[论文解读] Electromagnetic Signal and Information Theory -- Electromagnetically Consistent Communication Models for the Transmission and Processing of Information

Marco Di Renzo, Marco Donald Migliore|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了电磁信号与信息论（ESIT），一种将电磁理论、信号处理和信息论统一的跨学科框架，用于设计物理上一致的通信系统。ESIT展示了其在近场、视 Line-of-Sight 信道中实现精确建模的能力，揭示了全息表面中的有效自由度数量（eDoF），并利用紧算子理论和钟面球形波函数推导出最优波形，为6G网络中的能效型波域信号处理提供了基础。

ABSTRACT

In this paper, we present electromagnetic signal and information theory (ESIT). ESIT is an interdisciplinary scientific discipline, which amalgamates electromagnetic theory, signal processing theory, and information theory. ESIT is aimed at studying and designing physically consistent communication schemes for the transmission and processing of information in communication networks. In simple terms, ESIT can be defined as physics-aware information theory and signal processing for communications. We consider three relevant problems in contemporary communication theory, and we show how they can be tackled under the lenses of ESIT. Specifically, we focus on (i) the theoretical and practical motivations behind antenna designs based on subwavelength radiating elements and interdistances; (ii) the modeling and role played by the electromagnetic mutual coupling, and the appropriateness of multiport network theory for modeling it; and (iii) the analytical tools for unveiling the performance limits and realizing spatial multiplexing in near field, line-of-sight, channels. To exemplify the role played by ESIT and the need for electromagnetic consistency, we consider case studies related to reconfigurable intelligent surfaces and holographic surfaces, and we highlight the inconsistencies of widely utilized communication models, as opposed to communication models that originate from first electromagnetic principles.

研究动机与目标

• 解决新兴波域技术（如可重构智能表面RIS和全息表面HoloS）中缺乏物理一致通信模型的问题。
• 将电磁理论、信号处理和信息论统一为单一框架——ESIT，以设计符合麦克斯韦方程的通信系统。
• 提供分析工具，用于确定近场、视 Line-of-Sight 信道中有效自由度（eDoF）的数量及最优通信波形。
• 揭示传统通信模型中的不一致性，并展示基于第一性原理的电磁建模的优越性。
• 通过严格建模互耦合与近场效应，实现能效型波域信号处理架构的设计。

提出的方法

• 将通信信道建模为源自电磁场理论的紧算子与自伴积分算子。
• 应用逼近理论与谱分析，通过信道算子的特征值分解估算显著通信模式数量（NeDoF）。
• 采用柯尔莫哥洛夫对最优基函数的定义，将最优波形推导为信道算子的特征函数，在傍轴与对称配置下获得闭式解。
• 在对齐、平行的全息表面（HoloS）配置下，使用钟面球形波函数（PSWFs）作为二维设置下的最优基函数。
• 通过数值特征值问题求解，将先前基于PSWF的波形结果扩展至非理想、偏移对齐的HoloS部署场景。
• 通过比较特征值衰减与最大特征值一半的阈值，验证NeDoF估计的鲁棒性，即使在角度错位条件下亦成立。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何准确建模全息表面之间近场、视 Line-of-Sight 信道中的有效通信模式数量（eDoF）？
• RQ2 HoloS系统中的最优通信波形是什么？在何种条件下可表示为一维钟面球形波函数（PSWFs）的乘积？
• RQ3 电磁互耦合如何影响智能表面通信系统的性能与设计？如何实现一致建模？
• RQ4 传统通信模型在多大程度上未能考虑电磁物理特性？ESIT如何纠正这些不一致性？
• RQ5 积分算子理论能否用于推导新型、物理一致的波域通信信号处理与信道估计算法？

主要发现

• HoloS辅助信道中的有效自由度数量（eDoF）随孔径尺寸增大而增加，随波长与距离增大而减小，NeDoF通过特征值衰减分析估算。
• 即使两个HoloS之间存在30°角度偏移，仍支持超过一个显著通信模式，表明具备鲁棒的空间复用能力。
• 在对称、平行的HoloS配置中，最优通信波形为两个一维钟面球形波函数（PSWFs）的乘积，其推导基于Miller于2000年的研究，并在2023年得到扩展。
• 基于最大特征值与HoloS面积的NeDoF估计值$ N_2 $，可可靠近似表示高于最大特征值一半的特征值数量，经数值验证有效。
• 电磁一致模型表明，倏逝波与近场效应显著影响信道容量，必须在系统设计中予以包含。
• 利用积分算子与谱理论，识别出此前未知的最优编码与解码方案，这些方案无法被传统数字信号处理模型捕捉。