论文阅读--Holographic MIMO surfaces for 6G wireless networks:Opportunities, challenges,and trends

用于6G无线网络的全息MIMO表面:机遇、挑战和趋势

论文信息：Huang C, Hu S, Alexandropoulos G C, et al. Holographic MIMO surfaces for 6G wireless networks: Opportunities, challenges, and trends[J]. IEEE Wireless Communications, 2020, 27(5): 118-125.

AbstrAct && IntroductIon

  未来的无线网络需要支持大量用户且其频谱效率(SE)、能效(EE)更高，而当前作为解决5G吞吐量的一种创新方式，使用真正大规模的天线阵列实现大规模 MIMO 基站仍面临如制造和操作成本高、功耗增加等困难。 未来6G无线通信系统有望实现智能化和软件可重构模式，可通过波束成型天线阵列，自适应调制和编码等这些方面优化通信效率， 但在优化的过程中，无线环境是难以控制的因素。
  在本文中，概述了不同的新兴HMIMOS架构及其核心功能，并讨论了它们当前考虑的通信应用以及它们未来的网络挑战。

HMIMOS desIgn Models

本文首先介绍了HMIMOS系统可用的硬件架构、制造方法和操作模式。

1、 基于能耗的分类

a. 主动HMIMOS
HMIMOS可以同时作为发射器，接收器，反射器来使用。作为收发器来使用的时候，会在表面安装射频电路和信号处理单元，其安装的越多，相邻表面元素之间的间距减小，即大型智能表面。
有源的HMIMOS：

• 软件控制天线元件封装到有限尺寸的二维表面上。
• 实现可以基于分立光子天线阵列，该阵列集成有源光电检测器、转换器和调制器，用于执行光学或RF信号的传输、接收和转换。

b. 被动HMIMOS
智能反射表面（IRS）或者可编程智能表（RIS），其作用类似于无源金属镜或“波收集器”，可以通过编程以可定制的方式改变撞击电磁场。它和主动HMIMOS比起来，能耗更低，不需要集成很多元件，是全双工，无明显自干扰或增加噪声水平的，成本足够低。

2、 基于硬件结构的分类

a. 连续的HMIMOS
将足够多的元素整合到有限的表面积里，就像连续的一样，连续表面的操作和运行模式和光的全息术是相似的，由于连续孔径理论上无限数量的天线集成(可视为大规模MIMO 的渐近极限)，其潜在优势包括实现更高的空间分辨率，并使具有任意空间频率分量的电磁波产生和检测成为可能。

• 在训练阶段，来自RF源的生成的训练信号通过分束器被分成两个波，目标波和参考波。物体波被引导到物体和一些反射波，这些反射波与不撞击的参考波束混合在一起被馈送给HMIMOS。
• 在通信阶段，发送的信号通过HMIMOS的空间连续孔径被转换成目标用户所需的波束。

b. 离散HMIMOS
由许多由低功耗的，软件可调的，超材料制成的离散单元单元组成离散表面的一个实例是基于具有电子可控制反射特性的离散“元原子”，另一种离散表面是基于光子天线阵列的有源表面。

3、 基于操作方式的分类

上述的主动、被动及连续、离散性可交叉出四种操作方式
a. 连续主动
连续的 HMIMOS 的性能类似于一个有源收发器。RF射频信号在其背面产生，并通过一个可控制的分配网络传播到由大量软件定义的电子可控制元件构成的相邻表面，该元件可向预期用户产生多个波束。主动连续 HMIMOS 与被动可重构元表面的显著区别在于前者的波束形成过程是基于全息概念完成的。

b. 离散被动
HMIMOS的另一种工作模式是反射镜或“波采集器”，其中的元表面被认为是离散的和被动的。在这种情况下，元表面包括可重构单元，其操作波束形成模式不同于连续收发的HMIMOS系统。

HMIMOS Outdoor Applications

1. A1建立连接：HMIMOS可以将覆盖范围从室外BS扩展到室内用户，特别是在用户和BS之间没有直接连接，或者连接被障碍物严重阻塞的情况下。
2. A2高能效波束形成：HMIMOS能够回收环境电磁波，并通过有效调谐其单元元件将其聚焦于目标用户。在这种情况下，表面被部署为中继，通过有效的波束形成将带有电磁场的信息转发到期望的位置，该波束形成补偿来自BS的信号衰减或抑制来自相邻BS的同信道干扰。
3. A3：物理层安全性：HMIMOS可以部署用于物理层安全性，以抵消基站BS信号对窃听者的反射。
4. A4：无线电力传输：HMIMOS可以收集环境电磁波，并将其定向到低功耗物联网设备和传感器，从而实现同步无线信息和电力传输。

HMIMOS Indoor Applications

  由于墙壁和家具的多重散射和信号阻挡的存在，室内无线通信受到丰富的多径传播，以及由于有限空间中电子设备的高密度而导致的RF污染。HMIMOS具有在室内环境中非常有益的潜力，利用其固有的能力来重新配置电磁波以实现各种通信目标。可以使用涂覆在墙壁中的HMIMOS来增强信号传播，以便帮助来自接入点的信号以期望的功率电平到达预期用户。

1. A5增强的室内覆盖：如前所述，室内环境可以涂上HMIMOS，以增加传统WiFi接入点提供的吞吐量。
2. A6：高精度室内定位：HMIMOS增加了室内定位和定位的潜力，而传统的全球定位系统（GPS）无法提供所需的精度或无法工作。大的表面提供了大而连续的孔径，从而提高了空间分辨率。

Design challenges And Opportunities

设计实现难点

1. 基本限制：由于 HMIMOS 需要重新配置电磁传播方式，所以需要新的数学模型来描述信道及增益。
2. HMIMOS 信道估计：估计可能非常大的 MIMO 信道是另一个关键的挑战，在各种约束下硬件复杂性和操作功耗都会增加。
3. 鲁棒的信道感知波束。
4. 分布式配置和资源分配：如果无脑配置超表面和天线的话会导致超大的开销，所以应当研发最佳的分配和调度算法 。

Conclusion

  HMIMOS 作为未来 6G 无线系统物理层的关键，有着的巨大潜力。该技术在SE 和EE方面提供了巨大的优势，产生了智能和可重构的无线环境。它允许使用低成本、低能耗和小尺寸的无源硬件，在室内和室外提供覆盖广泛的智能通信。得益于它的优点，HMIMOS 可以紧凑而容易地集成到各种应用中。然而，要充分发挥HMIMOS技术的潜力，仍然存在挑战。其中包括元曲面的真实感建模、多个HMIMOS无线通信的基本限制分析、智能环境感知自适应的实现以及近被动表面的信道估计。

补充

术语“孔径”指的是发射或接收波的空间区域。发射孔径也被称为主动孔径(active aperture)，接收孔径称为被动孔径(passive aperture)。举例来说，在光学领域，孔径可以是一个不透明的隔板上的一个孔。在电磁学中，孔径可以表示电磁天线。 声学领域，孔径可以表示一个将声信号转换为电信号的电声传感器（麦克风）或一个将电信号转换为声音号的设备（扬声器）。