毫米波移动信道射线追踪仿真与建模研究
毫米波通信具有丰富的频谱资源，是支持第5代（The5thGeneration，5G）和超5代（Beyond5G，B5G）移动通信系统中高速率、低时延、超可靠传输的关键技术。与6GHz以下通信频段相比，毫米波信道自由空间损耗高、遮挡衰减严重，具有确定性，而且在移动通信场景中具有很强的空间一致性。这些特性对毫米波移动信道建模提出了更高的要求，带来了更多的挑战。虽然开展信道测量可以获取信道的传输特性，但是毫米波信道测量设备昂贵，部署过程复杂，且无法对复杂多变的移动场景进行完整的测量。而射线追踪（RayTracing，RT）是基于电波传播原理的物理仿真模型，可仿真信道的空、时、频、极化等特性，已成为突破信道测量限制的重要仿真技术。目前，射线追踪已被第三代合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）和国际电信联盟（InternationalTelecommunicationUnion，ITU）标准组织采纳。然而，射线追踪计算复杂，仿真时间长，如何提高复杂移动场景的仿真效率是目前亟待解决的问题。 本文以毫米波移动信道建模需求为导向，构建了基于空间分割理论和图形处理器（GraphicsProcessingUnit，GPU）并行计算技术的高效射线追踪仿真平台，并且利用信道测量数据和遗传算法校正了传播模型中的材质参数。基于高效、精准的射线追踪仿真器对车对基础设施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）和火车对基础设施（Train-to-Infrastructure，T2I）通信场景开展了精细、全面的三维电波传播仿真，并分析了显著散射体对信道的影响、提取了信道中关键参数的演进特性。最后，采用半确定性建模方法对V2I场景建立了具有空间一致性、符合信道参数演进规律的移动信道模型。本文的主要创新性工作如下： 1.为解决射线追踪仿真效率问题，本文针对移动通信场景提出了基于哈希表的动态均匀网格空间分割算法，提升了加速结构的构建效率和射线相交检测速度，使得含有大规模移动物体的精细化电波传播仿真成为可能。此外，本文还基于GPU实时光线追踪技术，设计了符合计算机图形渲染管线的电波传播仿真方法，实测复杂场景中射线相交检测能力是CPU的1000倍，进一步提高了射线追踪模型的仿真效率。 2.为研究毫米波V2I移动信道特性，本文采用遗传算法并结合毫米波信道测量数据对射线追踪模型进行了校正。随后，根据3GPPTR37.885中的移动车辆模型在城市道路环境中部署了不同车速的移动车辆并开展了三维射线追踪仿真。对信道中的遮挡概率、功率时延谱、路径损耗、时延扩展与角度扩展等信道特性进行了全面的分析与建模。这些研究揭示了散射体对信道的影响和信道参数的变化规律，为建立空间一致性的移动信道模型提供了基础。 3.为研究毫米波T2I移动信道特性，本文利用经过校正的射线追踪模型对郊区轨道交通场景的多种部署情况进行了全面的仿真，并且提取了信道的空-时-频多维统计特征。随后，研究了各个信道参数的演进特性，采用连续函数或分段函数对均方根时延扩展、莱斯K因子、角度扩展建立了演进模型。此外，还研究了信道参数的去相关距离并揭示了主要多径数目的变化规律与原因。这些完备的信道参数可直接用于3GPP随机信道模型。 4.为研究毫米波移动信道的空间一致性建模方法，本文采用校正后的射线追踪模型对V2I场景进行了更加密集的仿真，提取出了不同车速和收发机高度配置情况下的概率直射模型。采用简化的几何模型对通信场景进行建模，并且根据几何特征建立了确定性反射模型；采用随机反射模型对无法通过几何描述的反射径建模，建立了与传播距离和反射次数相关的反射路径损耗模型，并且分析了反射径数目和角度扩展的演进特性。本文提出了与几何相关的确定性反射和散射模型，同时引入了具有随机性的反射模型和概率遮挡模型，建立了更加精细的空间一致性信道模型。
毫米波;电波传播;射线追踪;移动信道建模
北京交通大学
博士
通信与信息系统
艾渤
2022
中文
TN814.6
2023-01-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）