撰稿|由课题组供稿
随着第五代移动通信技术（5G）的商用，6G的研究也在逐渐发展中，未来无线通信不仅对大规模天线阵列、射频链路提出了更高的要求，也在不断追求具有高保密度的通信方式，保障信息安全。基于可编程智能超表面的直接调制无线通信技术是当前无线通信领域研究的热点之一，摒弃了传统数字无线通信系统中混频、滤波等复杂微波组件，极大简化了通信发射系统架构，且具有自适应信道环境、可大规模拓展、低成本等优势，有望在未来5G+/6G无线通信应用中发挥重要作用。该技术通过部署由亚波长单元结构组成的可编程智能超表面，将要传送的信息直接调制在超表面的散射电磁波中，最终在接收端得到完整传输信息。其信道的动态可调特性不仅满足了接收用户的移动性，也为提升无线通信系统的物理层安全提供了新途径。物理层安全是增强无线通信信息安全的关键手段之一，它利用物理信道的唯一性和互易性来实现多种信息加密技术。可编程智能超表面生成的空间波束可视为直接调制无线通信系统的物理信道，可方便地进行信道加密。目前，超表面直接调制的无线通信技术刚刚起步，主要工作集中于单一信道内实现有效编码并以最优的性能传输到终端，在保密通信的研究上仍面临较大挑战。
为应对上述挑战，南京大学电子科学与工程学院冯一军教授团队提出了一种物理层加密无线通信系统，可通过在两个不同频率信道上进行数据分流实现信道加密，使得单一信道无法获得正确传输信息，大大降低了被窃听的风险（图1）。该系统中的可编程智能超表面由双层结构构成，每层独立控制一个工作频率的相位响应，通过对每层结构进行相位编码生成特定波束，可构建在任意方向、互不干扰的两个频率信道（图2）。通过结合外部可编程系统进行动态控制，超表面在某一方向的远场辐射强度可以实时变化，可将信息通过幅度调制到入射载波信号上，辐射到接收端。在此基础上，将传输信息（比如图像）按照一定规律分为两部分，分别在不同频率的物理信道进行传输。只有按照预设规则结合两个接收机的解调信息才能得到正确的传输图像，对单个信道（或单个地点）的窃听所恢复的图像则是无意义的，从而有效保障了信息安全（图3）。
图1：智能超表面直接调制保密通信系统的功能示意图。
图2：(a) 可编程单元结构示意图；(b)-(c)可编程单元在2.4 GHz和5 GHz的独立相位响应；(d)智能超表面实物上层结构照片；(e)-(f) 两个工作频点处不同相位分布对应的远场方向图；(g) 智能超表面实物下层结构照片；(h)-(i) 实验测试可编程智能超表面在两个工作频点处不同相位分布对应的远场方向图。
图3：系统信息加密处理示意图（a）发射端；（b）接收端
相关研究工作以Metasurface-assisted wireless communication with physical level information encryption为题发表于《Advanced Science》[DOI: 10.1002/advs.202204558]。博士生郑依琳同学为论文第一作者，陈克副教授和冯一军教授为通讯作者。赵俊明教授，王健副教授，张娜副研究员，以及徐之源同学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。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202204558
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