大家好！在无线通信飞速发展的当下，6G技术成为研究热点，而一体化感知和通信（ISAC）更是备受关注。它就像给无线通信系统装上了“智慧大脑”，能同时实现感知和通信功能，还能降低硬件成本与功耗。而可编程超表面（PMs）作为一项关键技术，能动态调控电磁波，为ISAC的发展提供了理想平台。今天，咱们就来了解一种基于特殊PMs——时空编码超表面（STCMs）的ISAC方案——《Integrated sensing and communication based on space-time-coding metasurfaces》发表于《nature communications》！
*本文只做阅读笔记分享*
一、引言：通信与感知的新融合
在无线通信飞速发展的当下，第六代（6G）通信技术成为研究热点。其中，一体化感知和通信（ISAC）技术备受关注，它就像给无线通信系统装上了“智慧大脑”，能同时实现感知和通信功能，还能降低硬件成本与功耗。而可编程超表面（PMs），也叫可重构智能表面（RISs），作为一项关键技术，能动态调控电磁波，为ISAC的发展提供了理想平台。
今天，咱们就来深入了解一种基于特殊PMs/RISs——时空编码超表面（STCMs）的ISAC方案。
二、STCM的神奇原理
基本概念与工作方式：STCM就像是一个能精准操控电磁波的“魔法师”。它能同时控制基频（载波）波的传播，用于可靠的无线通信，还能产生空间分布的谐波，来实现感知功能。打个比方，在一个复杂的无线环境里，STCM可以巧妙地引导通信信号准确到达接收端，同时利用谐波“感知”周围环境的信息，就像给通信系统配上了敏锐的“感知触角”。
数学原理与编码策略：从数学原理来讲，以2位反射型STCM为例，它由N列单元组成，每个单元有四个离散的工作状态，对应不同的反射相位和数字编码。通过特定的时空调制，我们可以调整STCM的编码模式，实现对基频波和谐波的精确控制。
这里有两种重要的编码策略，“可调分区”和“全孔径”方案。“可调分区”是把STCM分成两个区域，一个区域进行时空调制产生谐波用于感知，另一个区域配置空间编码模式用于通信，还能通过调整区域大小优化功率分配。“全孔径”方案则是对整个超表面进行时空调制，同时实现通信和感知功能。
三、STCM-ISAC系统架构揭秘
系统组成：STCM-ISAC系统主要由软件定义无线电收发器（如NIUSRP-2943R）、混频器、天线和STCM等部分组成。收发器负责信号的调制和解调，混频器用于调整信号频率，天线负责发射和接收信号，而STCM则是整个系统的核心，承担着感知和通信的关键任务。
工作流程：工作时，收发器产生的信号经过混频器上变频后，通过天线ANT1发射到STCM。STCM对入射波进行调制，将其转换为多个谐波，这些谐波被天线ANT2接收，再经过混频器下变频后由收发器分析。同时，根据谐波的幅度信息可以估计入射波的到达方向（DOA），然后FPGA模块根据DOA信息调整STCM的编码模式，让基频波准确地反射到天线ANT3，实现可靠的通信。
四、实验验证：实力见证
实验设置：为了验证这个方案的可行性，研究团队制作了一个2位反射型STCM原型，在微波暗室里进行测试。这个原型工作在10.3GHz频率，由16×16个单元组成，每个单元集成了两个PIN二极管，通过控制二极管的状态来实现不同的反射相位。
实验结果：实验中，分别测试了“全孔径”和“可调分区”两种方案下STCM对基频波和谐波的操控能力。结果显示，STCM能够精准地控制基频波的传播方向，同时有效地产生空间分布的谐波。通过分析谐波的空间频谱特征，利用人工神经网络（ANN）模型估计DOA，误差能控制在3°以内。
在室内环境的实际测试中，基于STCM的ISAC系统表现出色。当STCM工作时，无论天线ANT1在哪个位置，都能通过实时感知DOA建立可靠的通信链路，成功恢复原始调制信号；而当STCM不工作时，就无法准确解调数据。这充分证明了该方案在实际应用中的有效性。
五、优势与展望：开启通信新时代
技术优势：基于STCM的ISAC方案有很多突出的优势。它的硬件架构简单，不需要额外的传感器就能实现感知和通信功能，大大降低了成本。同时，通过共享感知信息进行波束成形，提高了通信质量。而且，该方案还能灵活调整通信和感知的功率分配，适应不同的应用场景。
应用前景：这项技术的应用前景非常广阔，在未来的通信、成像、雷达和传感等系统中都能大显身手。比如在智能交通系统里，帮助车辆更精准地感知周围环境，实现自动驾驶；在智能家居中，让设备之间的通信更稳定、高效，为人们打造更便捷的生活环境。随着研究的不断深入，相信基于STCM的ISAC技术会为我们的生活带来更多惊喜。
六、一起来做做题吧
1、关于可编程超表面（PMs），以下说法正确的是？
A. 只能用于通信，不能用于感知
B. 是三维结构的材料
C. 由子波长散射单元组成
D. 无法动态控制电磁波
2、时空编码超表面（STCM）的主要作用是？
A. 仅控制基频波传播
B. 仅产生谐波用于感知
C. 同时控制基频波传播和产生谐波
D. 只对空间波束进行成形
3、在 STCM - based ISAC 系统的可调分区方案中，以下描述正确的是？
A. STCM 不进行分区
B. 两个区域都进行时空调制
C. 需尽量减少时空调制区域反射波的基频分量
D. 无法优化通信和感知的功率分配
4、制作的 2 位反射型 STCM 原型工作频率是？
A. 1.5GHz
B. 10.3GHz
C. 2GHz
D. 64MHz
5、关于基于 STCM 的 ISAC 方案优势，说法错误的是？
A. 硬件架构复杂
B. 无需额外传感器
C. 成本效益高
D. 可增强通信质量
参考文献：
Chen, X.Q., et al. Integrated sensing and communication based on space-time-coding metasurfaces. Nat Commun 16, 1836 (2025).
