仪器情报，基于可编程超表面的二维高阶和方向性调制安全通信！

【科学背景】

定向信息调制（DIM）作为一种提高通信安全性的技术，由于其在确保信息安全方面的潜力，已成为研究热点。然而，现有的DIM方案面临着体积庞大、能耗高、成本高以及无法支持二维（2D）和高阶调制等问题。这些缺陷限制了DIM在实际应用中的广泛推广和应用。

因此，针对这些挑战，东南大学毫米波全国重点实验室、东南大学电磁空间研究院崔铁军院士、武军伟副研究员及合作者携手提出了一种基于2位可编程超表面（PM）的新型DIM方案。该方案采用了快速高效的离散优化算法，用于优化数字编码序列，能够在多方向波束中生成并传输正确的星座符号。

作为概念验证，研究团队在多通道模式下实现了三种星座图，包括8相位移键控（PSK）、16正交幅度调制（QAM）和64QAM。实验结果表明，该方案能够在期望方向生成正确的符号，同时在其他方向进行失真，从而有效地确保了信息的安全性。此外，该方案具有低剖面和低功耗的优势，能够支持二维和高阶调制，显示出在下一代高吞吐量无线通信系统中的应用前景。

【科学亮点】

（1）实验首次提出了一种基于2位可编程超表面（PM）的二维（2D）及高阶定向信息调制（DIM）方案。这种方案克服了传统DIM的体积庞大、能耗高、成本高以及无法支持二维和高阶调制的缺陷。通过采用快速高效的离散优化算法，该方案能够在多方向波束中生成并传输正确的星座符号，为实现物理层安全提供了一条重要途径。

（2）实验通过在多通道模式下验证8相位移键控（PSK）、16正交幅度调制（QAM）和64QAM信号，得到了以下结果：

• 测量结果表明，期望方向的接收信号与预设的星座图结构一致，表明系统支持数字信息的直接传输。

• 传输过程具有定向性，即仅在期望方向的用户能够接收到正确的符号，而在其他方向的用户将接收到失真的符号，从而有效确保了信息的安全。

• 该方案实现了在宽频带范围内的定向安全，且能同时支持多个接收器与发射器之间的独立通信链路，展现了较低的能耗和成本。

【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。

【科学结论】

本文通过引入基于二维（2D）可编程超表面（PM）的定向信息调制（DIM）方案，实验突破了传统DIM在体积、能耗和成本等方面的限制，为解决当前通信系统在高数据速率和低延迟要求下的挑战提供了新的思路。该方案利用快速高效的离散优化算法优化数字编码序列，从而实现了在多通道模式下的高阶调制，如8PSK、16QAM和64QAM，这标志着DIM技术在高容量通信中的应用进入了一个新阶段。

其次，实验结果表明，通过在期望方向生成准确的星座符号，并在其他方向进行信号失真，该方案有效确保了信息的安全性。这种定向传输不仅提升了通信的保密性，还减小了对传统加密方法的依赖，避免了加密带来的额外开销和复杂性。这种方法对防止恶意窃听和保障信息安全具有重要意义。最后，本文的研究为未来无线通信系统的发展提供了新的方向。通过集成可编程超表面技术和先进的优化算法，可以实现更高效、更安全的通信系统，这对于应对下一代高吞吐量、低延迟无线通信的需求具有重要的推动作用。

原文详情：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