創新智慧表面，解鎖無線通訊與無線感知的未來

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編者按：無線通訊與無線感知技術正在悄然改變著人類認知和聯絡世界的方式，讓我們的生活更智慧、更便捷。從智慧裝置的無縫連線到智慧家居的便捷管理，從自動駕駛的精準導航到智慧醫療的即時監測，無線技術應用的重要性如今愈發凸顯。微軟亞洲研究院（上海）的研究員們發揮奇思妙想，在無線通訊與無線感知研究領域中不斷探索、創新，透過將超表面技術與 GNSS、毫米波、微波爐加熱、音訊傳播的研究相結合，為解決現實問題提供了諸多新方案。這些創新工作將為智慧醫療、智慧倉儲、智慧農業、物聯網等相關產業的發展提供新契機。

隨著物聯網、智慧交通、智慧醫療等領域的蓬勃興起，無線技術的需求與日俱增。然而，傳統的無線技術在訊號覆蓋、定位精度、感知能力等方面存在諸多侷限。如何突破這些瓶頸，實現更高效、更精準的無線通訊與感知，成為科研人員關注的一個重要課題。

作為一種由不同形狀結構組成的人造二維材料，超表面（Metasurface）能夠靈活調控電磁波的偏振、振幅、相位、極化方式和傳播模式等特性，在多個領域具有廣泛的應用前景。特別是在光學成像和通訊領域，超表面能夠精確調控入射光波的波前，實現任意的相位變換和光場變形。

超表面展現出的巨大潛力激發了微軟亞洲研究院（上海）研究員們的創新靈感，他們憑藉深厚的研究經驗和創新能力，為無線技術的研究探索了多個新方向：將超表面技術與全球導航衛星系統（GNSS）相結合實現了室內精準定位，為室內外智慧倉庫的貨物搬運提供了統一的定位方法；使用超表面彌補了毫米波覆蓋範圍侷限的問題，為 5G 和 6G 通訊的廣泛應用打開了新思路；在微波爐中引入超表面技術，解決了微波爐加熱不均的問題；設計了聲學超表面 MuDiS 系統，無需耳機就能將聲音訊號定向傳輸到使用者的耳朵裡。這些工作成果均已在移動計算和無線網路領域的頂級國際學術會議 MobiCom 2024 上發表。

超表面最佳化GNSS，實現室內精準定位

全球導航衛星系統（GNSS）已在室外定位和導航中得到了廣泛應用，但在室內環境中，由於物理障礙造成的訊號阻塞、反射和衰減，其定位效果並不理想。為了彌補這一不足，通常需要藉助額外的技術支援，如 Wi-Fi、藍牙低功耗（BLE）技術。然而，這些解決方案存在顯著的侷限性：它們不僅需要附加基礎設施和特定區域的校準及持續維護，且成本高昂、部署複雜，此外準確定位還需要移動裝置支援專門的硬體和軟體協議。

研究員們認為，儘管存在挑戰，GNSS 訊號仍然是實現準確室內定位的重要手段。基於 GNSS 的解決方案，透過利用廣泛的可用衛星，避免了 Wi-Fi 和 BLE 方案所需的基站部署和維護需求。同時，幾乎所有智慧手機都配備了基於 GNSS 的 GPS 晶片，並允許透過 API 直接訪問 GNSS 偽距資料。更重要的是，GNSS 定位能夠無縫融合室內外場景，例如，在工業環境中，智慧車輛可以在室內與室外搬運過程中實現連續定位。

透過室內測量，研究員們發現 GNSS 衛星訊號以不同的俯射角穿透窗戶斜入射至室內，訊號會在地板或天花板進行復雜的反射和衍射，導致室內接收的訊號能量不均。而超表面具有控制電磁訊號結構化陣列的能力，不僅能捕獲更多的 GNSS 訊號能量，還可以改變訊號的方向，讓訊號以平行地面的方式入射至室內，實現更廣泛的訊號覆蓋。為此，研究員們開發了基於被動超表面技術將 GNSS 訊號引入室內的系統——GNSS 定位超表面系統（GPMS）。

被動超表面的一個主要問題是缺乏可程式設計性，其波前控制能力在製造時已被固定，不具備動態調節電磁波的能力，這就類似於相機的定焦鏡頭在出廠時對光線傳播的調節方式是固定的。為了使被動超表面能夠有效地引導來自不同入射角的訊號，並且以平行的方式散射這些訊號，研究員們借鑑了透鏡組合的原理，透過兩層超表面的組合，使得來自不同入射角的電磁波具有相似的出射軌跡。

圖1：GPMS 的兩層超表面組合

為了提升定位準確性，研究員們進一步開發了新的演算法，以確保訊號穿過超表面，並使用室內部署的超表面作為錨點進行定位。具體來說，傳統 GPS 定位需要至少4顆衛星被接收器接收到才能解碼出位置資訊。而在 GPMS 系統中，每個部署的超表面都可以作為一個虛擬衛星。因此，在室內最少部署3個超表面，就能透過三角定位演算法實現高精度定位，且不需要針對不同場景重新訓練模型或調整引數。

圖2：GPMS 系統示意圖。透過採用設計好的被動超表面在室內引導 GNSS 訊號，並結合改進的定位演算法，GPMS系統能夠在移動裝置上實現精確的室內定位。

研究員們分別在一個10×50平方米的辦公樓層和一個15×20平方米的會場部署了 GPMS 系統和6個超表面，以評估整個系統和演算法的效能。結果顯示，GPMS 將訊號質量（C/N0）從 9.1dB-Hz 提高到 32.2dB-Hz；可見衛星數量從3.6顆增加到21.5顆；在辦公樓層中，絕對定位誤差從30.6米降低到3.2米；在會場中，絕對定位誤差從11.2米降低到2.7米，證明了基於超表面的 GNSS 在室內定位中的可行性和優勢。

超表面幫助毫米波擴充套件覆蓋範圍

毫米波因其高速率、低延遲特性，成為 5G 和 6G 通訊系統落地的重要基礎技術。儘管已有 60GHz Wi-Fi 路由器和移動裝置的商用產品出現，但毫米波訊號覆蓋範圍小、容易被遮擋阻斷的特點限制了其在日常生活中的廣泛應用。

傳統的解決方法包括部署多個毫米波接入點，如路由器或基站，或者在房間拐角處安裝反光金屬板來反射電磁波，但前者成本高，後者效能不理想。超表面技術為毫米波的應用提供了新的可能。研究表明，可程式設計的超表面能夠增強盲區的訊號覆蓋，並顯著提升訊號質量和效率。然而，現有解決方案通常依賴於昂貴的硬體和計算資源，導致成本高昂且難以大規模推廣。

為了充分釋放超表面的潛力，研究員們提出了 AutoMS 自動化服務框架，旨在透過低成本被動超表面的設計和放置策略，最佳化給定區域的毫米波覆蓋。

AutoMS 中的三個主要元件，共同解決了傳統方案中的痛點：

自動化聯合最佳化：AutoMS 提供了一個聯合最佳化框架，能夠確定最佳的網路部署配置，包括一個或多個超表面的相位設定和放置位置，以及路由器的設定和定位。透過迭代識別並最佳化超表面的數量、大小和放置位置，該元件可不斷細化超表面相位和路由器的設定，實現最優的訊號覆蓋。
快速 3D 射線追蹤模擬器：該元件利用軟硬體加速技術，能夠高效計算具有數萬元素的超表面通道響應矩陣，提高了模擬速度和精確度。
低成本被動超表面設計：研究員們設計了一種高反射率、接近 2π 相位控制和寬頻支援的被動超表面，適用於毫米波頻段，並且與低精度但成本效益高的熱衝壓工藝相容。這種設計允許幾乎無成本地生成超表面，大大降低了部署成本。

圖3：AutoMS 框架。該框架依據環境掃描結果，為特定的 3D 模型生成最佳化後的被動超表面和接入點的部署方案。

如圖3所示，使用者可以使用移動裝置上已有的 3D 掃描應用來捕獲要部署的環境，生成 3D 佈局模型並上傳至雲端。隨後，AutoMS 將生成超表面的設定和擺放指南，使用者只需打印出超表面模式，用燙金紙工藝加工成超表面，然後貼上到系統設計的相應位置即可。這一過程不僅大幅降低了成本，還保持了室內的美觀性。使用者甚至可以在超表面上放置藝術畫等裝飾品，因為毫米波能穿透顏料和紙張，不會影響到隱藏的超表面與毫米波的互動。

圖4：低成本被動超表面的製造工藝

透過使用公開 3D 佈局資料集和在現實世界測試的評估顯示，AutoMS 系統顯著增強了各個場景中的毫米波覆蓋。與單個路由器設定相比，訊號增益為 12.1dB。現場測試進一步證實，AutoMS 系統在目標區域訊號增益為 11dB，在盲區超過了 20dB，訊號吞吐量從 77Mbps 提高到 373Mbps。此外，AutoMS 系統還可以彈性適應不同的環境，在實際應用中保持了靈活性與可靠性。

超表面解決微波爐加熱不均問題

微波爐是現代廚房中的常見電器，加熱食物方便、快捷。但微波爐存在著一個眾所周知的問題——加熱不均。微波加熱過程中，食物容易產生“冷點”，可能導致有害細菌和其他病原體的殘留，增加食源性疾病的風險。不均勻加熱還可能導致食物出現“熱點”，增加口腔和喉嚨燙傷的風險。另外，許多人也曾經歷過雞蛋在微波爐中爆裂的現象，這主要也是因為加熱不均所致。

微波爐加熱不均的根源在於其獨特的加熱機制。微波爐透過產生高功率射頻（RF）電磁（EM）波來加熱食物，這種方式被稱為介電加熱。微波爐內部的電磁波往往形成駐波，在波節點處幅度始終為零，所以位於這些節點的食物無法被加熱；相反，在波腹處，食物加熱速度會更快。對此，最常見的解決方案是使用旋轉盤和攪拌器，但熱量分佈仍然不均。

為了應對這一挑戰，研究員們提出了 MicroSurf，這是一種透過在微波爐腔內放置一個或多個被動超表面來控制電磁能量的、有效且低成本的解決方案。MicroSurf 的核心理念是利用超表面與電磁波的共振效應，改變微波爐腔內的駐波分佈，從而實現更均勻的熱量分佈。

圖5：MicroSurf 工作原理：A. 微波爐內部電場分佈不均，導致加熱不均。B. 對微波爐精確建模。C. 設計和最佳化能在高功率環境下工作的超表面以改變駐波分佈。D. 實現對不同食物的均勻加熱，並在食物不同部位選擇性加熱。

在四個不同品牌的微波爐上進行的反覆實驗表明，MicroSurf 能夠有效最佳化不同液體和固體的加熱目標，包括均勻加熱水、牛奶、麵包和肉類；集中加熱特定區域，如麵包的任何一個角；適應不同形狀的食物，如火腿、乳酪、豆腐、冷凍肉和雞蛋等。MicroSurf 成功解決了微波爐加熱不均的問題，展示了超表面技術在日常生活中的應用潛力，也為未來更多家電產品的智慧化與高效化提供了新的思路。

基於超表面的MuDiS讓音訊傳播更個性

在一些公共場所，個性化音訊體驗的需求正在日益增長。例如，在博物館，每位參觀者都希望可以獲得與眼前展品緊密相關的1對1講解；在健身房，人們可以無需佩戴耳機仍能夠自由沉浸在自己的音樂世界中。然而，傳統的揚聲器系統由於音訊干擾和定向性差，無法滿足這類需求。幸運的是，聲學超表面技術所擁有的聲波調向功能，把對聲音的掌控能力推向了新的高度。

對此，研究員們開發了新型多向揚聲器 MuDiS（Multi-directional Speaker），透過專門設計的聲學超表面，克服了傳統引數陣列在換能器尺寸和波前形狀方面的限制，讓 MuDiS 可以利用引數陣列產生支援多個方向、可靈活調整角度且高度集中的聲波束，並依靠空氣非線性原理將超聲波轉換為可聽的聲音。

具體而言，MuDiS 有三個核心功能：獨立波束播放、寬角度數字轉向和洩露抑制。首先，基於超表面的特殊單元結構設計，讓 MuDiS 能夠連線超聲波換能器，以最優間隔將聲音重新塑造成近似球面的波前形狀，來支援更廣的動態轉向角度。同時，基於最佳化的波束成形演算法大幅抑制了傳統多波束系統中的聲音干擾問題，提升了使用者體驗。另外，研究員們還提出了一種非線性失真降低方案，以增強聲音質量。