第六代移动通信技术（6G）将在第五代移动通信技术（5G）的基础上继续深化移动互联，不断扩展万物互联的边界和范围，提供全球覆盖，最终实现万物互联。6G 将在 5G 的基础上从陆地移动通信网路扩展至空天地海一体化通信网络，包括卫星通信网络、无人机通信网络、陆地超密集网络、地下通信网络、海洋通信网络等。为了满足超高传输速率和超高连接密度的应用需求，包括毫米波、太赫兹在内的全频谱和信号高效传输新方法将被充分探索和挖掘。为了满足人与人、物与人、物与物的角度出发，未来 6G 将带来超能交通、智能交互、通感互联网、全息无线电等全新的应用场景。因此，为了支持 6G 更为多元的应用、更加精致的技术需求，为了 6G 更为有效的设计、部署和评估，准确的信道信息变得至关重要。
面向 6G 的高性能射线跟踪仿真技术
作为确定性信道建模方法的代表，射线跟踪（Ray-tracing, RT）于上世纪 90年代开始用于无线通信的研究。它能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径，包括直射、反射、绕射、透射等，并能考虑到影响电波传播的各种因素，从而针对不同具体场景做准确的预测。但它受限于计算复杂度和计算能力，应用复杂度较高。近年来，射线跟踪技术在 5G 已得到越来越多的关注和认可，在愈发精细化、智能化的 6G 也将得到进一步的应用，其深层原因有三: ①为 6G 提供大带宽的太赫兹电磁波，其传播特性更接近于光（射线），因此以光学为理论基础的射线跟踪与太赫兹的物理本质更加自洽。②一方面太赫兹对传播环境和移动性高度敏感，而波束赋形等太赫兹大规模多天线甚至是超大规模多天线技术对信道空间分辨率的要求又极高；另一方面，太赫兹动态信道测量难度巨大，昂贵复杂。这使得仅仅依靠测量，在太赫兹频段已无法获得全面且精细的信道空、时、频信息。射线跟踪则不存在此类限制，利用被测量验证的射线跟踪器，可以充分探索信道多径的时延和角度特征。③随着空间搜索算法、硬件设备和高性能计算的发展，大型复杂动态场景、大量采样点的高效射线跟踪仿真已成为可能。因此，在数据驱动的时代，利用准确、高效的射线跟踪仿真，可以突破测量的局限，获得更多维度的信道特性。
其系统架构如图 2-1 所示，该平台由 96 个计算节点组成，共有 1600 个 CPU 核心、10 个 NVIDIA Tesla GPU 核心、1 个管理节点和1 个网络服务器；射线跟踪引擎被部署于计算节点上从而实现并行计算处理。
CloUDRT 由数据存储服务器、高性能计算服务器以及用户终端组成，它们全部通过网络连接，以进行数据与命令传输，该平台由 5 层组成，如图 2-2 所示。
面向 6G 应用场景与关键技术的射线跟踪信道仿真
本项目团队研发的高精度高效率的信道仿真技术（CloudRT 平台）现已成功在多种应用场景中得到应用，并得到学术界和工业界的共同认可，也将在面向下一代无线通信应用场景中发挥广泛的作用。
（1）在信道建模以及推进国际标准化工作上，提供信道数据支撑基于数字地图的混合信道模型的研发，与实测结果相结合提出 6G 通信标准信道模型。如和日本 NICT、NTT DoCoMo 联合完成了 300 GHz 频段的下载站场景信道建模，被 IEEE 802.3d-2017 采纳，成为首个面向 6G 的太赫兹通信标准信道模型。
（2）在实际通信系统链路级和系统级仿真方面，提供准确的信道模型，为实际通信系统的设计与优化提供信道基础信息。图 2-3 为 CloudRT 支持了韩国电子通信研究院（ETRI）在 25 GHz 频段实现的增强移动热点网络（MHN-E）链路级软件演示。如图 2-4 所示，在平昌冬奥会上，CloudRT 支持的 MHN-E 原型机成功在 60 公里时速下实现了 5 Gbps 车地传输速率。如图 2-5 所示，CloudRT 为太赫兹智慧铁路、无人机通信、工业物联网、车联网、空天车地组网等 5G 及 6G的前沿研究提供着高精度的信道信息。
（3）高性能射线跟踪平台 CloudRT 可突破算力瓶颈，为全息无线电通信系统设计与评估提供理论依据。智能全息无线电技术是 6G 候选热点技术之一，利用电流片（Current Sheet）的超宽带紧耦合天线阵列（Tightly Coupled Array, TCA），实现连续孔径的天线阵接收和测量信号波连续的波前相位。从信道建模的角度而言，只要能对 TCA 的每一个天线振子对应的多径信道进行准确地表征，将每一个天线振子对应的信道冲激响应（Channel Impulse Response, CIR）进行联合处理，即可得到全息无线电链路的整体信道。然而，由于要实现连续孔径有源天线阵列，TCA 的天线振子数目巨大，而且需要考虑天线振子之间的互耦效应，这使得计算复杂度面临计算效率的瓶颈。利用 CloudRT 平台，则可以有效突破算力瓶颈，准确表征 TCA 接收信号的连续相位变化，生成准确的全息无线电信道信息。
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发表于 2020-9-24 13:51
