编程超表面的Wi-Fi调控测试装置
图4给出了三个不同位置处的接收天线所捕获的Wi-Fi信号。其中，第一行表示Wi-Fi时域信号，第二行表示Wi-Fi信号的频谱，第三行表示可编程超表面的编码分布。此外，本论文对比了经可编程超表面调控前后的Wi-Fi信号强度变化，研究表明调控后的Wi-Fi信号强度相比调控前提高了23.5 dB。本论文提出的方法有望在未来构建可编程的Wi-Fi电磁环境，并且为新型无线通信、“智能城市”与“智慧生活”等领域开辟新道路。
图4 基于可编程超表面的多焦点Wi-Fi信号调控
作者简介
双雅(1993-)，女，陕西人，北京大学信息科学技术学院，博士研究生，研究方向为基于可编程超表面的电磁感知系统、超表面设计等。
王卓(1995-)，男，甘肃人，北京大学信息科学技术学院，博士研究生，研究方向为智能电磁感知。
李廉林(1980-)，男，山西人，北京大学信息科学技术学院，教授，博导，研究方向为下一代电磁传感理论、算法与应用。
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编辑：于青
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