随着5G普及、6G脚步声临近，全球无线通信设备数量正在高速增长。从手机、耳机、智能门锁，到工业传感器、气象监测站，都需要实时传输数据。但传统通信技术几十年来面临两大问题：能耗较高与频谱紧缺。本文要介绍的一项技术—信息超表面赋能高阶调制被动通信技术，恰好能解决上述痛点问题。它通过借助信息超表面这位“智能信号调音师”，让设备不主动发射信号也能高速传递数据，还能“捡”起空气中的闲置信号（比如Wi-Fi信号、手机信号）使用，实现无需射频能耗的被动通信，为6G时代的“绿色通信”按下加速键。

1、无线通信的两大难题：能耗高、频谱缺

现代家庭里有多少台需要通电且联网的设备？除了手机、电脑、路由器，可能还有智能音箱、扫地机器人、智能灯泡、温湿度传感器……这些设备构成了无线通信网络的一角，而它们的续航焦虑一直存在。传统通信技术要求它们主动发射信号，这就需要持续供电。但问题是，电池电量很有限，用尽之后就得人工频繁充电或更换。

除了能耗焦虑，无线通信还面临频谱紧缺困境。我们可以把频谱理解成“通信的高速公路”，每个频段对应一条车道，但这些“车道”的数量是有限的。随着5G、6G的发展，越来越多的设备要“上高速”，频谱资源早就成了稀缺品。

传统通信技术是主动通信，其逻辑是“自己修路自己走”：设备要先主动生成高频载波信号，再把数据加载到信号上发出去。这就像开车出门，不仅要占一条车道，还得自己给车加油——既消耗能源，又占用宝贵的频谱资源。为了解决这些问题，科学家们把目光投向了被动通信技术：借用别人的车道、别人的车来传输自己的信息。

2、信息超表面如何改写通信规则

①既是“智能信号镜子”又是“信号调音师” 

本节介绍一下信息超表面技术。信息超表面就像是一面“智能信号镜子”，只不过这面智能镜子反射的不是光线，而是空气中的电磁波，比如WiFi信号、手机信号、甚至卫星信号。它是由成千上万个亚波长大小的小天线单元组成的阵列，能独立控制电磁波的幅度、相位、极化方向等特性。所以同时它还是一位“智能信号调音师”：如果电磁波是“声音”，那么每个小单元就是一个“调音按钮”——有的按钮能把声音调大，有的能改变声音的音调，有的能让声音转向。通过编程控制这些“按钮”，超表面就能把空气中杂乱的电磁波，按照特定星座图的要求，直接“调成”我们想要的样子。

图1：信息超表面赋能高阶调制被动通信原理示意图

②双天线接收机：如何在嘈杂环境里“听清话”

可能有人会问：超表面反射的信号会不会和环境里的信号“混在一起”，接收设备听不清？别担心，科研团队早就想到了这个问题，他们给接收设备装了“两个耳朵”——两个距离远大于半波长的独立天线，再配合特殊的解调算法，就能在嘈杂环境里精准“听清”有用的信息。

接收设备的两个独立天线分别接收超表面反射的不同信号（经过超表面调制后的有用信号），但包含了相同的环境信号信息。而特殊的解调算法能把环境信号的“特征”提取出来，然后把两个反射信号中相似的部分“去除掉”，剩下的就是有用的调制信号。我们可以把这套系统比作“给信号戴降噪耳机”：传统接收设备就像没戴耳机，在嘈杂环境里根本听不清别人说话；双天线+抵消算法就像戴了降噪耳机，能把周围的杂音过滤掉，只听清有用的声音。正是这套“双天线+算法”的组合，让超表面技术在复杂环境里也能稳定工作，解决了“信号混杂”的难题。

③性能与成本：低成本也能实现高阶调制

那这么厉害的超表面，是不是很贵、很复杂？其实不然。这项技术用的是1-bit信息超表面——每个小单元只有两种状态：“开”或“关”，对应的相位变化是0°或180°。这种设计的好处是“低成本、易制造”。就像家里的灯开关，只有“开/关”两种状态，比变容二极管等结构更简单，成本也低很多。但你别小看它，通过高阶调制算法的设计和优化，1-bit信息超表面能精准控制电磁波的幅度和相位，实现64QAM这样的高阶调制（相较已有被动通信的调制阶数而言）——相当于用简单的开关，调出了复杂的“音乐节奏”。

3、结语

6G的核心目标是“万物智联”——不仅是人联网，更是物联网、车联网、空天地一体化网络。要实现这个目标，需要海量的通信节点，而且这些节点未必都要靠主动发射信号，以减少信号干扰和能源浪费。信息超表面技术恰好能成为这些节点的“纽带”：它能反射和调制信号，把环境里的闲置信号“盘活”，让每个设备都能低成本、低功耗地接入网络。未来的6G网络，可能会在城市的建筑墙面、路灯、广告牌上部署超表面，形成一个“智能信号反射网”，让每个角落的设备都能轻松通信。

信息超表面赋能高阶调制被动通信技术，不仅仅是一项技术突破，更代表了一种“绿色、高效、可持续”的通信理念。当我们不再为无线通信设备的电池发愁，当频谱资源不再紧张，当通信不再消耗大量电能，我们离一个更绿色、更智能的数字世界就又近了一步。

6G时代不远了，而绿色通信的未来，已经从这位“智能信号调音师”开始。 

虽然和差波束算法解决了“鬼影”难题，但在复杂环境下（如强电磁干扰、低SNR场景），仍面临“性能打折”的挑战。当环境噪声过强时，受到噪声影响，通过最大接收功率法所选择的两个和差波束可能位于感知目标到达角同侧，相比位于到达角异侧，其等信号轴方向与感知目标偏离更大，将产生较大测角精度损失。

参考文献：

[1] M. P. Daly and J. T. Bernhard, “Directional Modulation Technique for Phased Arrays,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, no. 9, pp. 2633-2640, Sep. 2009.

[2] T. J. Cui, M. Q. Qi, X. Wan et al., “Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials,” Light: science & applications, vol. 3, no. 10, pp. 218, Oct. 2014.

[3] H. Zhao, Y. Shuang, M. Wei et al., “Metasurface-assisted massive backscatter wireless communication with commodity Wi-Fi signals,” Nature Communications, vol. 11, no. 1, pp.3926, Aug. 2020.

[4] Q. Ma and T. J. Cui, “Information metamaterials: Bridging the physical world and digital world,” PhotoniX, vol. 1, no. 1, p. 1, Mar. 2020.

[5] Y. Shuang, L. Li, Z. Wang et al., “Controllable manipulation of Wi-Fi signals using tunable metasurface,” Journal of Radars, vol. 10, no. 2, pp. 313–325, Apr. 2021.

[6] M. Wei, Hanting Zhao, Yutong Zhang et al., "Metasurface-enabled High-order Direct Antenna Modulation Using Noncooperative Wireless Signals," 2025 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Xi'an, China, 2025

作者：魏梦麟

单位：中国移动研究院

来源: 中移科协