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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。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 1 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 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 2 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49 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