面向智慧轨道交通的毫米波大规模多天线信道测量与建模

The combination of millimeter-wave (mm-wave) propagation and advanced massive multiple-input multiple-output (MIMO) technologies is revolutionary for future communications and is promising to meet the high-data rate and large bandwidth requirements of the revision of “smart rail traffic”. This project aims to conduct measurements and modeling for the mm-wave massive MIMO channels in the rail traffic scenarios that are critical for the development of national economy. Since the propagation mechanisms are highly object- and frequency-dependent, the propagation mechanism constitutions of the mm-wave ultra-wide band signal in the rail traffic scenarios will be determined by measurements and modeling. Based on this physical understanding, extensive virtual massive MIMO channel measurements and ray-tracing simulations will be done. Then, by modeling the channel parameters in the time, frequency, space, and polarization domains with the frequency and space information of the scenarios, stochastic models involving “frequency dispersion” and “spatial non-stationarity” will be presented for mm-wave static channels. Finally, based on dynamic channel measurements and simulations, through modeling the spatial-temporal Doppler properties by the scenario dynamics, stochastic models will be established for the mm-wave dynamic channels with various massive MIMO arrays. The models will provide the critical channel information and theoretical guidelines for the design and assessment of the mm-wave massive MIMO communication systems as well as their application and deployment in rail traffic.

将毫米波传播与新型大规模多天线技术相结合，对于未来通信理论与系统而言具有革命性意义，有望满足“智慧轨道交通”愿景所提出的高速率、大带宽的通信要求。本课题拟以对国民经济发展意义重大的轨道交通为研究和应用背景，对毫米波大规模多天线信道进行测量与建模。针对电波传播机理的结构体相关性和频率依赖性，通过测量与建模，明确轨道交通场景中的毫米波超宽带信号电波传播机理构成。在此基础上进行虚拟大规模多天线信道测量和射线跟踪仿真，通过对信道时、频、空、极化域特征参数与场景频率和空间信息的联合建模，提出兼具“频率色散性”和“空间非平稳性”的毫米波静态信道空时随机模型。最终，基于动态信道测量与仿真，通过将空时多普勒谱特征参数与场景动态性参数联合建模，提出不同大规模多天线阵列下的毫米波动态信道随机模型，为毫米波大规模多天线通信系统的设计、评估以及在轨道交通中的应用、部署提供必要的信道信息和理论依据。

项目组从传播与信道的角度将智慧铁路业务划分为5个应用场景，并进行参数化定义。构建了6个涵盖高铁现场主要结构体的毫米波三维场景模型库；通过测量，建立了高铁场景数十种材料在24 GHz-40 GHz频段的电磁参数和散射参数数据库。解决了高铁毫米波场景缺乏定义、缺少模型和基础数据库的问题、为高铁毫米波通信系统的设计与评估提供了的研究基准。. 研发了首个可支持高铁场景毫米波大规模多天线信道的高性能射线跟踪平台，构建了“传播场景模型”、“天线模型”和“传播机理与材料电磁参数”三个重要的数据库。平台支持各种高铁场景的超宽带、大规模多天线、多用户信道仿真。由测量数据验证，准确度较现有模型提升50%-100%，和实测结果的平均误差小于1 dB，标准差小于5 dB。基于大量仿真，揭示了高铁场景毫米波信道不同于低频信道或其他场景的主要传播机理。. 创建了隧道场景毫米波大规模多天线信道模型，和测量结果在信噪比上的平均误差小于1 dB，生成的多径分量可以平滑演进。创建了高铁户外场景毫米波大规模多天线信道模型，得到了测量数据的验证。由模型生成的信道多径分量动态生灭，平滑演进，具有良好的空间一致性。.总结上述从应用场景定义到信道模型建立与验证的全过程，提出了基于射线跟踪的高铁毫米波大规模多天线信道建模理论。这套理论的优势在于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。可以在难以进行信道测量的情况下快速生成大量真实、可靠的随机信道，为高速铁路毫米波通信系统的设计与评估提供必要的信道信息和理论依据。. 项目成果发表高水平SCI学术期刊上发表论文19篇，其中一篇为ESI高被引论文。发表EI检索国际会议论文23篇，其中一篇为GlobalSIP特邀论文，两篇论文分获ITST2017和ICCC2017的最佳论文奖。形成IEEE标准一项，被欧洲科技合作组织采纳提案5项。项目负责人获得德国洪堡基金会外国科学家研究基金，被聘为欧洲铁路研究精英联盟EURNEX聘为智能移动领域的首席研究员。