东南大学崔铁军院士团队Nature子刊，基于二维可编程超表面的定向信息调制技术

【科学背景】

随着无线通信技术的不断发展，对更高数据速率、更低延迟和更少错误率的需求不断增长，推动了下一代无线通信系统朝着更高的载波频率和超大规模天线阵列的方向发展。然而，这一进程也带来了对通信网络安全性和抗干扰能力的重大挑战。传统的加密方法通常在网络层实施，增加了消息代码的长度和传输开销，并需要密钥交换，这使得满足高带宽和超低延迟通信系统的要求变得困难。

为应对这些挑战，近年来多种物理层安全方法得到了开发，其中包括相控阵波束成形技术和人工噪声干扰技术。这些方法的目标是通过增加信号到合法接收者和窃听者之间的信道容量差异来提升通信的安全性。然而，传统的波束成形技术存在体积庞大、能耗高等问题，同时发射机无差别地向所有方向辐射未失真的信号，理论上允许配备灵敏接收器的窃听者截获信息。这些安全隐患促使了对定向通信技术的探索。

定向信息调制（DIM）作为一种有前景的物理层安全技术，利用多天线的波束成形能力，在期望方向传输正确的星座符号，同时在其他非法方向将其失真为噪声，从而确保了信息的安全。然而，现有的DIM方案存在一些问题，例如体积庞大、能耗高、成本高以及无法支持二维（2D）和高阶调制等。当前的主流DIM实现大多依赖于相控阵和时间调制阵列（TMA），这些方案虽然能够生成任意幅度和相位的响应，但由于硬件昂贵、能耗高，且只能支持一维传输，限制了其应用范围。

为了解决这些问题，近年来可编程超表面（PM）被引入DIM研究。PM具有灵活的电磁波实时调控能力，可以作为一个高度集成的通信系统，具有更简单的架构、更低的成本和更少的能耗。已有研究尝试使用PM实现定向通信，包括近场幅度移位键控（ASK）调制、远场正交相位移键控（QPSK）调制等。然而，这些方案通常只利用电磁波的相位或幅度特征，缺乏高阶调制和正交幅度调制（QAM）方案，并且需要外部射频源，限制了其应用于空间受限的环境。

有鉴于此，东南大学崔铁军院士团队在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Two-dimensional and high-order directional information modulations for secure communications based on programmable metasurface”的最新论文。本研究提出并实验演示了一种基于二维（2D）PM的DIM方案，旨在克服现有DIM方案中的缺陷。该方案集成了可控组件，能够在期望方向生成正确的星座符号，并形成一个可重构的低剖面调制器，提供发射机与多个接收机之间的独立通信链路。

通过使用交替方向乘子法（ADMM）框架中的快速高效算法优化编码序列，该方案实现了在谐波下的定向安全性，并在多通道模式下验证了8PSK、16QAM和64QAM的星座图。

【科学亮点】

（1）本文首次提出了一种基于2位可编程超表面（PM）的二维及高阶DIM方案，并成功实现了这一方案。该方案利用PM的可调控组件和快速高效的离散优化算法，克服了传统DIM方案存在的体积庞大、能耗高、成本高以及无法支持二维（2D）和高阶调制的缺陷。实验中，PM方案能够生成正确的星座符号，并在多方向波束中传输，显示了其在定向信息调制（DIM）方面的潜力。

（2）通过在多通道模式下进行的验证实验，本文展示了该DIM方案的有效性。具体而言，三组星座图（8相位移键控（PSK）、16正交幅度调制（QAM）、64QAM）在多通道模式下得到了验证，测量结果表明，接收到的信号在期望方向上保持了与预设星座图一致的结构，而在其他方向上则出现了失真。这表明该系统不仅能够进行数字信息的直接传输，还能实现信息的定向安全，即只有期望方向的用户能够接收到正确的符号，而其他方向的用户将接收到失真的符号，从而确保了信息的安全性。

【科学图文】

图1：基于PM的DIM方案的示意图。

图2：PM-based DIM方案中使用的元件的详细信息。

图3：单通道模式的选定测量结果。

图4：单通道模式下测得的EVM值。

图5：双通道16QAM方案中的选定测量结果。

图6：评估双通道16QAM中的串扰的结果。

7：双通道16QAM实验中测得的EVM值。

图8：验证所提出DIM方案的安全区域特性和宽带性能的测量信号结构，其中红色圆形标记表示参考星座符号。

【科学启迪】

本文提出的基于二维可编程超表面（PM）的定向信息调制（DIM）方案在物理层安全领域开创了新的方向。传统的无线通信系统面临着信息安全的重大挑战，尤其是当发射信号无差别地传播到所有方向时，窃听者有可能截获到未加密的信息。传统的加密方法虽然能够在网络层提供安全性，但它们往往增加了通信延迟和复杂性，并无法有效解决对高带宽和低延迟通信系统的需求。

本研究首次利用二维PM结合快速高效的离散优化算法，提出了一种在多方向上生成和传输正确星座符号的DIM方案。这种方案不仅克服了现有DIM技术中的体积庞大和高能耗等问题，还支持了二维及高阶调制，为未来的无线通信系统提供了更为灵活的解决方案。特别是通过在期望方向传输清晰的信号，并在其他方向进行信号失真，这种定向传输模式大大提高了信息的安全性，防止了非目标方向用户的潜在窃听。

此外，实验验证了该方案在8PSK、16QAM和64QAM等多种星座图下的有效性，展示了其在多通道模式下的优异性能。这不仅表明该技术在实际应用中具有高度的可靠性，也为未来高吞吐量、低延迟的无线通信系统的发展奠定了坚实的基础。

文献详情：Xu, H., Wu, J.W., Wang, Z.X. et al. Two-dimensional and high-order directional information modulations for secure communications based on programmable metasurface. Nat Commun 15, 6140 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50482-y