[论文解读] Electromagnetic Information Theory for Holographic MIMO Communications

Li Wei, Tierui Gong+7 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2024

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出电磁信息理论（EIT）作为统一框架，通过整合电磁波物理与信息论，分析全息MIMO（HMIMO）系统。该理论利用电磁波方程建立物理极限，评估耦合与孔径效应，并提出近场与远场场景下的精确及近似信道模型，证明更大的孔径与优化激励可使空间自由度与容量超越传统香农极限。

ABSTRACT

Holographic multiple-input multiple-output (HMIMO) utilizes a compact antenna array to form a nearly continuous aperture, thereby enhancing higher capacity and more flexible configurations compared with conventional MIMO systems, making it attractive in current scientific research. Key questions naturally arise regarding the potential of HMIMO to surpass Shannon's theoretical limits and how far its capabilities can be extended. However, the traditional Shannon information theory falls short in addressing these inquiries because it only focuses on the information itself while neglecting the underlying carrier, electromagnetic (EM) waves, and environmental interactions. To fill up the gap between the theoretical analysis and the practical application for HMIMO systems, we introduce electromagnetic information theory (EIT) in this paper. This paper begins by laying the foundation for HMIMO-oriented EIT, encompassing EM wave equations and communication regions. In the context of HMIMO systems, the resultant physical limitations are presented, involving Chu's limit, Harrington's limit, Hannan's limit, and the evaluation of coupling effects. Field sampling and HMIMO-assisted oversampling are also discussed to guide the optimal HMIMO design within the EIT framework. To comprehensively depict the EM-compliant propagation process, we present the approximate and exact channel modeling approaches in near-/far-field zones. Furthermore, we discuss both traditional Shannon's information theory, employing the probabilistic method, and Kolmogorov information theory, utilizing the functional analysis, for HMIMO-oriented EIT systems.

研究动机与目标

• 解决全息MIMO（HMIMO）系统中理论信息极限与实际电磁约束之间的差距。
• 构建一个统一的理论框架，将电磁波行为与信息论原理整合于HMIMO系统。
• 分析紧凑HMIMO阵列中的物理限制，如耦合、方向性、品质因数与辐射效率。
• 通过符合电磁学的模型，实现对近场与远场信道行为的精确建模。
• 通过引入柯尔莫哥洛夫函数分析，将信息论扩展至香农的概率方法之外，以纳入空间自由度。

提出的方法

• 提出电磁信息理论（EIT）作为HMIMO的基础，将电磁波方程与信息论约束相结合。
• 利用楚氏极限、哈林顿极限与汉南极限推导物理极限，以界定基本性能边界。
• 引入场采样与过采样技术，在EIT约束下指导HMIMO阵列的最优设计。
• 开发三种符合电磁学的信道模型：傅里叶平面波展开、双矢量格林函数与随机格林函数，用于近场与远场传播。
• 同时应用概率香农信息论（SIT）与确定性柯尔莫哥洛夫信息论（KIT）分析时间与空间自由度。
• 利用反射系数与散射矩阵，数学建模紧密耦合HMIMO阵列中的互耦效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 HMIMO系统能否超越香农信息论所预测的理论容量极限？
• RQ2 电磁波物理与物理约束（如耦合、孔径尺寸与辐射效率）如何影响HMIMO系统性能？
• RQ3 近场与远场HMIMO通信中，空间自由度的根本极限是什么？
• RQ4 信息论如何扩展以纳入电磁场行为与空间域动态？
• RQ5 在HMIMO的符合电磁学的信道建模中，计算复杂度与精度之间的权衡是什么？

主要发现

• 更大的发射/接收孔径、更大的间距与更短的距离在所有符合电磁学的信道模型中均持续提升空间自由度与信道容量。
• 傅里叶平面波展开模型可低复杂度地高效实现远场非视 Line-of-Sight（NLoS）建模。
• 双矢量格林函数模型能精确模拟近场与远场视 Line-of-Sight（LoS）传播，但计算复杂度较高。
• 随机格林函数模型能有效捕捉近场与远场区域的NLoS环境，尽管计算需求更高。
• 紧密排列的HMIMO元件间强耦合可实现超直率辐射，但以降低辐射效率为代价，表明存在设计权衡。
• 概率SIT与函数KIT均适用于时空域分析，KIT因空间与时间固有的非对称性，成为SIT的必要补充。