王承祥, 吕振, 黄晨, 徐凡, 王俊, 黄杰, 尤肖虎：东南大学，紫金山实验室
东南大学、紫金山实验室王承祥教授团队基于普适信道建模理论和6G普适信道模型(6G pervasive channel model, 6GPCM)[1,2], 再次提出面向标准化的增强版6GPCM (6GPCM+)。所提6GPCM+突破了声波和电磁波（包含光波）的统一信道建模难题, 实现了6G全频段全场景跨介质普适信道建模, 是业界支持频段和场景最多、信道特性最全的信道模型, 为6G信道模型标准化和空天地海一体化网络的共性理论技术研究与系统融合构建奠定坚实基础。该成果被《中国科学:信息科学》和SCIENCE CHINA Information Sciences接受发表[3,4]。自主研发的东南大学-紫金山实验室-6G普适信道仿真器软件v3.0于2025年1月10日面向行业免费试用, 软件页面访问量28000+, 申请使用量2200+, 覆盖400+所高校、公司和研究所。6G空天地海全域覆盖系统融合构建、共性理论技术研究、多场景移动通信等需要构建融合全频段全场景信道特性的6G标准化信道模型。然而, 现有5G或面向6G的信道模型仅针对特定频段特定场景或有限频段和场景, 难以完整描述6G全频段全场景信道特性。为弥补5G与6G标准化信道模型之间的差距, 本文基于普适信道建模理论和6G普适信道模型(6GPCM), 首次提出了面向标准化的增强的6GPCM (6GPCM+), 并开发了相应的6G普适信道仿真器软件. (1) 提出了面向6G标准化的6GPCM+，适用于6G全频段 (从短波到光无线）, 全覆盖场景 (卫星、无人机、海洋、水下水声、地下空间等)和全应用场景(通感一体化、智能超表面、工业物联网、车联网 、高铁、超大规模MIMO、跨频段等), 并通过与信道实测结果的对比，验证了其在不同频段/场景下的准确性和普适性； (2) 所提6GPCM+对6GPCM进行了扩展和优化, 增加支持短波和全部光无线频段, 高/中轨卫星、海洋超视距、浅海域水下水声、地下空间、ISAC、更准确的IIoT和跨频段等场景的信道建模, 并进一步支持6G全频段全场景普适大尺度衰落信道建模。(3) 所提6GPCM+基于3GPP TR 38.901信道模型进行扩展, 增加支持面向6G标准化的厘米波和ISAC信道模型, 可将3GPP/ITU 2G-5G标准化信道模型作为特例兼容，可作为6G标准化的候选信道模型。 浅海域中声波传播机理与无线电信道类似, 声波向前传播时与海面和海底发生碰撞造成散射, 导致多径效应。考虑水声信道中分布在海面和海底上下边界的散射体, 其中上边界 (海面散射体) 会有随波而动的特性, 使用Pierson-Moskowitz谱建模海面的波动。根据簇的位置分布, 将水声信道的NLoS分量分为首跳和末跳簇都分布在海面上的多径分量、首跳和末跳簇都分布在海底的多径分量、首跳簇分布在海面上而末跳簇分布海底的多径分量和首跳簇分布在海底而末跳簇分布在海面上的多径分量四部分。根据水声信道的实际测量结果, 将多径功率与时延的关系建模为负指数关系。同时, 由于海底和海面的散射损耗并不相同, 多径分量的功率需根据簇的位置进行调整, 其系数值使用 Bellhop仿真得到。此外, 由于缺乏相应的测量数据, 模型中多径的时延、角度等所服从的分布均使用Bellhop软件仿真得到。3GPP ISAC标准化信道模型需面向无人机、人体、车辆等典型感知目标，在0.5–52.6 GHz及更高频段内构建统一的建模框架，以支撑后续的目标定位与追踪等应用场景。ISAC信道模型应包含单站和双站感知模式，重点解决目标RCS特性、空间一致性及环境杂波建模等关键问题。本模型对感知和通信信道分别建模, 通信信道与普通的地面通信场景建模方法相同, 感知信道分为目标(Target)和环境(Background) 信道。ISAC 场景中, 通信信道接收端表示为CRx, 感知信道接收端表示为SRx。 目标信道由Tx-目标、目标反射RCS 、目标-SRx三部分组成。环境信道分为前向散射和后向散射两部分, 并以径数量占据总径数的比例加权求和构成。针对Tx-目标和目标-SRx分量, 可将目标视为接收端和发射端分别生成, 再考虑RCS的影响。根据收发机位置，感知信道分为单站感知(Monostatic, Tx 与 SRx 共址)和双站(Bistatic, Tx 与 SRx 分离)感知, 如图2(a) 所示。单站感知信道中的目标信道中Tx-目标-SRx 链路分为LoS-LoS和NLoS-NLoS两类; 双站感知信道中的目标信道即 Tx-目标-SRx 链路分为LoS-LoS, LoS-NLoS, NLoS-LoS和NLoS-NLoS四类。目标信道与环境信道存在共享簇, 感知与通信信道亦存在共享簇, 如图2中(a)和(b)所示。本模型中提取目标信道高功率簇作为共享簇, 环境信道包含特定簇和共享簇; 而感知与通信信道的共享簇复用角度参数。图2. ISAC 系统和对应的信道模型. (a) ISAC系统示意图；(b) ISAC信道模型3GPP将厘米波频段定义为FR3，针对FR3频段展开了一系列标准化建模研究。传统模型中将簇的功率均分给每条子径的建模方式不合理，应当考虑不等功率分配，更加准确的建模角度功率谱；UE侧附近可能存在行人和车辆等障碍物，这些障碍物造成的阻挡(衍射)损耗在厘米波频段不可忽略，因此需要在标准化模型需要引入阻挡体建模。此外，3GPP还对厘米波频段天线孔径达成一致，认为UMa场景最大支持5k天线单元的单极化天线阵列，在UMi场景最大支持2.22k天线单元的单极化天线阵列。如此大的天线阵列引入了明显的球面波特性，并且需要考虑天线阵列域的非平稳特性。本模型基于劈尖衍射模型计算障碍物造成的阻挡损耗，并且考虑了球面波前与簇在阵列域的生灭，支持超大规模天线阵列厘米波信道仿真。引入电磁响应矩阵描述RIS电磁特性, 其维度由散射体数量与天线规模共同决定, 能够精准区分不同空间方向散射体的动态响应特征, 有效刻画RIS反射特性对信道的影响。采用 6GPCM+ 统一框架生成级联子信道簇结构, 针对 Tx-RIS 和 RIS-Rx 级联信道分别建模. 如图3所示，模型建立了包含4种传播条件(LoS-LoS/LoS-NLoS/NLoS-LoS/NLoS-NLoS)的小尺度衰落模型, 并采用分块矩阵理论推导出四类传播信道的 CIR。针对大尺度衰落, 提出与收发端高度相关的路径损耗模型, 通过三维空间一致性框架同时描述高度与水平维度的传播特性变化。信道测量发现不同频段观察到的多径不完全相同, 部分非公共簇仅在特定频段出现, 在其他频段消失。然而3GPP TR 38.901和QuaDRiGa跨频段信道模型认为不同频段多径的时延和角度完全相同, 这与实测结果不符。为此，本模型考虑不同频段簇内时延扩展和角度扩展的差异, 不同频段生成的多径角度和时延不完全相同。 并且考虑了簇内子径的功率差异, 子径的功率与子径相对于簇中心的时延和角度偏移相关。模型首先分别生成每个频段信道中簇的初始时延、角度和频段相关的簇的功率值，不同频段的功率具有相关性。然后根据时延扩展和角度扩展对簇的初始时延和角度进行修正, 并通过偏移量计算簇内多径的时延、角度和功率值等，进而组合成CIR。此外, 引入频域簇在不同频段的生灭过程, 通过频率依赖的簇存活概率刻画不同频段簇的差异。本文对6GPCM+在各个频段和场景本文对6GPCM+在各个频段和场景的仿真(Simulation)结果和信道测量(Measurement)结果进行了对比分析, 若6GPCM+的信道统计特性仿真结果与信道测量结果拟合良好，则可以验证所提模型的准确性。图4是浅海域恒声速水下水声通信场景下，中长距离水声信道的 TACF 的仿真结果与测量数据对比图；图5是厘米波频段感知信道角度扩展仿真与测量数据对比图；图6是Sub-6 GHz RIS 场景信道容量仿真与测量数据对比图；图7是跨频段信道模型时延功率谱密度的相似度仿真与测量数据对比图。信道统计特性仿真结果与信道测量结果拟合良好，可以证明模型在各频段和场景的准确定。图4. 水下水声信道时间自相关函数仿真与测量数据对比图图5. 厘米波频段感知信道角度扩展仿真与测量数据对比图图6. Sub-6 GHz RIS 场景信道容量仿真与测量数据对比图图7. 跨频段信道模型时延功率谱密度相似度仿真与测量数据对比图
[1] C. -X. Wang, Z. Lv, X. Gao, X. You, Y. Hao and H. Haas. Pervasive wireless channel modeling theory and applications to 6G GBSMs for all frequency bands and all scenarios. IEEE Trans. Veh Technol, vol. 71, no. 9, pp. 9159-9173, Sept. 2022 [2] C. -X. Wang, Z. Lv, Y. Chen and H. Haas. A complete study of space-time-frequency statistical properties of the 6G pervasive channel model. IEEE Trans. Commun, vol. 71, no. 12, pp. 7273-7287, Dec. 2023 [1] 王承祥, 吕振, 黄晨, 徐凡, 王俊, 黄杰, 尤肖虎. 面向标准化的6G全频段全场景普适信道模型. 中国科学: 信息科学, 2025, doi: 10.1360/SSI-2025-0029 [2] Wang C X, Lv Z, Huang C, et al. An enhanced 6G pervasive channel model towards standardization. Sci China Inf Sci, 2025, 68(6): 162301 
|
