面向6G标准化的统一信道建模新特性与扩展几何随机模型研究

《IEEE Vehicular Technology Magazine》：New Characteristics and Modeling of 6G Channels: Toward a Unified Channel Model for Standardization

本文针对6G通信系统对信道建模提出的新需求，研究了集成感知与通信（ISAC）、超大规模多输入多输出（XL-MIMO）、可重构智能表面（RIS）及新频段通信等关键技术引入的信道新特性，并提出了一种基于扩展几何随机模型（E-GBSM）的统一信道建模框架。该模型不仅灵活支持6G多技术评估与宽频带通信，还保持了与5G标准的向后兼容性，为6G系统设计与性能评估提供了标准化基础，有力支撑了6G标准化进程。

　　

随着第六代移动通信系统（6G）研究的不断深入，其愿景是重新定义连接性，提供更高的数据速率、超低时延和无处不在的覆盖。为了实现这些目标，一系列新兴技术应运而生，例如集成感知与通信（ISAC）、超大规模多输入多输出（XL-MIMO）、可重构智能表面（RIS）以及新频段（如新中频、100 GHz以上）的应用。然而，这些技术的引入也带来了前所未有的挑战，特别是对无线信道建模提出了更高要求。信道模型是通信系统设计、性能评估和标准化的基石。现有的5G标准信道模型基于几何随机模型（GBSM），虽然成功支撑了5G关键技术，但已无法直接满足6G在场景、技术和频段方面的扩展需求。例如，ISAC系统需要建模感知目标特性，XL-MIMO引入了空间非平稳性（SnS）和近场效应，RIS通信涉及多段级联信道，而新频段则表现出显著的信道稀疏性。如果为每种技术单独开发模型，将导致标准碎片化，阻碍统一的性能评估和标准化进程。因此，亟需一个能够兼容并蓄这些新特性的统一信道建模框架。

为了解决上述挑战，研究人员开展了一项主题为“6G信道的新特性与建模：迈向标准化的统一信道模型”的研究。该研究首先深入分析了6G关键技术引入的独特信道特性，随后提出了一个基于扩展几何随机模型（E-GBSM）的统一建模框架。该框架旨在灵活容纳ISAC、XL-MIMO、RIS和新频段通信的特性，同时确保与现有5G标准的向后兼容性。研究还详细阐述了该模型的实现过程，并通过实验和仿真验证了其有效性和准确性，为6G信道建模的标准化工作提供了重要支持。这项研究成果发表在《IEEE Vehicular Technology Magazine》上。

为开展此项研究，作者团队主要采用了基于测量数据的参数化建模与扩展框架集成的方法。关键技术方法包括：1）基于广泛信道测量活动，提取并更新了新频段（如新中频、太赫兹）及新场景下的大尺度参数（如角度扩展、时延扩展）和小尺度参数（如簇数量、路径功率）；2）在扩展几何随机模型（E-GBSM）框架内，引入了针对6G新特性的关键参数，如共享散射体数量（N_s）以刻画ISAC信道关联、空间非平稳性矩阵（S）和近场相位项（A）以描述XL-MIMO效应、以及基于查找表更新的频率依赖性簇数量（N₁）和簇内K因子（ICK）以表征新频段稀疏性；3）采用了卷积运算结合目标雷达散射截面（RCS）或RIS辐射模式（F^Tar）的方法来建模ISAC和RIS系统中的级联信道；4）开发了名为BUPTCMCC-MG-IMT2023的信道仿真平台，用于验证所提模型的性能。

新6G技术的信道特性

研究首先系统梳理了6G关键技术带来的信道新特性，为后续建模奠定了基础。

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  ISAC的信道特性：ISAC信道强调感知目标的行为和特性。研究重点关注三个方面：1）感知目标的雷达散射截面（RCS）属性，例如小型自主飞行器（AAV）和人体表现出较弱的角度依赖性，而车辆则显示出与其侧面相对应的峰值；2）目标信道及其子信道（发射端-目标和目标-接收端）的建模，大尺度路径损耗通过子信道损耗（以dB为单位）求和计算，小尺度多径传播采用基于卷积的模型；3）感知目标信道与通信信道之间的相关性，主要由共享散射体引起，它们在两个信道中表现出相似的传播特性（如角度、时延）。
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  新天线技术的信道特性：针对XL-MIMO和RIS进行了分析。
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    XL-MIMO：其大孔径阵列导致用户常处于近场区域，信号呈现球面波特性，相位变化非线性，幅度存在差异，打破了远场平面波假设。同时，阵列不同区域经历不同的多径条件，产生空间非平稳性（SnS），表现为多径可见性和功率的变异。
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    RIS：其信道通常是被动中继下的三级联信道（发射端-RIS-接收端）。大尺度路径损耗与两个子信道距离的乘积成比例。小尺度上，级联信道可建模为两个子信道的卷积，若发射端-RIS信道有M条路径，RIS-接收端信道有N条路径，则级联信道将有M×N条路径。RIS对信号的控制可通过等效辐射模式来表征，模型可分为基于辐射模式数学拟合和基于电磁理论两类。
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  新频段的信道特性：研究聚焦于新中频和100 GHz以上频段。随着载波频率升高、波长变短，信号绕射能力减弱，更依赖视距（LOS）传播和有限的反射路径，导致环境中的可分辨簇数量减少。同时，较小的波长放大了物体表面不规则性的相对尺度，导致散射分量在角度上更分散且功率更低，簇内功率集中于少数主导路径，表现出信道稀疏性。研究采用基尼指数（Gini Index）来量化稀疏性，测量结果表明基尼指数随频率增加而增大，证实了高频段信道更稀疏。

面向标准化的统一信道建模框架

基于上述特性分析，研究提出了一个面向3GPP标准化的统一信道建模框架。该框架基于扩展几何随机模型（E-GBSM），在兼容现有5G模型的基础上，通过引入关键扩展参数来支持6G技术。

该模型的核心公式描述了发射端到中间节点（ISAC目标或RIS面板）以及中间节点到接收端的信道冲击响应（CIR）。图中红色框内的术语代表对5G GBSM模型的扩展，分别对应：

1. 1.
   N₁（频率依赖性簇数量）：根据新中频至太赫兹频段的测量结果更新查找表，调整簇数量，以反映高频段的稀疏性。
2. 2.
   N_s（共享簇数量）：用于刻画ISAC中通信与感知信道的共享散射体，这些散射体在生成过程中保持时延、角度等多径分量（MPCs）的相似性。
3. 3.
   S（空间非平稳性参数）：基于WINNER模型中的可见区域概念，通过马尔可夫过程描述簇对特定天线阵元的可见性和功率变化，以模拟XL-MIMO的SnS效应。
4. 4.
   A（近场相位项参数）：捕获近场球面波与远场平面波 across the array 的相位差异，对于非视距（NLOS）分量需考虑中间散射物体。
5. 5.
   ICK（簇内K因子）：频率依赖性参数，表示簇内主导路径与其他路径的功率比，用于在簇内重新分配功率以模拟稀疏信道。
   对于ISAC和RIS系统中的级联信道，模型采用卷积运算（图中*号表示）来合成发射端-目标（或RIS）-接收端的CIR。参数F^Tar代表目标的RCS平方根或RIS的等效辐射模式，其具体参数化形式在3GPP关于ISAC的讨论中已达成共识。CPM^Tar则描述了目标与入射信号之间的极化相互作用。

统一信道模型的实现

研究详细说明了所提统一信道模型在链路级仿真中的实现过程，该过程基于并扩展了3GPP定义的5G标准信道模型实现流程。

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  ISAC信道的演进：在步骤1中需配置感知目标的位置、RCS和速度。步骤2生成通信和感知信道的MPCs时，指定一部分（N_s）簇为共享簇以保持相关性。步骤3在计算CIR前对发射端-目标和目标-接收端子信道中的过多多径簇进行剪枝，以降低卷积运算的O(N²)复杂度。步骤4最终合成CIR。
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  XL-MIMO信道的演进：增加了两个新步骤：生成SnS矩阵（参数S）和生成近场相位项（参数A）。考虑到测量显示近场效应引起的功率变化很小，模型仅引入相位变化。
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  RIS信道的演进：其生成方法与ISAC目标信道类似。步骤1配置RIS特定参数。步骤2独立生成发射端-RIS和RIS-接收端子信道的MPCs。步骤3同样进行多径簇剪枝以降低计算开销，随后使用基于物理光学的方法计算RIS辐射模式。
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  新频段信道的演进：主要基于测量数据更新参数。步骤1配置场景参数，更新新中频和毫米波频段的参数查找表，并增加太赫兹频段条目。步骤3引入ICK进行簇内功率重分配，增强最强路径的主导地位，从而引入稀疏性。

统一信道模型的仿真

基于提出的模型实现，研究团队开发了信道仿真平台BUPTCMCC-MG-IMT2023，并展示了仿真结果以验证模型的有效性。

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  ISAC目标RCS建模：仿真中包含了一个小型AAV，其单站感知设置下的RCS在水平面假设为各向同性，并用高斯分布N(μ, σ²)建模。不同频率下的累积分布函数（CDF）结果验证了RCS建模的有效性。
  
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  XL-MIMO信道空间非平稳性：在室内热点（InH）场景下，比较了原始3GPP框架和所提统一模型框架下的XL-MIMO阵列信道相关系数。统一模型通过引入SnS，使得信道相关系数随阵元距离增加而快速下降，与射线追踪（RT）仿真结果吻合良好，而传统3GPP模型则无法体现这种变化。
  
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  RIS配置对信道性能的影响：仿真了在统一模型框架下，不同RIS配置（镜面反射、1比特相位偏移、连续相位偏移）对级联发射端-RIS-接收端信道接收信噪比（SNR）的影响。结果显示，对于1比特和连续相位偏移配置，接收SNR随RIS单元数增加而提高，且连续相位偏移性能更优；镜面反射配置则因相位失配导致接收功率波动。这表明仿真框架能有效捕捉RIS对信道性能的影响。
  
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  新频段信道稀疏性：仿真比较了6 GHz和13 GHz频段的基尼系数。结果表明，统一信道模型得到的基尼系数更接近测量数据，能更好地捕捉稀疏特性，并且统一模型也显示出信道稀疏性随频率升高而增加的趋势，与测量结果一致。
  

研究结论与意义

本研究深入探讨了6G信道特性与建模的最新进展，从标准化视角强调了面临的挑战和需求。为解决ISAC、XL-MIMO、RIS及新频段通信等6G独特技术对信道建模提出的要求，研究提出了一个统一的信道模型。该模型成功整合了ISAC中的RCS与共享散射、XL-MIMO中的SnS与近场效应、RIS中的级联链路与辐射模式以及新频段信道中的稀疏性等关键特征。此外，该模型支持多技术评估、宽频带通信，并与现有框架保持兼容，同时充分利用了基于测量数据的参数。这项研究的意义在于，通过提供一个全面且标准化的框架，为6G系统的开发与评估铺平了道路，有望加速6G标准化进程和未来无线通信技术的演进。该模型基于可扩展的GBSM框架，通过最小化修改实现了对6G新特性的支持，确保了技术演进的平滑性，并为未来可能的进一步扩展留下了空间。