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青年科学家提出新一代多址接入技术和全向可重构超表面技术，助力建设无缝覆盖和绿色可持续的6G无线网络

晰数塔互联网快讯
2023-04-11 05:44

多址接入技术在每一代无线网络中都发挥着举足轻重的作用。在 1G 到 5G 网络中，通常采用的是正交多址接入技术，其虽然能够为用户分配相互正交的时频资源来避免用户间干扰，但也严重限制了无线资源的利用率以及网络用户的接入数量上限。

数据显示，到 2023 年底，全球无线设备总量将达到 293 亿，并会在未来十年内保持不断增长的态势。在此发展背景下，要想满足 6G 无线网络建设中海量接入和超高频谱效率需求，新型多址接入技术的研究势在必行。

与正交多址接入技术不同，非正交多址接入（Non-Orthgonal Multiple Access，NOMA）技术允许用户复用同一资源块，这能够显著提升网络的用户容量和频谱效率。作为 NOMA 技术的早期探索者之一，英国伦敦玛丽女王大学刘元玮副教授在提升 NOMA 的安全性、兼容性和可持续性等方面取得了多项原创性科研成果，提出了多个关键技术，进而形成了较为完备的理论体系。

图 | NOMA概念示意图[1]（a）两用户 NOMA 复用相同时频资源；（b）下行 NOMA 传输；（c）上行 NOMA 传输

他还提出的基于 NOMA 的新一代多址接入技术（Next Generation Multiple Access, NGMA）[2]和全向可重构超表面技术（Simultaneously Transmitting And Reflecting Surface, STARS）[3]，为提升未来网络通信性能、设备终端接入能力、多维网络功能高效协同等奠定了理论基础。凭借上述开创性的成果，刘元玮博士成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者刘元玮

长期致力于非正交多址接入技术研究

早在博士和博士后阶段，刘元玮就对 NOMA 技术开展了深入研究。他首先利用随机几何理论，建立了 NOMA 通信系统理论分析框架，并揭示了该技术对无线通信系统容量提升的原理。

在此基础上，他又将无线携能通信、物理层安全性等多项技术引入 NOMA 通信，提出了一系列能够增强 NOMA 通信的安全性、兼容性和可持续性的技术方案，比如高能效的协作 NOMA、NOMA 信息安全传播等。此外，他还提出了 NOMA 资源分配方法和多天线 NOMA 通信方法。这些研究成果都为 NOMA 通信的发展开拓了良好的前进道路。

提出全向可重构超表面技术

可重构智能超表面（Reconfigurable Intelligence Surface, RIS）技术是一种新兴的无线通信技术，其是由大量可编程配置的电磁元件组成的表面，能够改善无线通信中信号的传输效果，营造“智能无线传播环境”。

“以往无线电波在中间中的传播中是不可控的，但是通过 RIS 技术，能够使它达到可控的效果，比如其既可以让无线电波精确地指向某个位置，又可以让它避免在某个位置产生干扰。这能够推动未来的无线通信系统实现更高效、更智能、更安全的传播，也由此延伸出了很多应用。”刘元玮解释说。

他于 2018 年底关注到 RIS 技术，并在该技术的基础之上，于 2020 年提出了 STAR-RIS/STARS 技术。

图 | 反射 RIS 与 STARS 的功能对比

相较传统的反射型 RIS，STARS 技术融合了反射和透射两种基本的物理传播特性，能够实现 360 度的信号全覆盖。

“我最早关于 STARS 的灵感来自于可见光和窗户。”刘元玮表示，“当我们透过窗户向外看，既可以看到窗外的景色（透射），也可以从窗户上看到自己的倒影（反射），这说明反射和透射是可以同时存在的。因此我就在想自己能不能做 STARS 的研究。”

但当他真正去做文献调查时，才发现实现 STARS 并不容易。原因在于，STARS 技术会涉及许多基础性的改变，比如信道建模、物理建模、环境电流、电场等。所以，为了实现这个“从 0 到 1”的突破，刘元玮带领团队成员展开了深度攻关，先阅读了很多不属于自己研究领域的文献，然后再重新去做各方面的研究。

目前，刘元玮团队已经在电子原理、性能分析、系统建模、基于人工智能的智能控制等方面取得了显著的成果。

2021年，相关论文以《STAR：同时透射和反射的360度智能表面》（STAR：Simultaneous Transmission and Reflection for 360° Coverage by Intelligent Surfaces）为题发表在 IEEE Wireless Communications 上[3]。其发表在 IEEE ICC 2022 通信领域旗舰会议上的论文“Simultaneously Transmitting and Reflecting (STAR)-RISs：A Coupled Phase-Shift Model”获得了 2022 年 IEEE 通信信号处理与计算技术委员会的最佳论文奖。

图 | 2022 年 IEEE 通信信号处理与计算技术委员会的最佳论文奖

图 | STARS 的广泛用途

就 STARS 技术而言，其在传统蜂窝网络、工业通信、室内/室外信号增强以及车联网通信等多个方面都具有非常广泛的应用场景。比如，把 STARS 安装到房间的窗户上，便可以增强室外与室内无线信号传输质量。

那么，NOMA 和 STARS 之间有着怎样的联系呢？又为什么要在 STARS 赋能通信网络中使用 NOMA？

“一方面，NOMA 可以为 STARS 应用中实现更高的频率效率和更多用户接入数量；另一方面，部署 STARS 可以通过对无线信号幅度和相位的调节，改变用户信道，为 NOMA 解决因信道状态相似而限制性能发挥的问题。所以两者是相辅相成的，能起到 1+1>2 的效果。”刘元玮说。

相信自己，享受科研

据刘元玮介绍，他本科和硕士均就读于北京邮电大学。2013 年，他来到伦敦玛丽女王大学攻读博士学位。在读博初期，他做过很多研究方向，也曾陷入迷茫。

“万事开头难。并不是每个人一开始都能找到自己擅长和喜爱的研究方向，有时候我们反而需要从不断的试错中得到成长。”刘元玮说。

2014 年，他来到英国兰卡斯特大学访问，并在那里遇到了自己求学道路上的领路人丁志国教授。

自此，刘元玮将 NOMA 技术定为自己的重点研究方向，并在该领域孜孜不倦地深耕了近十年之久。

“在研究热点风云变幻的信息科学领域，一名研究者能够在求学初期就找到可以为之奋斗十年的研究课题，实属一件幸事。除此之外，丁志国教授对我最大的影响莫过于向我传授了‘快乐科研’的思想。”刘元玮说。

2015 年，他又结识了另外一位同样对自己学术生涯影响颇深的学者，即南安普顿大学教授、英国皇家科学院院士 Lajos Hanzo。“Hanzo 教授在学术写作上给予了我极大的帮助和引导，让我学到了一篇精品论文的背后应该具有哪些特质。”刘元玮说。

如今，作为一名师者，他也经常对自己的学生说，要对自己所做的研究感兴趣，要相信自己的研究，并为自己的研究而感到自豪。

“现在我们好多年轻人都会觉得，我们没有赶上最好的时代。其实有时我也有这样的困扰，但后来的经历告诉我，其实并非如此，每一个时代真的都是最好的时代，因为每个时代都有会腾飞的技术。当然，我们也要兼顾多方面的发展，比如时间管理、社会交往等。在工作之余，我们可以培养一个兴趣爱好，定期释放压力，这才能够增加身心健康，提升工作效率。”

此外，他还鼓励学生多参加学术会议。“这既可以展示自己的研究成果，得到同行的反馈和建议，促进自我提升。同时，又可以从他人的研究中汲取经验，取长补短。”他说。

图 | 刘元玮博士获得 2021 年 IEEE 通信理论技术委员会早期成就奖并于颁奖仪式上发表 STARS 技术演讲

当前，他正致力于推进 NOMA 技术向新一代多址接入技术发展[2]。为了应对 6G 无线通信所面临的大规模连接、异构化应用场景、高计算复杂度与人工成本等挑战，他开展了以下几个方面的研究。

其一，提出了基于 NOMA 和多天线技术的、具有普适性的新一代多址接入通信框架，解决传统多天线 NOMA 通信方案应用时的场景局限性，并充分挖掘非正交传输和多天线系统的潜力。

其二，提出了人工智能赋能的低复杂度、自动化、分布式的新一代多址接入技术传输策略，以适应不同的 6G 应用场景。

其三，为实现传感、通信、计算多功能的协同，提出了由新一代多址接入技术驱动的通感算一体化传输框架。

“在下一阶段，我将研究面向全频段、全场景、多功能网络的新一代多址接入技术，并继续深化与工业伙伴之间的合作，促进研究成果的标准化与应用落地。”刘元玮最后说。

参考资料：

[1]. Y. Liu et al., "Nonorthogonal Multiple Access for 5G and Beyond，", Proceedings of the IEEE; vol. 105, no. 12, pp. 2347-2381, Dec. 2017, doi: 10.1109/JPROC.2017.2768666.

[2].Y. Liu et al., "Evolution of NOMA Toward Next Generation Multiple Access (NGMA) for 6G," in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 40, no. 4, pp. 1037-1071, April 2022, doi: 10.1109/JSAC.2022.3145234.

[3]. Y. Liu et al., "STAR: Simultaneous Transmission and Reflection for 360° Coverage by Intelligent Surfaces," in IEEE Wireless Communications, vol. 28, no. 6, pp. 102-109, December 2021, doi: 10.1109/MWC.001.2100191.

发布于：北京