【IMT】2023时间反演全息无线电技术研究报告--2030_6G_推进组_64页_3mb

报告摘要

时间反演全息无线电技术是一种基于时间反演（TR）和全息理论的无线通信技术，通过时间反演信号在时域上的翻转，实现电磁波在空间中的自适应聚焦和高精度传输。该技术能够有效应对6G通信面临的多路径传播、高密度连接、低延迟、环境适应性及安全性等挑战，为6G通信系统提供了新的解决方案。

时间反演技术优势：
- 具备自适应性和多路径优化能力，能实现低误码率、高信道容量和高安全性。
- 通过时空同步聚焦，能够在复杂环境中提高信号传输的可靠性。
- 可以在不依赖相干信号的情况下实现波场信息的记录与恢复。
技术特性：
- 通过时间反演镜（TRM）和亚波长天线阵列，实现超分辨率空间聚焦。
- 与传统全息技术相比，时间反演技术不依赖空间边界，而是通过时间边界操作实现信号聚焦。
- 在时间反演系统中，信号的聚焦不依赖于信号形式，而是由信道响应的互相关函数决定。
系统架构：
- TR-UWB系统通过冲激脉冲信号实现通信，具备高带宽、高分辨率和低延迟的特性。
- TR-OFDM-MIMO系统利用时间反演预编码提升信道容量和通信效率。
- 亚波长天线阵列通过微结构设计，减少天线间距，实现紧凑型通信设备。
实现方式：
- 时间反演信号可通过数字信号处理（如相位共轭）或模拟信号处理（如色散延迟线、时间透镜）实现。
- 压缩感知理论和全电子技术方案为提升处理效率和系统集成提供了新思路。
应用场景：
- 时间反演技术在无线输能、成像、探测和通信领域均展现出强大潜力。
- TR-WPT技术通过时空聚焦机制，实现高效率、安全的无线能量传输。

时间反演通信系统中，信道响应 $h(t)$ 是核心参数。
TR-UWB系统通过脉冲信号传输，信道模型为：
$$
h (t) = X \sum_ {n = 1} ^ {N} \sum_ {k = 1} ^ {K (n)} \alpha_ {n k} \delta \left(t - T _ {n} - \tau_ {n k}\right)
$$
时间反演等效信道模型为：
$$
R _ {r _ {0}, r _ {0}} (t) = h _ {r _ {0}} (t) \otimes h _ {r _ {0}} (- t)
$$

TR-UWB系统：
- 使用 $2 \times 12$ GSps DAC 和 $100$ GSps ADC。
- 实验系统带宽为 $0.5-7.8$ GHz，通信速率为 $500$ Mbps。
- 实验通信速率可达 $1.5$ Gbps，比传统系统提高 $5$ 倍以上。
TR-OFDM-MIMO系统：
- 采用软件无线电技术，基于 MATLAB/Simulink 构建系统模型。
- TR预处理可降低接收端计算复杂度，需实时信道信息反馈。

波束赋型与空间场调控：
- 时间反演技术可实现空时同步聚焦和超分辨率成像。
- 通过时间反演激励向量 $a(\omega)$ 可实现任意结构的波束转向。
波形时间反演：
- 利用时间透镜和色散延迟线，实现波形反演变换。
- 通过调节群时延斜率，可实现不同尺度的波形变换。
瞬变介质与时间反演：
- 时变传输线、人工表面等技术可实现时间不连续界面，从而实现时间反演。
- 通过 TLM（时变介质）可实现超快、超宽带的时间反演和频率转换。