電磁信息論研究體系介紹

1.2 研究體系

21世紀以來，在無數的信息論、通信、電磁領域專業(yè)人士的共同努力之下，MIMO 技術從最初的理論推導、仿真驗證逐步走向實際工程應用，最終實現了大規(guī)模的商業(yè)部署。在此期間，MIMO 技術的天線與通道數量不斷提升，通過空域資源的持續(xù)挖掘實現了頻譜效率的顯著提升。目前，配備大規(guī)模天線陣列的 Massive MIMO 技術已經成為了 5G 無線通信的標志性技術。

面向未來，為了滿足無線通信對更大容量、更廣覆蓋、更好體驗以及垂直行業(yè)新應用的需求，Massive MIMO 技術的下一跳演進方向成為了學術界和工業(yè)界的研究重點，亟待尋找和識別出能夠為未來無線通信系統(tǒng)提供持續(xù)性能提升的新技術。在此迫切需求下，學術界與工業(yè)界關于新的天線形態(tài)、利用新的電磁特性、新的無線通信系統(tǒng)設計方法以及新的系統(tǒng)建模方法的研究不斷涌現。在這些新技術的研究過程中，存在兩個無法回避的關鍵問題：一是如何準確刻畫和評估新技術的理論性能極限，二是如何進行工程系統(tǒng)設計來達到新技術的最佳性能。如果這兩個關鍵問題不解決，我們將無法判斷這些新技術相比于 Massive MIMO 技術的優(yōu)勢，從而無法識別或錯過關鍵的新技術路徑。

然而，解決這兩個關鍵問題并不簡單。傳統(tǒng)的信息論是基于統(tǒng)計學的數學理論，通過信息論的框架，能夠給出在某個信道環(huán)境下的最大信息傳輸量。但是，信息論并不能給出實際的傳輸信道。在傳統(tǒng)的 Massive MIMO 系統(tǒng)中，基于平面波、遠場、無耦合等理想假設下，學術界和工業(yè)界逐漸構建起了逼近實際環(huán)境的信道模型，實現了 Massive MIMO 系統(tǒng)的性能評估?？墒?，這些理想假設在新的天線形態(tài)和利用新的電磁特性的新架構中將不復存在或不再準確。此時，為了解決這兩個關鍵問題，需要將信息理論、電磁理論、電路理論等基礎理論進行融合，構建符合物理一致性的新一代“電磁信息論”理論體系，評估系統(tǒng)性能，指導系統(tǒng)設計，為未來的無線通信帶來全新的理論分析方法和系統(tǒng)設計范式，并且為無線通信系統(tǒng)帶來新的增益空間。

目前，學術界和工業(yè)界對于電磁信息論的定義和研究范疇尚未形成統(tǒng)一的認識。本白皮書根據華為公司在 2022 年 12 月舉行的第二屆《電磁信息論及先進MIMO》技術論壇上各領域專家對電磁信息論的認識進行了總結，初步梳理出了“電磁信息論”的研究體系。具體來說，主要包含三個基本問題，五個基本理論，六個基本方法，十九個關鍵技術，以及五個典型應用場景，其基本關系如圖 1 所示：

圖 1：電磁信息論研究體系

首先，電磁信息論將服務于未來無線通信的多個應用場景，為各場景的關鍵技術演進提供基礎的理論支撐。具體來說，包括面向下一代無線通信系統(tǒng)演進的先進 MIMO，提升無線通信能效的綠色通信，拓展無線通信能力的感知成像，提升定位準確度的高精度定位，以及產生面向無線通信需求的新型 EDA 工具等。

其次，針對電磁波在這些典型應用場景的作用，抽象出了三個基本問題：一是電磁波對信息的承載能力，即如何充分利用電磁波進行高效的信息傳輸；二是電磁波對目標的重建能力，即如何充分利用電磁波進行高準確度的定位、感知與成像；三是電磁波與環(huán)境的作用機理，即如何建模、表征和分析電磁波與環(huán)境的相互作用，例如在新頻段、新場景的信道建模中考慮電磁波的傳播機理，讓電磁波匹配環(huán)境進一步提升對電磁波的利用效果。本文第二章將對這些基本問題進行詳細闡述。

第三，歸納了電磁信息論所需的五個基本理論。面向新一代的無線通信系統(tǒng)，遇到的問題往往是復雜的，使用傳統(tǒng)的單一領域基礎理論常常難以解決遇到的問題，因此需要對基礎理論進行融合以解決遇到的復雜問題。具體來說，電磁信息論希望融合的基礎理論包括：信息理論、電磁理論、電路理論、無線信道建模理論、電磁超材料理論。正是這些基礎理論的交叉融合構成了電磁信息論的核心內容。本文第三章將對這些基本理論進行詳細闡述。

第四，在相互融合的基本理論之上，也產生了很多系統(tǒng)設計的新的方法。正是基本理論的融合讓這些跨領域的聯合設計方法成為了可能，為下一代無線通信系統(tǒng)的設計提供了多種新的思路。具體來說，包括：時頻空高維聯合設計、多尺度電磁結構設計、場域與路域一體化設計、統(tǒng)計與確定融合信道建模、AI 輔助的電磁感知成像、數據與模型雙驅動優(yōu)化等六個方面。這些基本方法將在第四章詳細說明。

AI生成

最后，在電磁信息論基本方法的指導下解決基本問題，涉及了多種多樣的關鍵技術。這些關鍵技術類型豐富，涉及無線通信中的各個模塊和環(huán)節(jié)。在本白皮書中，按照新天線形態(tài)、新電磁特性、新設計方法、新系統(tǒng)模型四個類別對關鍵技術進行了分類。具體來說，新的天線形態(tài)包括緊密天線陣、超方向天線、多模多端口、立體天線陣、端射天線等形態(tài)。新的電磁特性包括結構電磁波、近場矢量波、球面非平穩(wěn)、信息超材料、頻率色散等新的特性。新設計方法包括自去耦設計、替代模型設計、高頻快速成像設計、高低頻混合計算、AI 輔助電磁設計等新的通信系統(tǒng)設計方法。新的系統(tǒng)模型包括電磁環(huán)境建模、非均勻格林函數、電磁耦合建模、動態(tài)匹配網絡、無線電信道等建模方法。以先進 MIMO 容量提升作為牽引，上述關鍵技術在電磁信息論中的位置和邏輯關系如圖 2 所示。在第五章中，將對這些關鍵技術進行詳細說明。

圖 2：電磁信息論邏輯體系

二、Copilot延伸學習：

1、電磁信息論？

電磁信息論是一種研究電磁波和信息之間的關系和規(guī)律的交叉學科，它涉及到電磁學、信息論、天線理論、電路理論、信道理論等多個領域。電磁信息論的研究目的是利用電磁波的多個物理屬性來實現高效、可靠、安全的信息傳輸和處理，同時也考慮電磁波在天線、電路和信道之間的聯合響應和約束。

電磁信息論的研究挑戰(zhàn)是如何將信息和電磁波的數學和物理特性統(tǒng)一起來，考慮不同物理尺度和不同物理屬性的影響，建立科學合理的系統(tǒng)建模和信息論分析。電磁信息論的研究課題是如何回答有限口面內通信系統(tǒng)性能極限、最優(yōu)天線設計等問題。

電磁信息論是一種新興的理論體系，它是麥克斯韋電磁學與香農信息論跨學科交叉融合的產物，它為未來的無線通信帶來全新的理論分析方法和系統(tǒng)設計范式，并且為無線通信系統(tǒng)帶來新的增益空間。

2、EDA工具是什么？

EDA工具是指電子設計自動化工具，它是一種用于電子電路和系統(tǒng)的設計、分析、仿真、驗證和優(yōu)化的軟件工具。EDA工具可以幫助電子工程師和設計師提高設計的效率和質量，縮短開發(fā)周期，降低成本，提高創(chuàng)新能力。EDA工具涵蓋了集成電路、印刷電路板、可編程邏輯器件、嵌入式系統(tǒng)等多個領域，包括了從前端到后端，從模擬到數字，從系統(tǒng)到芯片的各個階段。

根據我的搜索結果，目前市場上常見的EDA工具有以下幾種：

Protel：一種綜合性的EDA工具，主要用于原理圖設計、PCB設計、電路仿真等，具有強大的全局編輯功能和智能覆銅功能，支持多種格式的電氣連接網絡表和工業(yè)化標準電路板模版。

EWB：一種小巧而強大的EDA工具，主要用于模擬電路和數字電路的混合仿真，利用它可以直接從屏幕上看到各種電路的輸出波形，提供了豐富的電路元件庫和多種電路分析方法，還可以與其他流行的電路分析、設計和制板軟件交換數據。

Altium Designer：一種一體化的電子產品開發(fā)系統(tǒng)，主要用于原理圖設計、PCB設計、FPGA開發(fā)、嵌入式開發(fā)、3D PCB設計等，具有強大的規(guī)則驅動設計環(huán)境，符合在線的和批處理的設計規(guī)則檢查，還可以進行數?；旌戏抡妫嫒軸PICE 3f5。

OrCAD：一種專門用于電子電路圖及相關圖表的設計、印刷電路板的設計、電路的模擬的EDA套裝軟件，具有強大的原理圖捕獲功能，支持多層PCB設計，還可以進行模擬與數字電路混合仿真，提供了豐富的元器件庫和分析工具。

MATLAB：一種商業(yè)數學軟件，主要用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，具有強大的矩陣計算、科學數據可視化、非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等功能，還可以與其他編程語言和硬件接口，提供了豐富的工具箱和應用程序。

（3）緊密天線陣？

緊密天線陣是一種利用天線單元之間的緊密耦合效應來實現超寬帶和低剖面的天線陣列技術，它可以提高天線的增益、方向性和掃描能力，適用于通信、雷達和電子戰(zhàn)等領域。緊密天線陣的基本原理是通過緊密排布陣元來形成口徑面上近乎穩(wěn)恒的連續(xù)電流分布，提供陣元間電容耦合來抵消反射地板的等效電感，加載介質覆蓋層來輔助輻射口徑與自由空間之間的阻抗變換。緊密天線陣的設計和優(yōu)化需要考慮陣元的結構、間距、激勵、陣列的截斷效應、饋電網絡等多個因素。

追問1、低剖面的天線陣列技術是什么技術？

低剖面的天線陣列技術是一種利用超表面或者緊密耦合的方法，來實現天線陣列的尺寸縮小和帶寬拓寬的技術。超表面是一種人工結構，可以對電磁波進行特殊的調控，如反射、透射、折射等。緊密耦合是一種利用天線單元之間的強耦合效應，來提高天線的阻抗帶寬和增益的方法。低剖面的天線陣列技術可以應用于雷達、通信、衛(wèi)星等領域，具有低成本、輕質、易加工等優(yōu)點。

來源;本條內容來自微信公眾號“比特宇宙”，由“星空yzg”選編。

審核編輯：湯梓紅