无线感知论文速览 | NSDI 2023, mmWall: A Steerable, Transflective Metamaterial Surface for NextG mmWave Netwo
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mmWall: 一种用于下一代毫米波网络的可转的、透射反射式超材料表面
论文链接: https://www.usenix.org/conference/nsdi23/presentation/cho-kun-woo
作者：Cho Kun-Whan来自普林斯顿大学；Mazaheri Mohammad-Hossein来自加利福尼亚大学洛杉矶分校；Gummeson Jeremy位于马萨诸塞大学阿默斯特分校；Abari Omid来自加利福尼亚大学洛杉矶分校；Jamieson Kyle来自普林斯顿大学
摘要
- 运营商正准备利用毫米波技术作为5G演进,但尽管努力提高室内外的可靠性,毫米波链路仍然容易受墙壁、人体和障碍物的阻塞。
- 本文介绍了mmWall的设计、硬件实现和实验评估,这是第一种几乎可以360°电子转向的超材料表面,工作频率高于24GHz,可以折射或反射入射的毫米波传输。
- 本文的超材料设计由分裂环谐振器单元阵列组成,经过微型化以用于毫米波。定制控制电路驱动每个谐振器,克服了规模扩大时产生的耦合挑战。
- 本文将mmWall集成到常见毫米波网络的链路层发现协议中,利用波束定位算法。本文已经制作了一个10厘米×20厘米的mmWall原型,由76×28个单元阵列组成,并在室内、室外到室内以及多波束场景中进行了评估。
引言
在5G/6G时代，...成为下一代无线网络的关键技术要素，并以满足用户对高光谱效率和低延迟的需求为己任。更高频率的载波能够显著提升网络容量。
...在城市密集区域中展现出独特的优势：其一，在建筑物密集区存在大量障碍物；其二，在树叶等自然障碍物处吸收较强的毫米波信号；而建筑物表面的反射则多为镜面反射。
本文重点阐述了mmWave壁（mmWave Wall）的设计方案及其实现过程。该表面具备高度可调节性，并能根据需求进行电子级重新配置。
该表面支持入射毫米波信号的折射或反射操作，并通过新型超材料技术实现了精确转向功能。
贡献与结果
- mmWall采用了开创性设计，在实现任意毫米波束反射、折射及分割过程中几乎无耗能。
- 本研究深入探讨了其基本结构，并通过实验数据作为验证依据与其理论模型进行了对比分析。
- 本系统开发出了具有创新性控制网络架构的mmWall硬件原型，并在不同场景下进行了系统性测试。
- 通过实际应用测试发现，在AP与终端用户位于同一空间中时（如10×8m房间），该方案可保证所有位置均能达到25dB以上信噪比水平。
设计
- 本文依次介绍mmWall的硬件(§3.1)、控制机制(§3.2)和链路层集成(§3.3)。
表面硬件
mmWall的单元以垂直叠加的方式固定在Rogers基板上（如图2所示）。控制单元则与mmWall相连，并为其提供必要的电压支持。
该系统的设计目标包含两个主要方面：第一部分旨在使传输或反射损耗趋近于理想状态；第二部分则要求对入射信号实现任意范围内的相位调节（即从0到2π弧度）。
每个功能单元由两组元原子构成——一组负责磁场特性（磁性），另一组则处理电性相关功能。本文通过精细调节元原子的关键参数（包括半径R、线宽w以及间距g等指标），成功实现了毫米波频段的工作性能。
为实现对功能单元的有效控制，在电路板上设置了表面控制单元，并通过丝印技术构建了完整的偏置网络结构；特别地，在内部采用了蛇形布局的设计方案来优化电感性能；这种设计不仅有效提升了整体性能表现，还显著降低了潜在的电磁干扰风险。
表面控制
mmWall通过在每个肋施加不同相位偏移来实现波束方向的精确调整。具体而言,本研究构建了一个映射关系表,将目标相位φ与选定单元的电压配对进行了对应。为了将单向光变为多臂光,本研究对阵列因子进行了优化调整,以实现对θ1和θ2两个方向的有效控制。
链路层设计
mmWall采用透镜模式和镜像模式运行机制。透镜模式可为室内用户提供与室外基站的通信连接;而镜像模式则用于室内用户与AP之间的波束反射。
基于不同用户的地理位置变化,mmWall通过电子切换实现两种工作模式之间的转换功能,其在波束搜索期间动态扫描透镜和镜像模式下的可用波束资源,从而实现精准匹配。
本文对现有5G NR波束管理协议进行了优化,以更好地适应mmWall系统的独特性能需求。
实现
本文实现了 mmWall 这一硬件原型的设计与制造过程（如图 8 所示）。该系统的元原子被精确地固定在尺寸为 120 \times 16 毫米的 Rogers 4003C PCB 基板上（如图 9 所示）。本系统采用四个 40 通道、16 位数字信号处理模块（DAC），每个模块能够独立控制对应 mmWall 肋片中的电性和磁场特性。通过本系统的硬件架构设计，在波束重组过程中所需的时间仅为 20\ \mu s。
评估
- 首先，在室内及室外场景中进行对比分析时发现，在与环境最优非直视线路径相比时（见第5.2节），本研究实现了端到端信噪比提升。
- 随后，在分析不同接收器位置时（参考第5.3节），我们考察了其在构建多臂波束方面的性能。
- 最后，在综合评估方面（见第5.4节），我们汇总了其转向性能、宽转角支持特性、角度互易性以及宽带操作能力等因素对实验结果的影响。
结论
本文阐述了毫米波超表面技术的进展，并首次提出了mmWall这一创新性设计。该设计具备自我可配置特性，在通信系统中能够将入射毫米波束作为非平面透镜或平面反射单元进行中继传输。基本结构能够调节单臂或多臂波束方向，并在任何时刻实现对非平面方向的精准调整。本研究通过系统性评估验证了该技术在信噪比提升方面具有显著优势。