電磁信息論研究體系介紹

1.2 研究體系

21世紀(jì)以來，在無數(shù)的信息論、通信、電磁領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的共同努力之下，MIMO 技術(shù)從最初的理論推導(dǎo)、仿真驗(yàn)證逐步走向?qū)嶋H工程應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)部署。在此期間，MIMO 技術(shù)的天線與通道數(shù)量不斷提升，通過空域資源的持續(xù)挖掘?qū)崿F(xiàn)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(shù)已經(jīng)成為了 5G 無線通信的標(biāo)志性技術(shù)。

面向未來，為了滿足無線通信對(duì)更大容量、更廣覆蓋、更好體驗(yàn)以及垂直行業(yè)新應(yīng)用的需求，Massive MIMO 技術(shù)的下一跳演進(jìn)方向成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究重點(diǎn)，亟待尋找和識(shí)別出能夠?yàn)槲磥頍o線通信系統(tǒng)提供持續(xù)性能提升的新技術(shù)。在此迫切需求下，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界關(guān)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(shè)計(jì)方法以及新的系統(tǒng)建模方法的研究不斷涌現(xiàn)。在這些新技術(shù)的研究過程中，存在兩個(gè)無法回避的關(guān)鍵問題：一是如何準(zhǔn)確刻畫和評(píng)估新技術(shù)的理論性能極限，二是如何進(jìn)行工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)來達(dá)到新技術(shù)的最佳性能。如果這兩個(gè)關(guān)鍵問題不解決，我們將無法判斷這些新技術(shù)相比于 Massive MIMO 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而無法識(shí)別或錯(cuò)過關(guān)鍵的新技術(shù)路徑。

然而，解決這兩個(gè)關(guān)鍵問題并不簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的信息論是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)學(xué)理論，通過信息論的框架，能夠給出在某個(gè)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(shí)際的傳輸信道。在傳統(tǒng)的 Massive MIMO 系統(tǒng)中，基于平面波、遠(yuǎn)場(chǎng)、無耦合等理想假設(shè)下，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界逐漸構(gòu)建起了逼近實(shí)際環(huán)境的信道模型，實(shí)現(xiàn)了 Massive MIMO 系統(tǒng)的性能評(píng)估?？墒?，這些理想假設(shè)在新的天線形態(tài)和利用新的電磁特性的新架構(gòu)中將不復(fù)存在或不再準(zhǔn)確。此時(shí)，為了解決這兩個(gè)關(guān)鍵問題，需要將信息理論、電磁理論、電路理論等基礎(chǔ)理論進(jìn)行融合，構(gòu)建符合物理一致性的新一代“電磁信息論”理論體系，評(píng)估系統(tǒng)性能，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為未來的無線通信帶來全新的理論分析方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)范式，并且為無線通信系統(tǒng)帶來新的增益空間。

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)于電磁信息論的定義和研究范疇尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本白皮書根據(jù)華為公司在 2022 年 12 月舉行的第二屆《電磁信息論及先進(jìn)MIMO》技術(shù)論壇上各領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)電磁信息論的認(rèn)識(shí)進(jìn)行了總結(jié)，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(gè)基本問題，五個(gè)基本理論，六個(gè)基本方法，十九個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，以及五個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，其基本關(guān)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(wù)于未來無線通信的多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，為各場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)提供基礎(chǔ)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(jìn)的先進(jìn) 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(zhǔn)確度的高精度定位，以及產(chǎn)生面向無線通信需求的新型 EDA 工具等。

其次，針對(duì)電磁波在這些典型應(yīng)用場(chǎng)景的作用，抽象出了三個(gè)基本問題：一是電磁波對(duì)信息的承載能力，即如何充分利用電磁波進(jìn)行高效的信息傳輸；二是電磁波對(duì)目標(biāo)的重建能力，即如何充分利用電磁波進(jìn)行高準(zhǔn)確度的定位、感知與成像；三是電磁波與環(huán)境的作用機(jī)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(chǎng)景的信道建模中考慮電磁波的傳播機(jī)理，讓電磁波匹配環(huán)境進(jìn)一步提升對(duì)電磁波的利用效果。本文第二章將對(duì)這些基本問題進(jìn)行詳細(xì)闡述。

第三，歸納了電磁信息論所需的五個(gè)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(fù)雜的，使用傳統(tǒng)的單一領(lǐng)域基礎(chǔ)理論常常難以解決遇到的問題，因此需要對(duì)基礎(chǔ)理論進(jìn)行融合以解決遇到的復(fù)雜問題。具體來說，電磁信息論希望融合的基礎(chǔ)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(chǔ)理論的交叉融合構(gòu)成了電磁信息論的核心內(nèi)容。本文第三章將對(duì)這些基本理論進(jìn)行詳細(xì)闡述。

第四，在相互融合的基本理論之上，也產(chǎn)生了很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新的方法。正是基本理論的融合讓這些跨領(lǐng)域的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法成為了可能，為下一代無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了多種新的思路。具體來說，包括：時(shí)頻空高維聯(lián)合設(shè)計(jì)、多尺度電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、場(chǎng)域與路域一體化設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)與確定融合信道建模、AI 輔助的電磁感知成像、數(shù)據(jù)與模型雙驅(qū)動(dòng)優(yōu)化等六個(gè)方面。這些基本方法將在第四章詳細(xì)說明。

AI生成

最后，在電磁信息論基本方法的指導(dǎo)下解決基本問題，涉及了多種多樣的關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)類型豐富，涉及無線通信中的各個(gè)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(shè)計(jì)方法、新系統(tǒng)模型四個(gè)類別對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(jié)構(gòu)電磁波、近場(chǎng)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(shè)計(jì)方法包括自去耦設(shè)計(jì)、替代模型設(shè)計(jì)、高頻快速成像設(shè)計(jì)、高低頻混合計(jì)算、AI 輔助電磁設(shè)計(jì)等新的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)、電磁耦合建模、動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)、無線電信道等建模方法。以先進(jìn) MIMO 容量提升作為牽引，上述關(guān)鍵技術(shù)在電磁信息論中的位置和邏輯關(guān)系如圖 2 所示。在第五章中，將對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖 2：電磁信息論邏輯體系

二、Copilot延伸學(xué)習(xí)：

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(guān)系和規(guī)律的交叉學(xué)科，它涉及到電磁學(xué)、信息論、天線理論、電路理論、信道理論等多個(gè)領(lǐng)域。電磁信息論的研究目的是利用電磁波的多個(gè)物理屬性來實(shí)現(xiàn)高效、可靠、安全的信息傳輸和處理，同時(shí)也考慮電磁波在天線、電路和信道之間的聯(lián)合響應(yīng)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(shù)學(xué)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(xué)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(nèi)通信系統(tǒng)性能極限、最優(yōu)天線設(shè)計(jì)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(xué)與香農(nóng)信息論跨學(xué)科交叉融合的產(chǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，它是一種用于電子電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析、仿真、驗(yàn)證和優(yōu)化的軟件工具。EDA工具可以幫助電子工程師和設(shè)計(jì)師提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)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(gè)領(lǐng)域，包括了從前端到后端，從模擬到數(shù)字，從系統(tǒng)到芯片的各個(gè)階段。

根據(jù)我的搜索結(jié)果，目前市場(chǎng)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(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、電路仿真等，具有強(qiáng)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(wǎng)絡(luò)表和工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)電路板模版。

EWB：一種小巧而強(qiáng)大的EDA工具，主要用于模擬電路和數(shù)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(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。

Altium Designer：一種一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要用于原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、FPGA開發(fā)、嵌入式開發(fā)、3D PCB設(shè)計(jì)等，具有強(qiáng)大的規(guī)則驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，還可以進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡?，兼容SPICE 3f5。

OrCAD：一種專門用于電子電路圖及相關(guān)圖表的設(shè)計(jì)、印刷電路板的設(shè)計(jì)、電路的模擬的EDA套裝軟件，具有強(qiáng)大的原理圖捕獲功能，支持多層PCB設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)行模擬與數(shù)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(shù)學(xué)軟件，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，具有強(qiáng)大的矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、非線性動(dòng)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(yīng)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(yīng)來實(shí)現(xiàn)超寬帶和低剖面的天線陣列技術(shù)，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(dá)和電子戰(zhàn)等領(lǐng)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(zhì)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(shè)計(jì)和優(yōu)化需要考慮陣元的結(jié)構(gòu)、間距、激勵(lì)、陣列的截?cái)嘈?yīng)、饋電網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)因素。

追問1、低剖面的天線陣列技術(shù)是什么技術(shù)？

低剖面的天線陣列技術(shù)是一種利用超表面或者緊密耦合的方法，來實(shí)現(xiàn)天線陣列的尺寸縮小和帶寬拓寬的技術(shù)。超表面是一種人工結(jié)構(gòu)，可以對(duì)電磁波進(jìn)行特殊的調(diào)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(qiáng)耦合效應(yīng)，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(shù)可以應(yīng)用于雷達(dá)、通信、衛(wèi)星等領(lǐng)域，具有低成本、輕質(zhì)、易加工等優(yōu)點(diǎn)。

來源;本條內(nèi)容來自微信公眾號(hào)“比特宇宙”，由“星空yzg”選編。

審核編輯：湯梓紅