2023时间反演全息无线电技术研究报告

2023年12月 版权声明CopyrightNotification 未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播 ©2023IMT-2030（6G）推进组版权所有 前言 时间反演（TimeReversal,TR）技术可以将接收到的电磁波信号在时域上翻转，再重新发射到空间中，形成时间反演电磁波。近年来该技术成功应用于通信系统、目标探测、高分辨率成像等多个领域。报告分析了未来6G通信技术面临的困难和挑战，并介绍了时间反演技术面对6G通信难题的解决方案，以及其在通信领域的优势所在。报告详细阐述了时间反演通信技术的概念、基本原理、架构等方面内容，并对两种基于时间反演技术的通信系统架构与传统通信系统架构进行了对比，充分展示了时间反演通信技术的强大能力。通过对国内外研究现状、理论与建模、现有实现架构的研究分析，报告认为虽然时间反演通信技术目前仍然存在部分技术挑战，但是在未来通信领域存在强大潜力。在报告的末尾，对时间反演通信技术的发展趋势进行了预测，重点关注了未来5-10年内复杂环境时间反演电磁聚焦技术、时间反演镜排布技术和时间反演时域聚焦技术三个方面的发展方向和进展。 报告第一章为时间反演全息无线电技术概述；第二章介绍了时间反演通信技术的基础原理、系统架构与理论模型；第三章介绍了时间反演技术在无线输能和成像领域的应用；第四章重点介绍了时间反演技术在的技术成熟度、产业现状和研究动态；第五章为总结后续发展趋势预测。 目录 前言...............................................................I 第一章时间反演全息无线电技术概述....................................1 1.1时间反演技术与全息理论.................................................................................21.2时间反演全息无线电通信技术的特性.............................................................51.2.1安全保密传输性.......................................................................................51.2.2低误码率和高信道容量...........................................................................6 2.2系统架构.............................................................................................................8 2.3.1基于时间反演的波束赋型理论与建模.................................................122.3.2电磁信号的时间反演实现技术理论与建模.........................................182.3.3基于时间反演的亚波长天线阵系统理论与建模.................................22 第三章其他应用场景和用例...........................................27 3.1.1时间反演无线输能基本原理..................................................................273.1.2时间反演无线输能技术与传统无线输能技术......................................293.1.3时间反演无线输能技术..........................................................................30 第四章技术成熟度、产业发展现状和研究动态...........................45 参考文献............................................................50 第一章时间反演全息无线电技术概述 随着5G的发展以及使用的普及，6G技术的研发和拓展引起了巨大的关注。6G通信作为下一代移动通信标准，面临多重要求和挑战： 1.极低延迟：6G通信需要满足极端低延迟的需求，例如自动驾驶汽车需要毫秒级的响应时间，远程医疗需要实时传输医学图像。这需要通信系统能够快速传输数据，减小信号传播的延迟。 2.多路径传播：6G通信将应对复杂的传播环境，包括城市、农村、极地和沙漠等不同地理区域。多路径传播现象将增加信号多次反射和传播的可能性，需要有效地利用多路径传播，提高信号的传输可靠性。 3.高密度连接：6G通信将支持数百万台设备同时连接到网络，包括物联网设备、智能城市应用和大规模传感器网络。这需要通信系统具备高连接密度的能力，同时保持连接的可靠性。 4.环境适应性：6G通信将面对不同的地理和环境条件，如极地、沙漠和高山地区。通信系统需要适应这些极端条件，以提供可靠的通信服务。 5.安全性和隐私保护：6G通信的安全性和隐私保护至关重要。通信系统需要能够保护用户数据的隐私，减小窃听和干扰的风险。 与传统的无线通信方式不同，时间反演（TR）无线通信技术具有多径效应，能够利用多径获得高增益信号。时间反演的时-空同步聚焦特性能让TR无线通信系统实现自适应高速率的通信，且具有更强的抗干扰能力[1]。针对6G通信的要求和挑战，时间反演技术通过以下方式满足6G通信的各种需求： 1.低延迟要求：时间反演技术通过其自适应性和动态调整能力，可以在实时监测传播环境和网络条件的基础上，实时优化信号传输参数，以降低通信延迟。它能够动态调整信号参数，以最小化传输延迟，满足高度低延迟敏感的应用需求，如自动驾驶汽车、远程医疗和虚拟现实。 2.多路径传播：时间反演技术可以有效利用多路径传播的特性。多路径传播可能会导致信号多次反射和传播，时间反演技术可以选择最佳的传播路径，减小延迟，提高传输可靠性。它可以通过优化多路径传播，提高信号覆盖范围，确保信号在不同环境中都能传输到目的地。 3.高密度连接：时间反演技术的自适应性和多路径传播优化能力有助于降低多路径干扰，从而支持更多设备的连接。它可以通过动态调整信号参数，减小干扰，提高网络的连接密度。这有助于满足高密度连接的需求，包括物联网设备、智能城市应用和大规模传感器网络。 4.环境适应性：时间反演技术的自适应性使其能够适应不同的环境条件，包括极端地理条件。它可以根据环境特点和条件自动调整信号传输，以满足不同地理区域的通信需求，不论是在极地、沙漠、高山还是城市中，都能够提供可靠的通信服务。 5.安全性和隐私保护：时间反演技术可以提高通信的安全性，通过实现加密和隐私保护，减小窃听和干扰的可能性，确保用户数据的隐私和通信的保密性。它可以为6G通信系统提供更高水平的安全性，保护用户的隐私和数据。 总结来说，时间反演技术通过其自适应性、多路径传播的优化、抗多路径干扰能力、频谱效率优化、网络切片技术的结合等特性，为6G通信提供了关键支持，以满足低延迟、高密度连接、广泛覆盖、环境适应性和安全性等多样化需求。6G通信的发展离不开不断的研究和技术创新，时间反演技术将在6G通信中发挥重要作用，为实现6G通信的愿景，即高速、低延迟、高密度连接和可持续通信，提供强大的支持，创造更广泛的机会，促进科技创新和社会进步。通过不断的研究和发展，时间反演技术将在6G通信中扮演关键角色，为未来的数字社会带来更多便利和创新。 1.1时间反演技术与全息理论 全息理论是基于波动方程的时间反演不变性。它依赖于这样一个物理规律，即通过知道任何封闭表面上的场（及其法向导数）就能够完全确定空间内的场。因此，到达二维（2D）表面的信息足以恢复整个空间内的所有信息[2]。 基于这一特性，1947年DenisGabor[3]引入了传统全息技术，该技术为反向传播单色波场和获得3D图像提供了一种全新的方法。它需要使用位于任意封闭表面上的发射器-接收器天线，基于电磁波的干涉原理，在接收天线处实现场的记录，并经过数字化、存储、时间反转和重播后再基于电磁波的衍射原理重建初始场。如果阵列通过良好的空间采样截取了整个正向传播的波，则会生成完美的反向传播副本。 1959年，Wigner[4]提出时间反演态不是时间倒流，而是运动方向的倒转，正反运动过程都必须遵循相同的因果性。Fink[5,6]小组分别于1992年和1993年讨论了时间反演腔和时间反演镜的概念。文献[5]中从波动方程出发，利用格林函数得到了一个封闭腔中的时间反演场，提出了时间反演腔理论。该理论假设的时间反演腔是一个三维密闭腔体，其腔壁上布满探测器，用于完整地获得该封闭腔壁上的场信息。时间反演腔理论基于波动方程的时间反演对称性[7]，在给定的媒质和边界条件下，如果场( , )r t是波动方程的解，那么( ,)rt也是波动方程的解。因此， 如果我们能记录媒质中的源所发出的全部场，再将接收到的信号经过时间反演处理后发射回去，就可以建立场( ,)rt，实现重建初始场的目标。 从全息的定义和其物理原理的角度来看，我们可以观察到时间反演技术同样源自波动方程的时间反演不变性。该技术通过在封闭表面上记录场的信息，进而确定了空间内的场分布，从而实现了对原始波场的恢复过程。 从数学角度来看，时间反演技术的表达式可以写为[8] 其中( )FC是辐射源时域信号的频率表达式，()z是信道的频率响应，“”代表共轭操作，公式(1-1)的傅立叶逆变换即为时间反演的输出信号形式。传统全息技术的表达式可以写为 这里，1 , 2u是对应于横向坐标x和y的空间频率，12( ,)g u u是信号在平面0z中的傅立叶谱，12( ,,)z u u是平面0z和zz之间传播信道的空间频率响应。在传统全息技术中获得的信号为212( ,)zgu u的傅立叶逆变换。对比公式(1-1)和(1-2)，前两项体现了信道的频率响应的作用，第三项是发射的信号频谱。两种技术的表达式形式完全相同，信道的频率响应都是函数的平方绝对值。不同之处在于时间反演技术的信道频率响应是频率的函数，两种频率响应的性质彼此不完全相同。如果忽略环境对于信号的阻碍作用，即信号处于环境的通带范围内，可以认为时间反演技术是宽带的传统全息技术，而传统全息技术只是窄带的时间反演技术。 综上所述，在物理原理和数学基础方面，时间反演技术和传统全息技术呈现出根本上的相似性，所以时间反演技术和传统全息技术本质上都是全息理论的两种应用手段[9]。与传统全息技术通过操作空间边界以记录波场信息所异的是，时间反演技术通过对时间边界的操纵实现波场信息的记录与恢复。因此，时间反演技术无需依赖相干信号以实现相位记录，且避免了需要连续空间中的天线阵列来获取波前相位信息。这一特点显著降低了天线排列布局的要求，并将相干信号的需求转化为对时间反演镜的时间同步要求。 从应用范围和效果层面考虑，时间反演技术在多色情境下表现出良好的适应性，而传统全息技术则在单色情境下具备其适用性。与只依赖空间的传统全息技术相比，时间反演技术产生的结果取决于时间和空间。传统全息技术只涉及单色波场，所以其不具有时间的依赖性，故而也不存在时域聚焦的概念。对于时间反演技术，其时间依赖性直接由方程(1-1)决定，空间依赖性通过时域脉冲响应的相 关函数的空间依赖性来描述。公式(1-3)展示了在初始源邻域中的时间反演信号形式，这里的新函数( )az是到观测点位置的频率响应函数 作为信道响应的互相关函数的频谱确定时间反演信号聚焦的空间相关性。