电磁信息论研究体系介绍

1.2 研究体系

21世纪以来，在无数的信息论、通信、电磁领域专业人士的共同努力之下，MIMO 技术从最初的理论推导、仿真验证逐步走向实际工程应用，最终实现了大规模的商业部署。在此期间，MIMO 技术的天线与通道数量不断提升，通过空域资源的持续挖掘实现了频谱效率的显著提升。目前，配备大规模天线阵列的 Massive MIMO 技术已经成为了 5G 无线通信的标志性技术。

面向未来，为了满足无线通信对更大容量、更广覆盖、更好体验以及垂直行业新应用的需求，Massive MIMO 技术的下一跳演进方向成为了学术界和工业界的研究重点，亟待寻找和识别出能够为未来无线通信系统提供持续性能提升的新技术。在此迫切需求下，学术界与工业界关于新的天线形态、利用新的电磁特性、新的无线通信系统设计方法以及新的系统建模方法的研究不断涌现。在这些新技术的研究过程中，存在两个无法回避的关键问题：一是如何准确刻画和评估新技术的理论性能极限，二是如何进行工程系统设计来达到新技术的最佳性能。如果这两个关键问题不解决，我们将无法判断这些新技术相比于 Massive MIMO 技术的优势，从而无法识别或错过关键的新技术路径。

然而，解决这两个关键问题并不简单。传统的信息论是基于统计学的数学理论，通过信息论的框架，能够给出在某个信道环境下的最大信息传输量。但是，信息论并不能给出实际的传输信道。在传统的 Massive MIMO 系统中，基于平面波、远场、无耦合等理想假设下，学术界和工业界逐渐构建起了逼近实际环境的信道模型，实现了 Massive MIMO 系统的性能评估。可是，这些理想假设在新的天线形态和利用新的电磁特性的新架构中将不复存在或不再准确。此时，为了解决这两个关键问题，需要将信息理论、电磁理论、电路理论等基础理论进行融合，构建符合物理一致性的新一代“电磁信息论”理论体系，评估系统性能，指导系统设计，为未来的无线通信带来全新的理论分析方法和系统设计范式，并且为无线通信系统带来新的增益空间。

目前，学术界和工业界对于电磁信息论的定义和研究范畴尚未形成统一的认识。本白皮书根据华为公司在 2022 年 12 月举行的第二届《电磁信息论及先进MIMO》技术论坛上各领域专家对电磁信息论的认识进行了总结，初步梳理出了“电磁信息论”的研究体系。具体来说，主要包含三个基本问题，五个基本理论，六个基本方法，十九个关键技术，以及五个典型应用场景，其基本关系如图 1 所示：

图 1：电磁信息论研究体系

首先，电磁信息论将服务于未来无线通信的多个应用场景，为各场景的关键技术演进提供基础的理论支撑。具体来说，包括面向下一代无线通信系统演进的先进 MIMO，提升无线通信能效的绿色通信，拓展无线通信能力的感知成像，提升定位准确度的高精度定位，以及产生面向无线通信需求的新型 EDA 工具等。

其次，针对电磁波在这些典型应用场景的作用，抽象出了三个基本问题：一是电磁波对信息的承载能力，即如何充分利用电磁波进行高效的信息传输；二是电磁波对目标的重建能力，即如何充分利用电磁波进行高准确度的定位、感知与成像；三是电磁波与环境的作用机理，即如何建模、表征和分析电磁波与环境的相互作用，例如在新频段、新场景的信道建模中考虑电磁波的传播机理，让电磁波匹配环境进一步提升对电磁波的利用效果。本文第二章将对这些基本问题进行详细阐述。

第三，归纳了电磁信息论所需的五个基本理论。面向新一代的无线通信系统，遇到的问题往往是复杂的，使用传统的单一领域基础理论常常难以解决遇到的问题，因此需要对基础理论进行融合以解决遇到的复杂问题。具体来说，电磁信息论希望融合的基础理论包括：信息理论、电磁理论、电路理论、无线信道建模理论、电磁超材料理论。正是这些基础理论的交叉融合构成了电磁信息论的核心内容。本文第三章将对这些基本理论进行详细阐述。

第四，在相互融合的基本理论之上，也产生了很多系统设计的新的方法。正是基本理论的融合让这些跨领域的联合设计方法成为了可能，为下一代无线通信系统的设计提供了多种新的思路。具体来说，包括：时频空高维联合设计、多尺度电磁结构设计、场域与路域一体化设计、统计与确定融合信道建模、AI 辅助的电磁感知成像、数据与模型双驱动优化等六个方面。这些基本方法将在第四章详细说明。

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最后，在电磁信息论基本方法的指导下解决基本问题，涉及了多种多样的关键技术。这些关键技术类型丰富，涉及无线通信中的各个模块和环节。在本白皮书中，按照新天线形态、新电磁特性、新设计方法、新系统模型四个类别对关键技术进行了分类。具体来说，新的天线形态包括紧密天线阵、超方向天线、多模多端口、立体天线阵、端射天线等形态。新的电磁特性包括结构电磁波、近场矢量波、球面非平稳、信息超材料、频率色散等新的特性。新设计方法包括自去耦设计、替代模型设计、高频快速成像设计、高低频混合计算、AI 辅助电磁设计等新的通信系统设计方法。新的系统模型包括电磁环境建模、非均匀格林函数、电磁耦合建模、动态匹配网络、无线电信道等建模方法。以先进 MIMO 容量提升作为牵引，上述关键技术在电磁信息论中的位置和逻辑关系如图 2 所示。在第五章中，将对这些关键技术进行详细说明。

图 2：电磁信息论逻辑体系

二、Copilot延伸学习：

1、电磁信息论？

电磁信息论是一种研究电磁波和信息之间的关系和规律的交叉学科，它涉及到电磁学、信息论、天线理论、电路理论、信道理论等多个领域。电磁信息论的研究目的是利用电磁波的多个物理属性来实现高效、可靠、安全的信息传输和处理，同时也考虑电磁波在天线、电路和信道之间的联合响应和约束。

电磁信息论的研究挑战是如何将信息和电磁波的数学和物理特性统一起来，考虑不同物理尺度和不同物理属性的影响，建立科学合理的系统建模和信息论分析。电磁信息论的研究课题是如何回答有限口面内通信系统性能极限、最优天线设计等问题。

电磁信息论是一种新兴的理论体系，它是麦克斯韦电磁学与香农信息论跨学科交叉融合的产物，它为未来的无线通信带来全新的理论分析方法和系统设计范式，并且为无线通信系统带来新的增益空间。

2、EDA工具是什么？

EDA工具是指电子设计自动化工具，它是一种用于电子电路和系统的设计、分析、仿真、验证和优化的软件工具。EDA工具可以帮助电子工程师和设计师提高设计的效率和质量，缩短开发周期，降低成本，提高创新能力。EDA工具涵盖了集成电路、印刷电路板、可编程逻辑器件、嵌入式系统等多个领域，包括了从前端到后端，从模拟到数字，从系统到芯片的各个阶段。

根据我的搜索结果，目前市场上常见的EDA工具有以下几种：

Protel：一种综合性的EDA工具，主要用于原理图设计、PCB设计、电路仿真等，具有强大的全局编辑功能和智能覆铜功能，支持多种格式的电气连接网络表和工业化标准电路板模版。

EWB：一种小巧而强大的EDA工具，主要用于模拟电路和数字电路的混合仿真，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形，提供了丰富的电路元件库和多种电路分析方法，还可以与其他流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。

Altium Designer：一种一体化的电子产品开发系统，主要用于原理图设计、PCB设计、FPGA开发、嵌入式开发、3D PCB设计等，具有强大的规则驱动设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查，还可以进行数模混合仿真，兼容SPICE 3f5。

OrCAD：一种专门用于电子电路图及相关图表的设计、印刷电路板的设计、电路的模拟的EDA套装软件，具有强大的原理图捕获功能，支持多层PCB设计，还可以进行模拟与数字电路混合仿真，提供了丰富的元器件库和分析工具。

MATLAB：一种商业数学软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，具有强大的矩阵计算、科学数据可视化、非线性动态系统的建模和仿真等功能，还可以与其他编程语言和硬件接口，提供了丰富的工具箱和应用程序。

（3）紧密天线阵？

紧密天线阵是一种利用天线单元之间的紧密耦合效应来实现超宽带和低剖面的天线阵列技术，它可以提高天线的增益、方向性和扫描能力，适用于通信、雷达和电子战等领域。紧密天线阵的基本原理是通过紧密排布阵元来形成口径面上近乎稳恒的连续电流分布，提供阵元间电容耦合来抵消反射地板的等效电感，加载介质覆盖层来辅助辐射口径与自由空间之间的阻抗变换。紧密天线阵的设计和优化需要考虑阵元的结构、间距、激励、阵列的截断效应、馈电网络等多个因素。

追问1、低剖面的天线阵列技术是什么技术？

低剖面的天线阵列技术是一种利用超表面或者紧密耦合的方法，来实现天线阵列的尺寸缩小和带宽拓宽的技术。超表面是一种人工结构，可以对电磁波进行特殊的调控，如反射、透射、折射等。紧密耦合是一种利用天线单元之间的强耦合效应，来提高天线的阻抗带宽和增益的方法。低剖面的天线阵列技术可以应用于雷达、通信、卫星等领域，具有低成本、轻质、易加工等优点。

来源;本条内容来自微信公众号“比特宇宙”，由“星空yzg”选编。

审核编辑：汤梓红