撰稿|由课题组供稿
近日，浙江大学李达研究员、李尔平教授团队在复杂环境中的电磁信息论方面取得新进展，提出并实验验证了一种基于电磁信息论的复杂环境MIMO系统高效表征与信息容量计算方法，为复杂环境中的信息传输提供了行之有效的电磁学视角。相关工作以“An Electromagnetic-Information-Theory Based Model for Efficient Characterization of MIMO Systems in ComplexSpace”为题，发表于电磁场与微波技术领域国际知名学术期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation四月刊，第一作者为信电学院博士生李瑞峰，该工作得到李达研究员、李尔平教授的悉心指导，主要合作者还包括浙江大学信电学院沙威研究员和陈红胜教授。
信息传输无法做到无限速率，逼近信道容量的香农极限是多输入多输出(MIMO)系统的追求。有限物理口径下天线阵的设计与模式分配将极大程度影响波场与环境的相互作用。然而，如何在复杂空间中有效表征MIMO系统，并获得比自由空间MIMO系统更好的传播性能是一个很大的挑战，且对射频前端的功率和相位分配至关重要。电磁信息论(EMIT)搭建了麦克斯韦方程与香农信息论之间的沟通桥梁，以往EMIT的研究工作主要集中在自由空间或揭示两种理论之间的参数映射，复杂电磁空间的高效表征算法和信息分析方法仍有待探索，这是借助正演法（而非传统控制论）指导信息传输的关键。
在本文中，浙江大学团队开发了一个EMIT模型，来对复杂电磁空间中的MIMO系统进行有效表征。该EMIT模型采用了T矩阵算法和基于并矢格林函数的模态分析法，填补了复杂空间中信道高效表征和电磁信息精准分析的研究空白。本文的主要贡献如下。
1) 通过并矢格林函数和矩阵模态分析，提取MIMO系统的关键参数与信息特征。
2) 提出了一种基于T矩阵的复杂电磁空间快速建模算法。与传统的全波算法相比，该算法具有解析特性，计算速度更快。与基于射线追踪的信道估计方法相比，采用的T矩阵法具有更高的精度，可方便集成到EMIT中。这为借助高效正演方法建模复杂信道提供了可能。
图1. T矩阵与信道模型等效示意图
3) 针对复杂空间MIMO系统的特征，提出了一种高效的EMIT模型。作为原理性验证，利用圆柱阵列构造非均匀传播环境，在微波暗室中进行信道测量，证明了基于EMIT的模型对MIMO模式分析的有效性。同时，以有限功率图像传输为例，说明了如何基于该模型指导MIMO天线幅相调控，为基于计算电磁学的信息参数提取及传输设计优化提供了新的思路。
图2. 基于EMIT模型的图像传输。(a) 128*128像素的原始图像（无噪声）。(b) 多模优化传输（有噪声）。(c)-(e)分别使用模式1、模式2和模式3进行单模传输（有噪声）。
基于复杂电磁空间中的EMIT，提出了一种MIMO系统性能仿真模型，揭示了复杂非均匀空间电磁信息传输的基本原理，并对几个典型场景进行分析，验证了基于EMIT的T矩阵格林函数模型的准确性和有效性，并展示了利用计算电磁学方法提取MIMO系统信息参数的新思想。目前，该方法适用于任意分布、大小和材料的簇模型，为复杂散射空间中天线单元的功率和相位分配提供了一种高效可靠的方法。该模型也可结合其它全波仿真和优化方法，推广应用到复杂空间MIMO天线设计中。
该工作得到国家重大仪器研发项目、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的资助。
论文信息：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10016303
