面向毫米波宽带移动通信的射线跟踪基础理论与关键方法研究

Millimeter-wave (mmWave) wideband communication is the key to enable 5G and beyond high-data-rate transmission. As a deterministic channel model and a scientific simulation method, ray-tracing (RT) approach plays an important role in the research of mmWave channels. Besides, the combination of RT and measurement is expected to shed the light of mapping the measured multi-path components (MPCs) with the propagation environment, which is also the common challenge of mmWave channel researches. Currently, there lacks systematic research on mmWave propagation mechanism and propagation model for RT. Moreover, the combination of RT and channel measurement is still deficient. The aforementioned reasons constrain the development of mmWave channel modeling. This project will consider 24 - 300 GHz mmWave frequency band in the ITU recommended small cell and mobile hotspot wireless backhaul scenarios, and conduct researches by taking advantages of measurements, simulations, and machine learning. The radio propagation will be analyzed and modeled for RT, based on which, the propagation mechanism and variation trend will be revealed. A mmWave channel database, which includes MPCs as the ground truth, will be constructed. MPC recognizing and tracking method will be proposed. Thereafter, RT calibration will be proposed by jointly inversing the propagation parameters and the environment model. The mapping to the MPCs with the propagation environment will be established. The proposed models and methods will guarantee the accuracy of the RT-based deterministic channel model and the simulation platform. Meanwhile, the common challenge of mmWave channel modeling will be tackled. This project will provide necessary channel information and theoretical foundation for the design, and evaluation of mmWave wideband communication systems. It is foreseen to have great scientific significance and applicable value.

毫米波宽带移动通信是实现5G及未来移动通信高速传输愿景的关键支撑。射线跟踪作为确定性信道模型和科学仿真方法，在毫米波研究中发挥重要的作用。它与信道测量结合有望建立多径与环境的映射，为毫米波信道建模提供准确的多径信息。然而，现有毫米波传播机理和射线跟踪的多径表征缺乏系统性研究，与信道测量的结合不足，制约了毫米波信道建模的发展。本项目聚焦ITU建议的小小区和移动热点无线回传场景，在24-300 GHz毫米波频段，利用测量、仿真和机器学习等手段，研究电波传播特性，揭示传播机理及规律，建立多径表征；构建涵盖多径真值的信道数据库，研究多径的识别与追踪，提出射线跟踪参数和场景模型的校正方法，建立多径与环境的映射。在构建准确的射线跟踪模型和仿真平台的同时，解决毫米波信道建模的共性难题，为毫米波宽带移动通信系统的设计与评估提供必需的信道信息和理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。

根据项目计划书，项目组聚焦ITU建议的小小区和移动热点无线回传场景，在24-300GHz毫米波频段，以测量、射线跟踪仿真、机器学习为主要研究手段，以模型驱动与数据驱动相融合为特色，按计划完成了“毫米波电波传播测量、特性表征与建模”、“毫米波宽带信道多径识别与追踪”、“射线跟踪传播参数与场景模型的校正”三个研究内容，高质量地完成了项目目标、达到了预期成果。.项目组测量并构建了二十余种典型材料在24-300GHz频段的材料电磁参数库；创新性地搭建了多源融合的移动信道测量系统，在目标场景开展实测，获取了大量的时延功率谱、角度功率谱，分析了典型目标对毫米波传播的影响，对主要多径与结构体进行关联，解决毫米波信道研究的关键共性问题。项目组建立了高精度的射线跟踪模型架构，提出了混合信道建模方法，形成了射线跟踪与传播图论融合、射线跟踪与随机簇融合的混合信道建模理论，在保证准确率的同时，提升了模型的灵活性。.在自然科学基金资助下，项目组在国内外高水平期刊上发表论文13篇（其中SCI期刊论文9篇），发表EI检索会议论文14篇，申请相关发明专利7项；参加高水平国际学术会议10次，于2022年7月成功申报EUCAP2023分会主办权，与领域国际知名学者合作完成专著书章3篇，联合企业形成了多个提案并提交至IMT-2030、COST等知名组织；项目组构建了毫米波材料电磁参数库1份、电波孪生平台1套，目前已在CloudRT网站中面向全球学者开放共享；研究成果获得电波科学学报优秀论文、ICEICT最佳会议论文奖；负责人指导研究生参加2022年研究生电子设计竞赛，并获得全国总决赛一等奖和优秀指导教师荣誉。研究成果被应用到中铁设、国铁集团和中移动设计院等行业重点企业的生产经营活动中，得到了良好的评价，完成1项技术转让。综上所述，项目组在构建准确的射线跟踪模型和仿真平台的同时，解决了毫米波信道建模的共性难题，为毫米波宽带移动通信系统的设计与评估提供了必需的信道信息和理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。