基于动态测量与高性能射线跟踪的毫米波超宽带移动信道建模

In order to realize “offering the best experience to highly mobile users” which is part of the vision of IMT-2020 (5G), millimeter-wave (mmWave) ultra-wideband (UWB) mobile communications with high data rate, large bandwidth and high mobility, become a common requirement and challenge, with great application value. Current research mainly focuses on fixed (quasi-) static channel with up to 1 GHz bandwidth, which cannot meet the requirement of developing mmWave UWB mobile communications. This project will focus on the ITU recommended 24 GHz-86 GHz mmWave channels in small cell and mobile hotspot wireless backhaul scenarios. Corresponding wave propagation and mobile channel (with 8 GHz bandwidth) measurement database will be built. The combination principle of distinguished space-time characteristics of mmWave propagation and frequency dispersion of UWB signal will be revealed. Afterwards, the high-performance ray-tracing technology and simulation platform will be developed. The change law of space-time clustering of channel multipaths will be revealed as well. Finally, an accurate, efficient and flexible hybrid modeling theory will be proposed for mmWave UWB mobile channel. The research results will provide necessary channel information and theoretical foundation for the design, development, and evaluation of mmWave UWB mobile communication systems, and solve the fundamental challenges of important applications, such as 5G vehicular network and smart rail mobility.

要实现IMT-2020（5G）中“为高移动性用户提供最佳体验”的愿景，兼具“高速率、大带宽、移动性”的毫米波超宽带移动通信成为了各国共同面临的需求与挑战，具有重大的应用价值。现有研究主要集中在带宽1 GHz以内的固定点（准）静态信道，和真实情况差异较大，不能满足毫米波超宽带的移动通信需求。本项目聚焦于ITU建议的24 GHz-86 GHz频段，针对毫米波适用的“小小区”和“移动热点无线回传”场景，构建电波传播与移动信道（8 GHz带宽）测量数据库；明确毫米波传播“独特的空频关系”和超宽带“频率色散性”的叠加机理；研发高性能射线跟踪技术与仿真平台；揭示信道多径空时成簇现象随频率变化的规律；提出准确、高效、灵活的毫米波超宽带移动信道混合建模理论。研究成果将为毫米波超宽带移动通信系统的设计、研发与评估提供不可或缺的信道信息和理论依据，解决面向5G的车联网以及智慧轨道交通等重要应用的基础性问题。

根据课题任务书，项目组针对毫米波超宽带传播机理与特性、高性能射线跟踪技术平台、动态场景下的多径信道时空成簇规律以及混合建模理论，从：1）构建毫米波超宽带电波传播与移动信道测量数据库；2）毫米波超宽带信号传播机理与传播特性建模；3）基于毫米波测量数据的超宽带射线跟踪仿真校正；4）高效的毫米波移动信道射线跟踪仿真方法；5）毫米波超宽带移动信道特性及混合信道建模，五个层面递进式地开展测量和建模研究，递进式地开展测量和建模研究。基于动态测量与高性能射线跟踪，揭示多径信道空时成簇随频率变化的规律，提出准确、高效、灵活的毫米波超宽带移动信道混合建模理论。. 项目组基于矢量网络分析仪的测量数据，建立了交通场景中二十余种典型材料在24-40 GHz频段的电磁参数；此外，在轨道交通、公路交通等场景基于信道探测器开展实测，分析相应场景中典型目标对毫米波传播的影响，获取时延功率谱、角度功率谱，对主要多径与结构体进行关联；解决了毫米波场景缺少数据库的基础问题。基于建立的测量数据库，将超宽带信号的“频率色散性”纳入传播机理的表征体系，将传统单频点传播机理模型拓展成超宽带多频点模型。自主研发了高性能射线跟踪仿真平台，从传播场景中结构体的几何特征、材质特征以及多种传播机理的叠加方面综合进行考虑。此外，项目组设计了合理的权重与变换方法，为最小化多维信道的仿真误差建立联合优化目标函数，对场景的几何特征、材质参数、主要传播机理构成进行校正。最后，建立了毫米波动态信道模型，形成了基于射线跟踪的快速移动场景毫米波信道建模理论，将传统建模方法中对信道测量数据的依赖转化为了对高性能射线跟踪技术的应用。. 项目成果发表高水平SCI学术期刊论文27篇，其中一篇为ESI高被引论文，两篇连载论文获得尼尔谢菲尔德最佳传播论文奖；发表EI检索国际会议论文18篇，其中一篇为UCMMT特邀论文，一篇获得ICEICT的最佳会议论文奖。项目负责人晋升为教授，将科研内容以清晰易懂的方式转化为教学内容，获得全国高等学校电子信息类专业青年教师授课竞赛特等奖、北京高校第十一届青年教师教学基本功比赛工科类A组一等奖。