华为无线技术实验室：2023年电磁信息论白皮书（99页）.pdf

1、 1 电磁信息论白皮书 2023 年 3 月 1 1 序言 通信已经成为人类社会的基础设施。无线通信由于满足无时无刻、无处不在的述求，因此在无线电报发明并投入使用后的近 200 年得到蓬勃发展。我们期望无线通信具有更大的容量（系统能支持更多的通信对象同时通信）、更大的用户通信速率（下载一个文件能更快）、更低的通信时延、通信过程能耗更低。无线通信的设计及部署既是工程问题，也是理论问题。从工程角度看，传统的通信系统设计是基于模块化划分：1）信源和信道处理分离，信道处理针对信道特性做专门设计，如针对无线系统时变衰落特性设计了分集接收和信道编码。2）基带和射频分离，信息是要通过调制过的能量信号传递的。

2、我们假设能量载波信号从发射天线辐射出去，接收天线将电磁波信号恢复成载波电信号 我们无线通信工程师在大学接受的教育也是这样的，先学习概率论、电磁场等基础课程，再学习信息论、信道编码、天线设计、电波传播、信号处理等专业课程。在通信系统设计中，我们先对其他模块做出假设，再设计某个模块。这些知识之间的融会贯通由从业者在工作中自发完成。为提升容量和链路速率，我们增加频谱带宽、功率、收发两端更多的天线 我们系统边界究竟在哪里？无线通信的科技工作者试图从无线通信的基础理论（麦克斯韦电磁场理论、信息论、控制论等）出发，根据他们在物理世界的联系，产生了电磁信息论这个研究方向。我的同事倪锐博士在这个方向已经探索了

3、数年，他组织国内相关专家经多次研讨，将研讨的主要内容以白皮书形式呈现。在不喊创新突破就不好意思的当下，相关专家做了冷静的思考，希望给读者对无线 MIMO 通信的研究方向更多的思考和启示。杨刚华 2023 年 3 月，上海 2 目 录 序言.1 1.背景.4 1.1 定义与历史发展.4 1.2 研究体系.9 2.基本问题.12 2.1 基本问题一：电磁波对信息的承载能力.12 2.2 基本问题二：电磁波对目标的解析重建.12 2.3 基本问题三：电磁波与环境的作用机理.13 3.基本理论.15 3.1 基本理论一：信息理论.15 3.2 基本理论二：电磁理论.16 3.3 基本理论三：电路理论.

4、17 3.4 基本理论四：无线信道建模理论.18 3.5 基本理论五：电磁超材料理论.19 4.基本方法.21 4.1 基本方法一：时频空高维联合设计.21 4.2 基本方法二：多尺度电磁结构设计.22 4.3 基本方法三：场域与路域一体化设计.23 4.4 基本方法四：统计与确定性融合建模.25 4.5 基本方法五：AI 辅助的电磁感知成像.28 4.6 基本方法六：数据与模型双驱动优化.30 5.关键技术.32 3 5.1 紧密天线阵.32 5.2 超方向天线.33 5.3 多模多端口.36 5.4 立体天线阵.41 5.5 端射天线.42 5.6 结构电磁波.47 5.7 近场矢量波.4

5、9 5.8 球面非平稳.53 5.9 信息超材料.55 5.10 频率色散.61 5.11 自去耦设计.64 5.12 替代模型设计.66 5.13 高频快速成像设计.70 5.14 高低频混合计算.73 5.15 AI 辅助电磁设计.75 5.16 电磁环境建模.76 5.17 非均匀格林函数.80 5.18 电磁耦合建模.82 5.19 动态匹配网络.84 6.电磁信息论学术词典.89 7.总结与展望.95 白皮书主要贡献者.96 4 1.背景 1 1.1.1 定义与历史发展 开宗明义：本文是针对麦克斯韦电磁学与香农信息论跨学科交叉融合研究思潮的阶段性总结，是针对电磁信息论学术概念的剖析和

6、思辨。目前，虽然学术界和工业界暂时没有公认的关于电磁信息论的准确定义，但已有相关机构和学者给出了对他们电磁信息论的理解和定义。电磁信息论关注无线通信基础问题和天线工程问题的理论刻画，这涉及麦克斯韦电磁理论和香农信息论这两个成熟领域的交叉，由此形成的这类波动论与信息论问题及其解决方案构成一个跨学科领域，即电磁信息论。结合本文作者和其他相关学者的思考，本文暂时地将电磁信息论定义为：针对“物理信道中电磁波传播”这一科学问题，电磁波携带信息在不同物理属性和不同物理尺度上变化规律的统一理论框架。电磁信息论这个技术名词，Electromagnetic Information Theory(EIT)的英文表