面向6G的信道測(cè)量與建模導(dǎo)讀

２０２３ 年６ 月，國際電聯(lián)（ＩＴＵ）完成了《ＩＭＴ 面向２０３０ 及未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)建議書》。該建議書作為６Ｇ 綱領(lǐng)性文件，匯聚了全球６Ｇ 愿景共識(shí)，描繪了６Ｇ 目標(biāo)與趨勢(shì)，提出了６Ｇ 的六大場(chǎng)景和１５ 個(gè)能力指標(biāo)，標(biāo)志著６Ｇ 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作正式啟動(dòng)。信道是移動(dòng)通信系統(tǒng)收發(fā)端之間信號(hào)承載的媒介，而深入掌握６Ｇ 的傳播特性和精確模型對(duì)６Ｇ系統(tǒng)的研發(fā)、評(píng)估和優(yōu)化至關(guān)重要。目前，面向６Ｇ的信道測(cè)量與建模研究呈現(xiàn)出廣頻段、多場(chǎng)景、新技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)，頻段涉及新中頻、毫米波、太赫茲、可見光頻段；場(chǎng)景涉及空、天、地、海等多域空間；技術(shù)涉及超大規(guī)模多輸入多輸出（Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ＬａｒｇｅｓｃａｌｅＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔ ＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＸＬＭＩＭＯ）、全息ＭＩＭＯ、智能超表面、通信感知一體化等。這使得面向６Ｇ 的信道研究在測(cè)量、建模、仿真等方面面臨一系列新的挑戰(zhàn)。

鑒于此，為了更好地將我國面向６Ｇ 的信道測(cè)量與建模的最新研究成果介紹給讀者，進(jìn)一步促進(jìn)６Ｇ 前沿技術(shù)發(fā)展，特組織了本專題。

低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有高動(dòng)態(tài)、廣覆蓋、大帶寬的特點(diǎn)，是未來６Ｇ 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。低軌衛(wèi)星寬帶信道模型在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估中至關(guān)重要。為解決低軌衛(wèi)星高速移動(dòng)引起的信道參數(shù)時(shí)變特性，《基于３ＧＰＰ 信道模型框架的低軌衛(wèi)星時(shí)變信道仿真方法》基于３ＧＰＰ 信道標(biāo)準(zhǔn)的幾何隨機(jī)統(tǒng)計(jì)建?？蚣?，提出了一種低軌衛(wèi)星時(shí)變信道仿真方法。該方法支持低軌衛(wèi)星連續(xù)移動(dòng)下時(shí)變信道的仿真具有３ＧＰＰ 標(biāo)準(zhǔn)信道模型的優(yōu)點(diǎn)，能夠以較低的復(fù)雜度精確描述低軌衛(wèi)星信道的時(shí)變特性，支持低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評(píng)估。

海洋通信是６Ｇ 空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵場(chǎng)景。海洋信道特性分析與建模對(duì)海上通信系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)和部署規(guī)劃具有重要意義。《近岸海陸結(jié)合場(chǎng)景６ ＧＨｚ 以下頻段無線信道測(cè)量與建?！逢P(guān)注海岸邊的岸船通信場(chǎng)景，介紹了在５． ８０、５． ４５、３． ９０、３． ００ ＧＨｚ 頻段開展的無線信道測(cè)量活動(dòng)，提取并建模了岸邊發(fā)射機(jī)與運(yùn)動(dòng)船舶之間無線鏈路的關(guān)鍵信道參數(shù)。研究結(jié)果可為近岸場(chǎng)景岸船通信技術(shù)的設(shè)計(jì)和部署提供參考。此外，海上主要港口和航道上船舶吞吐量大，陸基船舶通信鏈路被過往船舶遮擋的時(shí)間長、頻次高，嚴(yán)重影響陸基船舶通信鏈路的連接質(zhì)量。《陸基海洋通信船舶繞射損耗模型研究》針對(duì)船岸通信信道測(cè)量場(chǎng)景中發(fā)生的由過往大型船舶駛過造成遮擋而產(chǎn)生的陰影效應(yīng)，結(jié)合高精度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)生在Ｄ０６（０． ６ 倍第一菲涅爾區(qū)間隙對(duì)應(yīng)的路徑距離）范圍內(nèi)陰影效應(yīng)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，給出一種計(jì)算船舶繞射損耗需要的各關(guān)鍵數(shù)據(jù)的計(jì)算方法?；冢桑裕?單個(gè)刀刃模型和單個(gè)圓形繞射模型構(gòu)建了船舶繞射損耗模型，并針對(duì)Ｄ０６ 范圍內(nèi)和范圍外兩種情況下的兩次陰影效應(yīng)進(jìn)行模型仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析。結(jié)果表明所提出模型預(yù)測(cè)精度高，且在預(yù)測(cè)繞射損耗的上限方面有良好的效果。

為了更好地補(bǔ)充和擴(kuò)展６Ｇ 典型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，ＩＩｏＴ）場(chǎng)景中毫米波頻段電波傳播特性的研究，并滿足ＩＩｏＴ 在連接性、可靠性、安全性、智能化和覆蓋性等方面的更高需求，《基于測(cè)量的典型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景毫米波信道特性分析》在２６ ＧＨｚ 頻段下，對(duì)典型ＩＩｏＴ 場(chǎng)景進(jìn)行了信道測(cè)量與特性分析。研究涉及的典型工業(yè)場(chǎng)景包括不同設(shè)備布置密度的工業(yè)密集場(chǎng)景和工業(yè)稀疏場(chǎng)景?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)上述兩種工業(yè)環(huán)境下的信道特征參數(shù)進(jìn)行了萃取，并在此基礎(chǔ)上分析和比較了兩種典型工業(yè)場(chǎng)景的毫米波信道特性。有助于理解信號(hào)在工業(yè)環(huán)境中的傳播規(guī)律，預(yù)測(cè)和評(píng)估通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，確保ＩＩｏＴ 應(yīng)用的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

超大規(guī)模天線陣列在近期取得了快速的發(fā)展并有望在未來６Ｇ 無線通信，尤其是在中頻和毫米波頻段取得廣泛應(yīng)用。隨著天線孔徑的提升，近場(chǎng)效應(yīng)和空間非平穩(wěn)特性變得更為明顯和突出，因此傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)平面波假設(shè)不再適用。為更準(zhǔn)確地對(duì)近場(chǎng)通信進(jìn)行性能評(píng)估，建立準(zhǔn)確反映近場(chǎng)信道特性的信道模型尤為關(guān)鍵。為研究中頻段下ＸＬＭＩＭＯ 信道近場(chǎng)與空間非平穩(wěn)特性，《ＵＭａ 場(chǎng)景中頻段ＸＬＭＩＭＯ 信道測(cè)量與特性分析》在城市宏蜂窩場(chǎng)景下進(jìn)行了１３ ＧＨｚ ＸＬＭＩＭＯ 信道測(cè)量，通過多徑參數(shù)分析了近場(chǎng)和空間非平穩(wěn)特性。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近場(chǎng)球面波會(huì)造成多徑角度在陣列域上的偏移，空間非平穩(wěn)效應(yīng)會(huì)造成多徑功率、角度擴(kuò)展在陣列域上的不均勻分布，為面向６Ｇ 的中頻段ＸＬＭＩＭＯ 信道建模提供了參考借鑒?！督鼒?chǎng)信道建模與分析》基于電磁理論和物理光學(xué)，建立了一般散射體的散射模型。通過對(duì)近場(chǎng)散射體散射特性的研究，分析了非視距徑信道狀態(tài)的變化特點(diǎn)以及近場(chǎng)場(chǎng)景中的空間非平穩(wěn)特征?；诖笠?guī)模收發(fā)天線陣元間空間一致性特性，結(jié)合散射體散射特性，設(shè)計(jì)了基于空間一致性的近場(chǎng)信道參數(shù)生成方法，提出一種衰減因子計(jì)算方法，用以表征空間非平穩(wěn)特性。在３ＧＰＰ 標(biāo)準(zhǔn)信道建模流程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種適用于近場(chǎng)電磁波傳播的信道模型。提出的信道模型同時(shí)建模了球面波和空間非平穩(wěn)特性對(duì)近場(chǎng)通信的影響，可準(zhǔn)確評(píng)估近場(chǎng)通信性能，為近場(chǎng)碼本設(shè)計(jì)、波束成型等技術(shù)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。

動(dòng)態(tài)信道建模方法是６Ｇ 研發(fā)的重要內(nèi)容。傳播圖論作為一種基于有向圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信道建模方法，具有計(jì)算高效和信道多徑的功率指數(shù)衰減描述準(zhǔn)確的特點(diǎn)，也能較好地滿足６Ｇ 中球面波波面模型研究和信道建模需求?！睹嫦騽?dòng)態(tài)信道的傳播圖論建模方法優(yōu)化》針對(duì)６Ｇ 通感一體化技術(shù)研發(fā)中動(dòng)態(tài)信道建模的實(shí)際需求，梳理了傳播圖論基本理論，總結(jié)和提出了基于傳播圖論的面向動(dòng)態(tài)信道建模框架和具體幀結(jié)構(gòu)，并基于反射波功率機(jī)制對(duì)傳播圖論的算法進(jìn)行了優(yōu)化，有效提升了傳播圖論對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境信道仿真準(zhǔn)確度。通過對(duì)該建模方法進(jìn)行的仿真分析和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，證明了其可行性和帶來的性能提升。

針對(duì)６Ｇ 移動(dòng)通信的通信場(chǎng)景復(fù)雜化，數(shù)據(jù)海量化且傳統(tǒng)信道建模方法帶來的測(cè)量成本昂貴、建模復(fù)雜度高等挑戰(zhàn)，《基于機(jī)器學(xué)習(xí)的太赫茲信道預(yù)測(cè)建模研究》通過建立基于遺傳算法（Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＧＡ）和蟻群算法（Ａｎｔ Ｃｏｌｏｎｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＡＣＯ）混合優(yōu)化的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Ｂａｃｋ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＢＰＮＮ）信道參數(shù)預(yù)測(cè)模型ＧＡＡＣＯＢＰ，將機(jī)器學(xué)習(xí)中的ＢＰＮＮ 應(yīng)用到室內(nèi)太赫茲信道建模中，對(duì)太赫茲無線信道的大小尺度特性進(jìn)行了學(xué)習(xí)與預(yù)測(cè)，并與傳統(tǒng)的ＢＰＮＮ 模型、ＧＡＢＰ和ＡＣＯＢＰ 的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性和有效性。

綜上所述，本專題展示了面向６Ｇ 的信道測(cè)量與建模的相關(guān)研究，內(nèi)容涵蓋低軌衛(wèi)星、近岸海洋和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新場(chǎng)景、ＸＬＭＩＭＯ 和近場(chǎng)通信等新技術(shù)的信道測(cè)量與建?；顒?dòng)，動(dòng)態(tài)信道建模和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信道建模方法的研究。希望本專題能夠?qū)V大讀者了解和研究面向６Ｇ 的信道測(cè)量與建模提供有益的啟示、參考和借鑒，共同搭建起開放的６Ｇ信道測(cè)量與建模研究交流平臺(tái)，推動(dòng)６Ｇ 信道測(cè)量與建模研究的快速發(fā)展，為未來的研究和應(yīng)用提供有價(jià)值的指導(dǎo)和展望。最后，感謝專題評(píng)審專家及時(shí)、耐心、細(xì)致的評(píng)審工作；衷心感謝各位作者的辛勤工作和精心撰稿！