通过智能全向表面增强的多用户 MIMO 协作混合 NOMA 提升未来无线网络的可靠性与频谱效率

把更好的无线连接带到每一个角落

随着从智能手机到自动驾驶汽车与远程传感器等互联设备激增，现有无线网络正面临压力。下一代网络（常称为 5G 之后或 6G）必须提供极高的数据速率、超高可靠的链路，并能覆盖难以触及的区域。本文探讨了一种在空中塑造并重用无线电波的新方法，使得更多用户能同时被服务，且在提高效率和降低能耗的同时，不依赖于简单地增加发射功率或部署大量天线。

能弯曲信号的智能“墙”

研究的核心是一种称为智能全向表面（intelligent omni-surface，IOS）的技术：一种由许多微小单元构成的薄型工程面板，既能将信号反射回来，也能将信号折射到另一侧。不同于只能在一侧工作的传统智能表面，IOS 能覆盖其周围所有方向。作者将该智能表面置于多天线基站与众多用户设备之间。通过精确调节表面上的微单元，入射无线电波被重新定向到两侧的用户，从而增强弱链路并将覆盖扩展到原本的盲区。

共享无线资源而不相互干扰

为在有限频谱中容纳更多用户，系统基于一种称为混合非正交多址（hybrid NOMA）的方案。该方案不再为每个用户分配独立的频率或时隙，而是将某些用户配对共享相同资源，主要通过其接收功率和信道质量来区分。链路较好的“强”用户与覆盖边缘的“弱”用户配对。强用户先解码弱用户的数据再解码自己的数据，同时还充当辅助节点：在第二阶段，强用户通过 IOS 中继一份经过“清理”的弱用户数据。该两阶段协作配合基站的多天线波束成形与表面的信号整形，大幅提升弱用户收到可靠信息的概率。

为真实世界设计，而非理想模型

大多数早期研究假定硬件无瑕且干扰消除完美，但在实践中并不现实。本文作者建立了详细的数学模型，显式考虑了干扰消除后残留的干扰以及射频组件的不完美性，如相位噪声与放大器失真。他们导出了闭式表达式来预测用户掉线的概率（中断概率）、可传输的有效数据量（吞吐量）以及整体频谱利用效率（总频谱效率）。仿真结果表明这些公式与现实条件下的表现高度一致，为工程师设计未来网络提供了可靠工具。

更聪明的配对与功率分配，而非仅靠更多硬件

一个关键结论是，用户配对方式和功率分配与硬件规模同样重要。在几种配对策略中，所谓的强-弱 强-弱 模式——即按信道质量排序并分组以平衡强弱用户——给出最佳效果。与其他配对方法相比，该策略为强、弱用户都带来明显的信噪比提升和每赫兹额外吞吐量。作者还提出了第一传输阶段的低复杂度功率选择规则，该规则在满足各用户最低速率的同时，几乎能达到最佳的总频谱效率，而且无需繁重的迭代优化。

被动单元比增加天线更有利

或许最引人注目的结果是关于能效的教训。当作者将增加基站主动天线与通过增加 IOS 被动单元来扩大表面进行比较时，发现被动方案更具优势。将 IOS 元素数量翻倍通常带来约两到三倍的性能提升，相较于将天线数量翻倍更为显著，同时这些被动单元的功耗远低且部署成本更低。即便表面只能使用少量离散相位设置，或在缺乏精确信道信息的“盲”模式下工作，性能仍接近理想水平。总体而言，该研究表明，智能被动表面结合协作式用户行为，可以在不导致主动硬件无限膨胀的前提下，满足未来 6G 网络对可靠性、覆盖和效率的需求。

引用: Kennedy, H.S.J., Kumaravelu, V.B., Selvaprabhu, P. et al. Enhancing reliability and spectral efficiency in future wireless networks via intelligent omni-surface enhanced MU-MIMO cooperative hybrid NOMA. Sci Rep 16, 10407 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39361-2

关键词: 智能全向表面, 混合 NOMA, 6G 无线, 大规模 MIMO, 频谱效率