创新智能表面，解锁无线通信与无线感知的未来

摘要：无线通信与无线感知技术正在悄然改变着人类认知和联系世界的方式，让我们的生活更智能、更便捷。从智能设备的无缝连接到智能家居的便捷管理，从自动驾驶的精准导航到智慧医疗的实时监测，无线技术应用的重要性如今愈发凸显。微软亚洲研究院（上海）的研究员们发挥奇思妙想，在无线

编者按：无线通信与无线感知技术正在悄然改变着人类认知和联系世界的方式，让我们的生活更智能、更便捷。从智能设备的无缝连接到智能家居的便捷管理，从自动驾驶的精准导航到智慧医疗的实时监测，无线技术应用的重要性如今愈发凸显。微软亚洲研究院（上海）的研究员们发挥奇思妙想，在无线通信与无线感知研究领域中不断探索、创新，通过将超表面技术与 GNSS、毫米波、微波炉加热、音频传播的研究相结合，为解决现实问题提供了诸多新方案。这些创新工作将为智慧医疗、智能仓储、智慧农业、物联网等相关产业的发展提供新契机。

随着物联网、智能交通、智慧医疗等领域的蓬勃兴起，无线技术的需求与日俱增。然而，传统的无线技术在信号覆盖、定位精度、感知能力等方面存在诸多局限。如何突破这些瓶颈，实现更高效、更精准的无线通信与感知，成为科研人员关注的一个重要课题。

作为一种由不同形状结构组成的人造二维材料，超表面（Metasurface）能够灵活调控电磁波的偏振、振幅、相位、极化方式和传播模式等特性，在多个领域具有广泛的应用前景。特别是在光学成像和通信领域，超表面能够精确调控入射光波的波前，实现任意的相位变换和光场变形。

超表面展现出的巨大潜力激发了微软亚洲研究院（上海）研究员们的创新灵感，他们凭借深厚的研究经验和创新能力，为无线技术的研究探索了多个新方向：将超表面技术与全球导航卫星系统（GNSS）相结合实现了室内精准定位，为室内外智能仓库的货物搬运提供了统一的定位方法；使用超表面弥补了毫米波覆盖范围局限的问题，为 5G 和 6G 通信的广泛应用打开了新思路；在微波炉中引入超表面技术，解决了微波炉加热不均的问题；设计了声学超表面 MuDiS 系统，无需耳机就能将声音信号定向传输到用户的耳朵里。这些工作成果均已在移动计算和无线网络领域的顶级国际学术会议 MobiCom 2024 上发表。

超表面优化GNSS，实现室内精准定位

全球导航卫星系统（GNSS）已在室外定位和导航中得到了广泛应用，但在室内环境中，由于物理障碍造成的信号阻塞、反射和衰减，其定位效果并不理想。为了弥补这一不足，通常需要借助额外的技术支持，如 Wi-Fi、蓝牙低功耗（BLE）技术。然而，这些解决方案存在显著的局限性：它们不仅需要附加基础设施和特定区域的校准及持续维护，且成本高昂、部署复杂，此外准确定位还需要移动设备支持专门的硬件和软件协议。

研究员们认为，尽管存在挑战，GNSS 信号仍然是实现准确室内定位的重要手段。基于 GNSS 的解决方案，通过利用广泛的可用卫星，避免了 Wi-Fi 和 BLE 方案所需的基站部署和维护需求。同时，几乎所有智能手机都配备了基于 GNSS 的 GPS 芯片，并允许通过 API 直接访问 GNSS 伪距数据。更重要的是，GNSS 定位能够无缝融合室内外场景，例如，在工业环境中，智能车辆可以在室内与室外搬运过程中实现连续定位。

通过室内测量，研究员们发现 GNSS 卫星信号以不同的俯射角穿透窗户斜入射至室内，信号会在地板或天花板进行复杂的反射和衍射，导致室内接收的信号能量不均。而超表面具有控制电磁信号结构化阵列的能力，不仅能捕获更多的 GNSS 信号能量，还可以改变信号的方向，让信号以平行地面的方式入射至室内，实现更广泛的信号覆盖。为此，研究员们开发了基于被动超表面技术将 GNSS 信号引入室内的系统——GNSS 定位超表面系统（GPMS）。

被动超表面的一个主要问题是缺乏可编程性，其波前控制能力在制造时已被固定，不具备动态调节电磁波的能力，这就类似于相机的定焦镜头在出厂时对光线传播的调节方式是固定的。为了使被动超表面能够有效地引导来自不同入射角的信号，并且以平行的方式散射这些信号，研究员们借鉴了透镜组合的原理，通过两层超表面的组合，使得来自不同入射角的电磁波具有相似的出射轨迹。

图1：GPMS 的两层超表面组合

为了提升定位准确性，研究员们进一步开发了新的算法，以确保信号穿过超表面，并使用室内部署的超表面作为锚点进行定位。具体来说，传统 GPS 定位需要至少4颗卫星被接收器接收到才能解码出位置信息。而在 GPMS 系统中，每个部署的超表面都可以作为一个虚拟卫星。因此，在室内最少部署3个超表面，就能通过三角定位算法实现高精度定位，且不需要针对不同场景重新训练模型或调整参数。

图2：GPMS 系统示意图。

通过采用设计好的被动超表面在室内引导 GNSS 信号，并结合改进的定位算法，GPMS系统能够在移动设备上实现精确的室内定位。

研究员们分别在一个10×50平方米的办公楼层和一个15×20平方米的会场部署了 GPMS 系统和6个超表面，以评估整个系统和算法的性能。结果显示，GPMS 将信号质量（C/N0）从 9.1dB-Hz 提高到 32.2dB-Hz；可见卫星数量从3.6颗增加到21.5颗；在办公楼层中，绝对定位误差从30.6米降低到3.2米；在会场中，绝对定位误差从11.2米降低到2.7米，证明了基于超表面的 GNSS 在室内定位中的可行性和优势。

超表面帮助毫米波扩展覆盖范围

毫米波因其高速率、低延迟特性，成为 5G 和 6G 通信系统落地的重要基础技术。尽管已有 60GHz Wi-Fi 路由器和移动设备的商用产品出现，但毫米波信号覆盖范围小、容易被遮挡阻断的特点限制了其在日常生活中的广泛应用。

传统的解决方法包括部署多个毫米波接入点，如路由器或基站，或者在房间拐角处安装反光金属板来反射电磁波，但前者成本高，后者性能不理想。超表面技术为毫米波的应用提供了新的可能。研究表明，可编程的超表面能够增强盲区的信号覆盖，并显著提升信号质量和效率。然而，现有解决方案通常依赖于昂贵的硬件和计算资源，导致成本高昂且难以大规模推广。

为了充分释放超表面的潜力，研究员们提出了 AutoMS 自动化服务框架，旨在通过低成本被动超表面的设计和放置策略，优化给定区域的毫米波覆盖。

AutoMS 中的三个主要组件，共同解决了传统方案中的痛点：

自动化联合优化：AutoMS 提供了一个联合优化框架，能够确定最佳的网络部署配置，包括一个或多个超表面的相位设置和放置位置，以及路由器的设置和定位。通过迭代识别并优化超表面的数量、大小和放置位置，该组件可不断细化超表面相位和路由器的设置，实现最优的信号覆盖。快速 3D 射线追踪仿真器：该组件利用软硬件加速技术，能够高效计算具有数万元素的超表面信道响应矩阵，提高了仿真速度和精确度。低成本被动超表面设计：研究员们设计了一种高反射率、接近 2π 相位控制和宽带支持的被动超表面，适用于毫米波频段，并且与低精度但成本效益高的热冲压工艺兼容。这种设计允许几乎无成本地生成超表面，大大降低了部署成本。

图3：AutoMS 框架。该框架依据环境扫描结果，为特定的 3D 模型生成优化后的被动超表面和接入点的部署方案。

如图3所示，用户可以使用移动设备上已有的 3D 扫描应用来捕获要部署的环境，生成 3D 布局模型并上传至云端。随后，AutoMS 将生成超表面的设置和摆放指南，用户只需打印出超表面模式，用烫金纸工艺加工成超表面，然后粘贴到系统设计的相应位置即可。这一过程不仅大幅降低了成本，还保持了室内的美观性。用户甚至可以在超表面上放置艺术画等装饰品，因为毫米波能穿透颜料和纸张，不会影响到隐藏的超表面与毫米波的交互。

图4：低成本被动超表面的制造工艺

通过使用公开 3D 布局数据集和在现实世界测试的评估显示，AutoMS 系统显著增强了各个场景中的毫米波覆盖。与单个路由器设置相比，信号增益为 12.1dB。现场测试进一步证实，AutoMS 系统在目标区域信号增益为 11dB，在盲区超过了 20dB，信号吞吐量从 77Mbps 提高到 373Mbps。此外，AutoMS 系统还可以弹性适应不同的环境，在实际应用中保持了灵活性与可靠性。

超表面解决微波炉加热不均问题

微波炉是现代厨房中的常见电器，加热食物方便、快捷。但微波炉存在着一个众所周知的问题——加热不均。微波加热过程中，食物容易产生“冷点”，可能导致有害细菌和其他病原体的残留，增加食源性疾病的风险。不均匀加热还可能导致食物出现“热点”，增加口腔和喉咙烫伤的风险。另外，许多人也曾经历过鸡蛋在微波炉中爆裂的现象，这主要也是因为加热不均所致。

微波炉加热不均的根源在于其独特的加热机制。微波炉通过产生高功率射频（RF）电磁（EM）波来加热食物，这种方式被称为介电加热。微波炉内部的电磁波往往形成驻波，在波节点处幅度始终为零，所以位于这些节点的食物无法被加热；相反，在波腹处，食物加热速度会更快。对此，最常见的解决方案是使用旋转盘和搅拌器，但热量分布仍然不均。

为了应对这一挑战，研究员们提出了 MicroSurf，这是一种通过在微波炉腔内放置一个或多个被动超表面来控制电磁能量的、有效且低成本的解决方案。MicroSurf 的核心理念是利用超表面与电磁波的共振效应，改变微波炉腔内的驻波分布，从而实现更均匀的热量分布。

图5：MicroSurf 工作原理

A. 微波炉内部电场分布不均，导致加热不均。B. 对微波炉精确建模。C. 设计和优化能在高功率环境下工作的超表面以改变驻波分布。D. 实现对不同食物的均匀加热，并在食物不同部位选择性加热。

在四个不同品牌的微波炉上进行的反复实验表明，MicroSurf 能够有效优化不同液体和固体的加热目标，包括均匀加热水、牛奶、面包和肉类；集中加热特定区域，如面包的任何一个角；适应不同形状的食物，如火腿、奶酪、豆腐、冷冻肉和鸡蛋等。MicroSurf 成功解决了微波炉加热不均的问题，展示了超表面技术在日常生活中的应用潜力，也为未来更多家电产品的智能化与高效化提供了新的思路。

基于超表面的MuDiS让音频传播更个性

在一些公共场所，个性化音频体验的需求正在日益增长。例如，在博物馆，每位参观者都希望可以获得与眼前展品紧密相关的1对1讲解；在健身房，人们可以无需佩戴耳机仍能够自由沉浸在自己的音乐世界中。然而，传统的扬声器系统由于音频干扰和定向性差，无法满足这类需求。幸运的是，声学超表面技术所拥有的声波调向功能，把对声音的掌控能力推向了新的高度。

对此，研究员们开发了新型多向扬声器 MuDiS（Multi-directional Speaker），通过专门设计的声学超表面，克服了传统参数阵列在换能器尺寸和波前形状方面的限制，让 MuDiS 可以利用参数阵列产生支持多个方向、可灵活调整角度且高度集中的声波束，并依靠空气非线性原理将超声波转换为可听的声音。

具体而言，MuDiS 有三个核心功能：独立波束播放、宽角度数字转向和泄露抑制。首先，基于超表面的特殊单元结构设计，让 MuDiS 能够连接超声波换能器，以最优间隔将声音重新塑造成近似球面的波前形状，来支持更广的动态转向角度。同时，基于优化的波束成形算法大幅抑制了传统多波束系统中的声音干扰问题，提升了用户体验。另外，研究员们还提出了一种非线性失真降低方案，以增强声音质量。