面向6G的信道測量與建模導讀

２０２３ 年６ 月，國際電聯（ＩＴＵ）完成了《ＩＭＴ 面向２０３０ 及未來發展的框架和總體目標建議書》。該建議書作為６Ｇ 綱領性文件，匯聚了全球６Ｇ 愿景共識，描繪了６Ｇ 目標與趨勢，提出了６Ｇ 的六大場景和１５ 個能力指標，標志著６Ｇ 技術標準化工作正式啟動。信道是移動通信系統收發端之間信號承載的媒介，而深入掌握６Ｇ 的傳播特性和精確模型對６Ｇ系統的研發、評估和優化至關重要。目前，面向６Ｇ的信道測量與建模研究呈現出廣頻段、多場景、新技術的演進趨勢，頻段涉及新中頻、毫米波、太赫茲、可見光頻段；場景涉及空、天、地、海等多域空間；技術涉及超大規模多輸入多輸出（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 的信道研究在測量、建模、仿真等方面面臨一系列新的挑戰。

鑒于此，為了更好地將我國面向６Ｇ 的信道測量與建模的最新研究成果介紹給讀者，進一步促進６Ｇ 前沿技術發展，特組織了本專題。

低軌衛星通信網絡具有高動態、廣覆蓋、大帶寬的特點，是未來６Ｇ 空天地一體化網絡的重要組成部分。低軌衛星寬帶信道模型在衛星通信系統設計與性能評估中至關重要。為解決低軌衛星高速移動引起的信道參數時變特性，《基于３ＧＰＰ 信道模型框架的低軌衛星時變信道仿真方法》基于３ＧＰＰ 信道標準的幾何隨機統計建模框架，提出了一種低軌衛星時變信道仿真方法。該方法支持低軌衛星連續移動下時變信道的仿真具有３ＧＰＰ 標準信道模型的優點，能夠以較低的復雜度精確描述低軌衛星信道的時變特性，支持低軌衛星通信系統的設計和評估。

海洋通信是６Ｇ 空天地海一體化網絡的關鍵場景。海洋信道特性分析與建模對海上通信系統的技術開發和部署規劃具有重要意義。《近岸海陸結合場景６ ＧＨｚ 以下頻段無線信道測量與建模》關注海岸邊的岸船通信場景，介紹了在５． ８０、５． ４５、３． ９０、３． ００ ＧＨｚ 頻段開展的無線信道測量活動，提取并建模了岸邊發射機與運動船舶之間無線鏈路的關鍵信道參數。研究結果可為近岸場景岸船通信技術的設計和部署提供參考。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間長、頻次高，嚴重影響陸基船舶通信鏈路的連接質量。《陸基海洋通信船舶繞射損耗模型研究》針對船岸通信信道測量場景中發生的由過往大型船舶駛過造成遮擋而產生的陰影效應，結合高精度實測數據對發生在Ｄ０６（０． ６ 倍第一菲涅爾區間隙對應的路徑距離）范圍內陰影效應的整個運動過程進行分析，給出一種計算船舶繞射損耗需要的各關鍵數據的計算方法。基于ＩＴＵ 單個刀刃模型和單個圓形繞射模型構建了船舶繞射損耗模型，并針對Ｄ０６ 范圍內和范圍外兩種情況下的兩次陰影效應進行模型仿真和實測數據的比對分析。結果表明所提出模型預測精度高，且在預測繞射損耗的上限方面有良好的效果。

為了更好地補充和擴展６Ｇ 典型工業物聯網（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，ＩＩｏＴ）場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，《基于測量的典型工業物聯網場景毫米波信道特性分析》在２６ ＧＨｚ 頻段下，對典型ＩＩｏＴ 場景進行了信道測量與特性分析。研究涉及的典型工業場景包括不同設備布置密度的工業密集場景和工業稀疏場景。基于實測數據，對上述兩種工業環境下的信道特征參數進行了萃取，并在此基礎上分析和比較了兩種典型工業場景的毫米波信道特性。有助于理解信號在工業環境中的傳播規律，預測和評估通信系統的傳輸可靠性，進而優化系統設計和網絡規劃，確保ＩＩｏＴ 應用的高效穩定運行。

超大規模天線陣列在近期取得了快速的發展并有望在未來６Ｇ 無線通信，尤其是在中頻和毫米波頻段取得廣泛應用。隨著天線孔徑的提升，近場效應和空間非平穩特性變得更為明顯和突出，因此傳統遠場平面波假設不再適用。為更準確地對近場通信進行性能評估，建立準確反映近場信道特性的信道模型尤為關鍵。為研究中頻段下ＸＬＭＩＭＯ 信道近場與空間非平穩特性，《ＵＭａ 場景中頻段ＸＬＭＩＭＯ 信道測量與特性分析》在城市宏蜂窩場景下進行了１３ ＧＨｚ ＸＬＭＩＭＯ 信道測量，通過多徑參數分析了近場和空間非平穩特性。分析結果發現，近場球面波會造成多徑角度在陣列域上的偏移，空間非平穩效應會造成多徑功率、角度擴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。《近場信道建模與分析》基于電磁理論和物理光學，建立了一般散射體的散射模型。通過對近場散射體散射特性的研究，分析了非視距徑信道狀態的變化特點以及近場場景中的空間非平穩特征。基于大規模收發天線陣元間空間一致性特性，結合散射體散射特性，設計了基于空間一致性的近場信道參數生成方法，提出一種衰減因子計算方法，用以表征空間非平穩特性。在３ＧＰＰ 標準信道建模流程基礎上，設計了一種適用于近場電磁波傳播的信道模型。提出的信道模型同時建模了球面波和空間非平穩特性對近場通信的影響，可準確評估近場通信性能，為近場碼本設計、波束成型等技術的發展打下基礎。

動態信道建模方法是６Ｇ 研發的重要內容。傳播圖論作為一種基于有向圖拓撲結構的信道建模方法，具有計算高效和信道多徑的功率指數衰減描述準確的特點，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。《面向動態信道的傳播圖論建模方法優化》針對６Ｇ 通感一體化技術研發中動態信道建模的實際需求，梳理了傳播圖論基本理論，總結和提出了基于傳播圖論的面向動態信道建模框架和具體幀結構，并基于反射波功率機制對傳播圖論的算法進行了優化，有效提升了傳播圖論對動態環境信道仿真準確度。通過對該建模方法進行的仿真分析和實測驗證，證明了其可行性和帶來的性能提升。

針對６Ｇ 移動通信的通信場景復雜化，數據海量化且傳統信道建模方法帶來的測量成本昂貴、建模復雜度高等挑戰，《基于機器學習的太赫茲信道預測建模研究》通過建立基于遺傳算法（Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＧＡ）和蟻群算法（Ａｎｔ Ｃｏｌｏｎｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＡＣＯ）混合優化的反向傳播神經網絡（Ｂａｃｋ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＢＰＮＮ）信道參數預測模型ＧＡＡＣＯＢＰ，將機器學習中的ＢＰＮＮ 應用到室內太赫茲信道建模中，對太赫茲無線信道的大小尺度特性進行了學習與預測，并與傳統的ＢＰＮＮ 模型、ＧＡＢＰ和ＡＣＯＢＰ 的預測結果進行了比較，驗證了所建立模型的準確性和有效性。

綜上所述，本專題展示了面向６Ｇ 的信道測量與建模的相關研究，內容涵蓋低軌衛星、近岸海洋和工業物聯網等新場景、ＸＬＭＩＭＯ 和近場通信等新技術的信道測量與建模活動，動態信道建模和基于機器學習的信道建模方法的研究。希望本專題能夠對廣大讀者了解和研究面向６Ｇ 的信道測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信道測量與建模研究交流平臺，推動６Ｇ 信道測量與建模研究的快速發展，為未來的研究和應用提供有價值的指導和展望。最后，感謝專題評審專家及時、耐心、細致的評審工作；衷心感謝各位作者的辛勤工作和精心撰稿！