如何導(dǎo)出課題申報書一、封面內(nèi)容

項目名稱：面向下一代通信系統(tǒng)的超大規(guī)模MIMO信道建模與信號處理技術(shù)研究

申請人姓名及聯(lián)系方式：張明，zhangming@

所屬單位：國家通信技術(shù)研究院電磁場與微波研究所

申報日期：2023年10月26日

項目類別：應(yīng)用基礎(chǔ)研究

二．項目摘要

本項目聚焦于超大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)在下一代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用挑戰(zhàn)，旨在構(gòu)建高精度信道模型并研發(fā)高效信號處理算法。隨著5G向6G演進，超大規(guī)模MIMO因其巨大天線數(shù)量帶來的空間復(fù)用和波束賦形能力成為關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，但其信道建模復(fù)雜度高、信號處理計算量大等問題亟待解決。項目將基于物理層建模方法，結(jié)合電磁波傳播理論和陣列信號處理技術(shù)，提出一種基于稀疏表示的非視距（NLOS）信道建?？蚣?，通過機器學(xué)習(xí)優(yōu)化信道參數(shù)估計精度。同時，針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的硬件限制，設(shè)計基于稀疏化訓(xùn)練的低復(fù)雜度波束賦形算法，結(jié)合深度學(xué)習(xí)實現(xiàn)動態(tài)信道補償。預(yù)期成果包括一套包含路徑損耗、角度擴展和快時變特性的高保真信道模型，以及能在端到端框架下實現(xiàn)99%以上波束指向精度的信號處理原型。研究成果將支撐6G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真，并為毫米波通信等場景提供理論依據(jù)，具有顯著的技術(shù)前瞻性和工程應(yīng)用價值。

三.項目背景與研究意義

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級增長，對通信網(wǎng)絡(luò)容量和速率提出了前所未有的挑戰(zhàn)。第五代移動通信技術(shù)（5G）通過引入大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，顯著提升了頻譜效率和用戶體驗，但其性能潛力尚未完全釋放。進入第六代移動通信（6G）時代，超大規(guī)模MIMO（UL-MIMO）成為關(guān)鍵技術(shù)之一，理論研究表明，天線數(shù)量的線性增長可實現(xiàn)性能的指數(shù)級提升。然而，UL-MIMO在實際部署中面臨諸多技術(shù)難題，其中信道建模與信號處理的復(fù)雜性成為制約其應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸?，F(xiàn)有信道模型往往無法準(zhǔn)確刻畫UL-MIMO系統(tǒng)的高維度空間相關(guān)性，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計缺乏理論依據(jù)；同時，傳統(tǒng)信號處理算法在處理海量天線數(shù)據(jù)時計算復(fù)雜度過高，難以滿足實時性要求。

當(dāng)前，UL-MIMO信道建模主要存在三方面問題。首先，傳統(tǒng)基于路徑損耗和角度擴展的簡化模型無法反映大規(guī)模天線陣列帶來的精細空間分辨能力。在超高頻段（如毫米波），信號傳播路徑更加復(fù)雜，多次反射和散射導(dǎo)致信道狀態(tài)信息（CSI）呈現(xiàn)高度非視距（NLOS）特性，現(xiàn)有模型在預(yù)測NLOS信道衰落分布和角度分布時誤差較大。其次，UL-MIMO系統(tǒng)中的信道時變性更為顯著，用戶移動和建筑物動態(tài)反射導(dǎo)致信道矩陣快速變化，而現(xiàn)有時變模型多基于小規(guī)模MIMO簡化假設(shè)，難以準(zhǔn)確描述大規(guī)模陣列的統(tǒng)計特性。例如，在典型的城市微基站場景中，100個天線單元的UL-MIMO系統(tǒng)其信道矩陣條件數(shù)可高達10^6量級，導(dǎo)致基于傳統(tǒng)模型的自適應(yīng)波束賦形算法性能急劇下降。最后，硬件限制下的實際UL-MIMO系統(tǒng)往往存在天線部署不均勻、部分天線失效等問題，而現(xiàn)有信道模型大多假設(shè)理想均勻陣列，對非理想部署場景的適用性不足。

針對上述問題，開展UL-MIMO信道建模與信號處理技術(shù)研究具有迫切的必要性。從學(xué)術(shù)價值來看，本項目將推動通信信號處理理論與電磁場理論的交叉融合，通過引入稀疏表示、深度學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，突破傳統(tǒng)信道建?？蚣艿木窒?。具體而言，基于物理層建模方法，結(jié)合陣列信號處理中的協(xié)方差矩陣分解技術(shù)，有望揭示大規(guī)模天線陣列與復(fù)雜電磁環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系，為構(gòu)建高精度信道統(tǒng)計模型提供新的理論視角。從工程應(yīng)用角度，本項目研究成果將直接支撐6G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真，為基站天線配置、波束賦形策略等提供量化分析工具。例如，通過精確的信道模型，運營商可以更準(zhǔn)確地預(yù)測UL-MIMO系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署成本。此外，高效信號處理算法的開發(fā)將降低終端設(shè)備的功耗和計算負擔(dān)，提升用戶體驗。特別是在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等對實時性要求極高的場景，本項目成果有望實現(xiàn)亞毫秒級的波束切換，滿足低延遲通信需求。

本項目的社會價值體現(xiàn)在多個層面。首先，通過提升通信網(wǎng)絡(luò)容量和速率，能夠支持高清視頻、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等新興業(yè)務(wù)的發(fā)展，滿足人民群眾日益增長的信息需求。其次，項目成果將推動智慧城市、遠程醫(yī)療、自動駕駛等領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，例如，在智慧城市中，UL-MIMO系統(tǒng)的高容量特性可以為智能交通管理、環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。在遠程醫(yī)療領(lǐng)域，高效波束賦形算法可以實現(xiàn)清晰、實時的遠程手術(shù)指導(dǎo)，提升醫(yī)療服務(wù)可及性。此外，項目研發(fā)的低復(fù)雜度信號處理技術(shù)有助于降低通信設(shè)備制造成本，促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。從學(xué)術(shù)價值看，本項目將培養(yǎng)一批掌握UL-MIMO前沿技術(shù)的復(fù)合型人才，為我國在下一代通信領(lǐng)域的國際競爭中提供智力支持。通過建立一套完整的UL-MIMO信道建模與信號處理理論體系，有望在學(xué)術(shù)上取得突破，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，并可能催生新的技術(shù)方向和應(yīng)用場景。

從經(jīng)濟價值角度，本項目具有顯著的產(chǎn)業(yè)帶動效應(yīng)。一方面，研究成果可直接應(yīng)用于通信設(shè)備制造企業(yè)，為其研發(fā)下一代基站和終端設(shè)備提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。例如，高精度信道模型可以指導(dǎo)天線設(shè)計，降低天線單元數(shù)量，從而降低設(shè)備成本；高效信號處理算法可以集成到芯片設(shè)計中，提升設(shè)備性能。另一方面，項目成果將促進通信標(biāo)準(zhǔn)化進程，推動我國在6G國際標(biāo)準(zhǔn)制定中發(fā)揮更大作用。通過掌握核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)，可以有效避免在下一代通信技術(shù)競爭中受制于人。此外，項目研發(fā)的技術(shù)溢出效應(yīng)將帶動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，例如，基于深度學(xué)習(xí)的信道估計技術(shù)可以應(yīng)用于雷達系統(tǒng)，提升目標(biāo)探測能力；低復(fù)雜度信號處理算法可以推廣到其他領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)信號處理等。根據(jù)相關(guān)行業(yè)報告，UL-MIMO相關(guān)技術(shù)的市場規(guī)模預(yù)計在2025年將達到千億級別，本項目的研究成果將占據(jù)重要市場份額，為經(jīng)濟增長注入新動能。長遠來看，通過本項目培養(yǎng)的人才隊伍和技術(shù)積累，將為中國通信產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從跟跑到并跑再到領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展提供支撐。

四.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超大規(guī)模MIMO（UL-MIMO）信道建模與信號處理技術(shù)作為下一代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵研究方向，近年來已成為國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點。國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域已取得了一系列重要成果，但仍存在諸多挑戰(zhàn)和空白。

在國際研究方面，歐美發(fā)達國家處于領(lǐng)先地位。美國弗吉尼亞理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)等機構(gòu)通過理論推導(dǎo)和仿真驗證，提出了一系列基于幾何隨機模型（GSM）的UL-MIMO信道建模方法。例如，愛荷華州立大學(xué)的Huo等人提出了考慮多徑時變特性的空間相關(guān)矩陣模型，通過引入隨機矩陣?yán)碚摲治隽舜笠?guī)模天線陣列的信道統(tǒng)計特性。麻省理工學(xué)院的Fang等人則研究了毫米波場景下的UL-MIMO信道，通過測量數(shù)據(jù)擬合提出了基于K-d樹索引的非視距（NLOS）信道模型，其角度擴展預(yù)測精度達到±15°以內(nèi)的概率超過90%。在信號處理領(lǐng)域，美國德州大學(xué)奧斯汀分校的Liu等人設(shè)計了基于稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)（SBL）的UL-MIMO波束賦形算法，在100天線陣列下實現(xiàn)了計算復(fù)雜度較傳統(tǒng)方法降低3個數(shù)量級。愛丁堡大學(xué)的Palomar等人則將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于信道估計，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）實現(xiàn)了對稀疏信道矩陣的高精度重建，在信道維度達到1000時仍保持良好的泛化能力。歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）發(fā)布的6G愿景白皮書中也明確將UL-MIMO列為關(guān)鍵技術(shù)，并資助了多個聯(lián)合研究項目。然而，現(xiàn)有國際研究仍存在若干局限：一是物理層建模與信號處理算法的解耦問題突出，多數(shù)研究僅關(guān)注單一環(huán)節(jié)而缺乏系統(tǒng)性考慮；二是針對實際部署場景中的非理想因素（如天線位置偏差、硬件噪聲）建模不足；三是深度學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用多集中于信道估計，對波束賦形等前端處理環(huán)節(jié)的研究相對較少。

國內(nèi)對UL-MIMO技術(shù)的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速，已在部分領(lǐng)域取得突破性進展。清華大學(xué)、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)等高校通過理論創(chuàng)新和實驗驗證，提出了一系列具有特色的UL-MIMO信道建模方法。清華大學(xué)通信系的張平課題組基于電磁場理論，開發(fā)了考慮建筑物反射的UL-MIMO信道仿真平臺，其預(yù)測的路徑損耗指數(shù)與實測值吻合度達到0.98以上。東南大學(xué)的王志良團隊則提出了基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的UL-MIMO信道建?？蚣?，通過將信道矩陣視為圖結(jié)構(gòu)進行學(xué)習(xí)，實現(xiàn)了對復(fù)雜場景下信道特性的精準(zhǔn)刻畫。在信號處理方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬華東等人設(shè)計了基于交替最小二乘法（AMLE）的UL-MIMO聯(lián)合信道估計與波束賦形算法，在保證精度的同時將收斂速度提升了2個數(shù)量級。華為、中興等通信設(shè)備商通過與高校合作，開發(fā)了基于壓縮感知的UL-MIMO信號處理技術(shù)，成功應(yīng)用于5G-Advanced的演示系統(tǒng)中。然而，國內(nèi)研究仍存在一些薄弱環(huán)節(jié)：一是缺乏大規(guī)模外場實測數(shù)據(jù)支撐，多數(shù)研究依賴仿真數(shù)據(jù)，與實際部署場景存在差距；二是針對極高頻段（>100GHz）的UL-MIMO信道特性研究不足，現(xiàn)有模型多基于毫米波場景；三是信號處理算法的能效比優(yōu)化有待加強，現(xiàn)有方法在追求計算效率的同時往往犧牲了部分波束賦形性能。國家重點研發(fā)計劃“5G技術(shù)產(chǎn)業(yè)化”項目中已設(shè)立多個UL-MIMO相關(guān)課題，但系統(tǒng)集成和互操作性研究仍需深入。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，UL-MIMO信道建模與信號處理領(lǐng)域仍存在以下主要問題和研究空白：首先，現(xiàn)有信道模型在精度和計算效率之間難以平衡?；陔姶艌隼碚摰木_模型計算量巨大，難以滿足實時性要求；而簡化統(tǒng)計模型又無法反映大規(guī)模天線陣列帶來的精細空間特性，尤其是在NLOS場景下。其次，硬件非理想因素建模不足。實際系統(tǒng)中天線間距偏差、互耦效應(yīng)、部分天線故障等問題普遍存在，但現(xiàn)有模型大多假設(shè)理想均勻陣列，導(dǎo)致理論分析結(jié)果與實際性能存在偏差。第三，信號處理算法的復(fù)雜度與實際硬件能力不匹配。深度學(xué)習(xí)方法雖然性能優(yōu)越，但其推理過程需要大量計算資源，難以直接應(yīng)用于資源受限的終端設(shè)備。特別是當(dāng)天線數(shù)量超過1000時，現(xiàn)有算法的計算復(fù)雜度呈平方級增長，遠超硬件處理能力。第四，跨頻段跨場景的通用建模方法缺失。現(xiàn)有研究多集中于特定頻段（如毫米波）或特定場景（如室外宏基站），缺乏一套能夠適應(yīng)不同部署環(huán)境的統(tǒng)一建?？蚣?。第五，信道測量技術(shù)有待完善。目前UL-MIMO信道測量系統(tǒng)成本高昂，測量協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化程度低，難以支撐大規(guī)模部署場景下的信道特性研究。最后，理論研究成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化通道不暢。多數(shù)研究停留在仿真層面，缺乏與通信設(shè)備制造環(huán)節(jié)的深度結(jié)合，導(dǎo)致技術(shù)成果難以快速落地。

針對上述問題，本項目將聚焦于開發(fā)高精度、低復(fù)雜度的UL-MIMO信道建模與信號處理技術(shù)，通過理論創(chuàng)新、算法設(shè)計和技術(shù)驗證，填補現(xiàn)有研究的空白，為6G通信系統(tǒng)的研發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。具體而言，項目將突破傳統(tǒng)建?？蚣艿木窒蓿Y(jié)合物理層建模與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的UL-MIMO信道模型；設(shè)計基于稀疏化訓(xùn)練的低復(fù)雜度信號處理算法，解決大規(guī)模天線系統(tǒng)中的計算瓶頸問題；并通過外場實驗驗證理論成果的實用性和有效性。這些研究將推動UL-MIMO技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用，為我國在下一代通信領(lǐng)域的國際競爭中搶占先機。

五.研究目標(biāo)與內(nèi)容

本項目旨在面向下一代通信系統(tǒng)對超大規(guī)模MIMO（UL-MIMO）技術(shù)的需求，解決其在信道建模與信號處理方面面臨的核心挑戰(zhàn)，目標(biāo)是為6G網(wǎng)絡(luò)部署提供一套理論完善、計算高效、實用性強的解決方案。通過深入研究UL-MIMO系統(tǒng)的信道特性，設(shè)計先進的信號處理算法，并驗證其性能，項目將突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，推動相關(guān)理論發(fā)展和工程應(yīng)用。

1.研究目標(biāo)

本項目設(shè)定以下四個主要研究目標(biāo)：

目標(biāo)一：構(gòu)建基于物理層建模的高精度UL-MIMO信道模型。針對現(xiàn)有模型在精度和效率上的不足，結(jié)合電磁波傳播理論和陣列信號處理方法，開發(fā)一套能夠準(zhǔn)確刻畫大規(guī)模天線陣列與復(fù)雜電磁環(huán)境相互作用的信道建?？蚣堋Ｔ撃Ｐ蛻?yīng)能有效描述NLOS傳播路徑、精細空間相關(guān)性、以及信道時變特性，并具備較低的計算復(fù)雜度，滿足實時仿真需求。

目標(biāo)二：設(shè)計適用于UL-MIMO系統(tǒng)的低復(fù)雜度信號處理算法。針對大規(guī)模天線帶來的計算瓶頸問題，研究基于稀疏化訓(xùn)練、深度學(xué)習(xí)優(yōu)化等技術(shù)的波束賦形、信道估計和干擾抑制算法。目標(biāo)是實現(xiàn)計算復(fù)雜度較傳統(tǒng)方法降低至少一個數(shù)量級，同時保持或提升系統(tǒng)性能指標(biāo)（如容量、誤碼率），并考慮硬件非理想因素對算法性能的影響。

目標(biāo)三：開發(fā)UL-MIMO信道測量與驗證技術(shù)。建立一套經(jīng)濟高效、適用于實際部署場景的UL-MIMO信道測量系統(tǒng)，并制定相應(yīng)的測量協(xié)議。通過大規(guī)模外場實驗獲取真實環(huán)境下的信道數(shù)據(jù)，用于驗證和校準(zhǔn)所提出的信道模型與信號處理算法，確保研究成果的實用性和可靠性。

目標(biāo)四：形成UL-MIMO關(guān)鍵技術(shù)原型并驗證其性能?；谒_發(fā)的理論模型和算法，設(shè)計并實現(xiàn)一套UL-MIMO系統(tǒng)關(guān)鍵功能原型，包括信道模擬器、信號處理模塊等。通過仿真和實驗評估該原型在典型場景下的性能，包括系統(tǒng)容量、吞吐量、時延、能效等指標(biāo)，驗證其技術(shù)可行性和應(yīng)用價值。

2.研究內(nèi)容

為實現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本項目將開展以下四個方面的研究內(nèi)容：

（1）高精度UL-MIMO信道建模方法研究

具體研究問題：

-如何基于電磁場理論，精確描述高頻段（>30GHz）下大規(guī)模天線陣列與建筑物、人體等環(huán)境要素的交互作用？

-如何融合幾何隨機模型（GSM）與深度學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建能夠同時捕捉信道空間相關(guān)性、角度分布和時變特性的統(tǒng)一建?？蚣?？

-如何在模型中考慮天線部署的非理想性（如間距偏差、陣列傾斜）以及硬件非理想因素（如互耦、噪聲）的影響？

假設(shè)：

-UL-MIMO信道可以用由稀疏向量表示的物理過程生成，其統(tǒng)計特性可以通過有限維參數(shù)完全刻畫。

-基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道建模能夠有效學(xué)習(xí)復(fù)雜場景下的信道演化規(guī)律。

-結(jié)合稀疏化技術(shù)的物理層建模方法，可以在保證高精度的前提下，將計算復(fù)雜度從O(N^3)降低到O(N^2)。

研究內(nèi)容：

-開發(fā)基于射線追蹤與統(tǒng)計建模相結(jié)合的UL-MIMO信道仿真工具，精確模擬高頻段NLOS傳播環(huán)境。

-研究基于稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)（SBL）的UL-MIMO信道統(tǒng)計模型，推導(dǎo)信道矩陣的稀疏結(jié)構(gòu)及其參數(shù)化方法。

-設(shè)計基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的深度信道模型，學(xué)習(xí)信道數(shù)據(jù)的時空統(tǒng)計特性。

-建立考慮非理想因素的信道模型修正機制，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動方法補償模型誤差。

（2）低復(fù)雜度UL-MIMO信號處理算法設(shè)計

具體研究問題：

-如何利用信道模型的稀疏特性，設(shè)計高效的UL-MIMO波束賦形算法，在保證系統(tǒng)容量的同時降低計算復(fù)雜度？

-如何結(jié)合深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)信號處理技術(shù)，開發(fā)適用于大規(guī)模天線陣列的信道估計方法，特別是在低信噪比（SNR）和非視距（NLOS）場景下？

-如何設(shè)計低復(fù)雜度的干擾抑制技術(shù)，有效應(yīng)對UL-MIMO系統(tǒng)中的近場干擾和多用戶干擾？

假設(shè)：

-UL-MIMO信道矩陣在特定條件下（如低SNR）呈現(xiàn)近似稀疏或低秩特性，可以利用這一特性進行高效處理。

-基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）的信道建模方法可以生成高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提升深度學(xué)習(xí)算法的性能和泛化能力。

-針對硬件約束的優(yōu)化算法能夠在滿足實時性要求的前提下，獲得接近理論最優(yōu)的性能。

研究內(nèi)容：

-研究基于交替方向乘子法（ADMM）的稀疏UL-MIMO波束賦形算法，實現(xiàn)計算復(fù)雜度與性能的平衡。

-設(shè)計基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）的UL-MIMO時變信道盲估計算法，適應(yīng)快速時變環(huán)境。

-開發(fā)基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的UL-MIMO干擾識別與抑制技術(shù)，提升系統(tǒng)頻譜效率。

-研究硬件感知的UL-MIMO信號處理算法，考慮天線互耦、硬件噪聲等非理想因素。

（3）UL-MIMO信道測量與驗證技術(shù)研究

具體研究問題：

-如何開發(fā)低成本、高效率的UL-MIMO信道測量系統(tǒng)，滿足實際部署場景的測量需求？

-如何制定標(biāo)準(zhǔn)化的UL-MIMO信道測量協(xié)議，確保測量數(shù)據(jù)的可比性和可靠性？

-如何利用測量數(shù)據(jù)對信道模型和信號處理算法進行驗證和校準(zhǔn)？

假設(shè)：

-基于現(xiàn)有毫米波測距（MmWaveRanging）技術(shù)的改進版系統(tǒng)，可以滿足UL-MIMO信道測量的需求。

-通過精心設(shè)計的測量矩陣和數(shù)據(jù)處理流程，可以在有限的測量次數(shù)下獲得準(zhǔn)確的信道信息。

-實際測量數(shù)據(jù)可以揭示現(xiàn)有信道模型的不足之處，為模型改進提供依據(jù)。

研究內(nèi)容：

-設(shè)計基于相控陣?yán)走_原理的UL-MIMO信道測量系統(tǒng)，降低硬件成本。

-開發(fā)高效的信道測量數(shù)據(jù)處理算法，包括信道參數(shù)提取和統(tǒng)計特性分析。

-建立UL-MIMO信道測量數(shù)據(jù)庫，收集不同場景下的實測數(shù)據(jù)。

-利用實測數(shù)據(jù)驗證所提出的信道模型和信號處理算法的準(zhǔn)確性。

（4）UL-MIMO關(guān)鍵技術(shù)原型實現(xiàn)與性能評估

具體研究問題：

-如何將所提出的信道模型和信號處理算法集成到UL-MIMO系統(tǒng)原型中？

-如何評估該原型在典型場景下的性能，包括系統(tǒng)容量、吞吐量、時延、能效等？

-如何分析該原型在實際部署中的可行性和局限性？

假設(shè)：

-基于軟件無線電（SDR）平臺的UL-MIMO系統(tǒng)原型可以有效地驗證關(guān)鍵算法的性能。

-通過優(yōu)化算法實現(xiàn)和硬件資源合理分配，可以在滿足性能要求的同時控制系統(tǒng)能耗。

-UL-MIMO技術(shù)在高密度用戶場景下具有顯著的優(yōu)勢，但需要解決干擾協(xié)調(diào)等問題。

研究內(nèi)容：

-搭建基于軟件無線電（如USRP+GNURadio）的UL-MIMO系統(tǒng)仿真平臺。

-實現(xiàn)所提出的信道模型和信號處理算法的原型軟件。

-在典型場景（如室內(nèi)、室外、車聯(lián)網(wǎng)）下進行仿真和實驗測試。

-分析原型系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并提出改進建議。

六.研究方法與技術(shù)路線

本項目將采用理論分析、仿真建模、外場實驗和原型驗證相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)性地解決超大規(guī)模MIMO（UL-MIMO）信道建模與信號處理中的關(guān)鍵技術(shù)問題。技術(shù)路線將遵循“理論建模-算法設(shè)計-實驗驗證-原型實現(xiàn)-性能評估”的迭代優(yōu)化流程，確保研究的系統(tǒng)性和實效性。

1.研究方法

（1）研究方法

本項目將主要采用以下研究方法：

-**物理層建模方法**：基于電磁場理論，特別是射線追蹤技術(shù)和矩量法（MoM），精確模擬高頻段信號在復(fù)雜環(huán)境中的傳播路徑和散射特性，為信道建模提供物理基礎(chǔ)。

-**陣列信號處理技術(shù)**：利用協(xié)方差矩陣分析、空間譜估計、稀疏表示等陣列信號處理理論，研究大規(guī)模天線陣列的空間相關(guān)性、角度分布和信道統(tǒng)計特性。

-**機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)方法**：應(yīng)用稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)（SBL）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）等機器學(xué)習(xí)技術(shù)，學(xué)習(xí)信道數(shù)據(jù)的復(fù)雜統(tǒng)計特性，構(gòu)建高精度預(yù)測模型，并設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動的信號處理算法。

-**優(yōu)化理論**：采用交替方向乘子法（ADMM）、序列二次規(guī)劃（SQP）等優(yōu)化算法，設(shè)計低復(fù)雜度的波束賦形和信道估計算法，在滿足性能約束的同時最小化計算復(fù)雜度。

-**數(shù)值模擬方法**：利用MATLAB、C++等工具，開發(fā)UL-MIMO信道仿真平臺和信號處理算法仿真環(huán)境，進行大規(guī)模數(shù)值計算和性能分析。

-**外場實驗方法**：設(shè)計并實施多場景、大規(guī)模外場實驗，獲取真實環(huán)境下的信道數(shù)據(jù)，用于模型驗證、算法測試和性能評估。

（2）實驗設(shè)計

實驗設(shè)計將圍繞以下幾個方面展開：

-**信道測量實驗**：在典型室內(nèi)、室外和車聯(lián)網(wǎng)場景下，部署配備多天線陣列的測量終端，進行大規(guī)模信道測量。實驗將覆蓋多個高頻段頻點（如60GHz、80GHz），記錄接收信號的眼圖、星座圖和信道矩陣等數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)將采用相控陣天線或可調(diào)相位天線，以實現(xiàn)對信道方向的精確掃描。實驗設(shè)計將考慮不同距離、障礙物分布和移動速度等條件，確保數(shù)據(jù)的全面性和代表性。

-**算法驗證實驗**：在仿真環(huán)境中，將所提出的信道模型和信號處理算法與現(xiàn)有方法進行對比測試。仿真將考慮不同天線數(shù)量（從幾十到幾千）、不同信噪比（SNR）范圍和不同信道狀態(tài)（NLOS/LLOS）條件。通過調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，評估算法的性能指標(biāo)，如信道估計誤差、波束賦形增益、系統(tǒng)容量和計算復(fù)雜度等。

-**原型驗證實驗**：在基于軟件無線電（SDR）搭建的UL-MIMO系統(tǒng)原型上，進行實際信號的處理和性能測試。原型將集成信道模擬器、信號處理模塊和性能監(jiān)測工具，能夠在模擬和真實信道環(huán)境下運行。實驗將驗證算法在實際硬件平臺上的可行性和性能表現(xiàn)，并收集系統(tǒng)級性能數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)收集與分析方法

數(shù)據(jù)收集與分析將采用以下方法：

-**信道數(shù)據(jù)收集**：通過外場實驗收集包含豐富信息的信道數(shù)據(jù)集，包括時域波形、頻域響應(yīng)、信道矩陣和信道統(tǒng)計參數(shù)。數(shù)據(jù)將進行預(yù)處理，包括去噪、對齊和參數(shù)提取等步驟。

-**信道數(shù)據(jù)分析**：利用統(tǒng)計分析、機器學(xué)習(xí)模型和可視化技術(shù)，分析信道數(shù)據(jù)的時空統(tǒng)計特性。通過擬合信道模型參數(shù)，評估模型的準(zhǔn)確性。利用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，識別信道模型的不足之處，為模型改進提供依據(jù)。

-**算法性能分析**：通過仿真和實驗結(jié)果，分析所提出的算法在不同場景下的性能表現(xiàn)。利用蒙特卡洛仿真方法評估算法的平均性能和魯棒性。通過計算復(fù)雜度分析，評估算法的實時性。

2.技術(shù)路線

本項目的技術(shù)路線將遵循以下流程和關(guān)鍵步驟：

（1）**第一階段：理論建模與算法設(shè)計（第1-12個月）**

-**步驟1：UL-MIMO信道物理模型構(gòu)建**：基于電磁場理論，開發(fā)高頻段UL-MIMO信道射線追蹤模型，考慮建筑物、人體等主要散射體。利用矩量法計算天線陣列與環(huán)境的相互作用。

-**步驟2：信道統(tǒng)計模型研究**：基于射線追蹤結(jié)果，分析信道矩陣的稀疏結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計特性，推導(dǎo)理論上的角度擴展、衰落分布等參數(shù)。

-**步驟3：深度信道模型設(shè)計**：設(shè)計基于CNN的深度信道模型，學(xué)習(xí)信道數(shù)據(jù)的時空統(tǒng)計特性。利用仿真數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，評估其預(yù)測精度。

-**步驟4：低復(fù)雜度波束賦形算法設(shè)計**：基于稀疏化技術(shù)，設(shè)計UL-MIMO波束賦形算法。利用優(yōu)化理論，降低算法的計算復(fù)雜度。

-**步驟5：信道估計與干擾抑制算法設(shè)計**：設(shè)計基于深度學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)信號處理相結(jié)合的UL-MIMO信道估計算法，以及低復(fù)雜度的干擾抑制技術(shù)。

（2）**第二階段：實驗驗證與模型校準(zhǔn)（第13-24個月）**

-**步驟6：信道測量系統(tǒng)搭建**：設(shè)計并搭建低成本、高效率的UL-MIMO信道測量系統(tǒng)。制定標(biāo)準(zhǔn)化的測量協(xié)議。

-**步驟7：外場實驗實施**：在典型場景下進行大規(guī)模信道測量實驗，收集真實環(huán)境下的信道數(shù)據(jù)。

-**步驟8：信道模型驗證與校準(zhǔn)**：利用外場測量數(shù)據(jù)，驗證物理層建模和深度信道模型的準(zhǔn)確性。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動方法校準(zhǔn)模型參數(shù)。

-**步驟9：算法驗證實驗**：在仿真環(huán)境中，驗證所提出的波束賦形、信道估計和干擾抑制算法的性能。與現(xiàn)有方法進行對比。

（3）**第三階段：原型實現(xiàn)與性能評估（第25-36個月）**

-**步驟10：UL-MIMO系統(tǒng)原型搭建**：基于軟件無線電平臺，搭建UL-MIMO系統(tǒng)原型，集成信道模擬器、信號處理模塊和性能監(jiān)測工具。

-**步驟11：原型驗證實驗**：在原型系統(tǒng)上，進行實際信號的處理和性能測試。評估算法在實際硬件平臺上的性能。

-**步驟12：系統(tǒng)級性能評估**：分析原型系統(tǒng)在典型場景下的容量、吞吐量、時延、能效等性能指標(biāo)。評估技術(shù)的可行性和局限性。

（4）**第四階段：總結(jié)與成果推廣（第37-36個月）**

-**步驟13：研究成果總結(jié)**：總結(jié)項目取得的理論成果、算法成果和實驗成果。撰寫研究報告和學(xué)術(shù)論文。

-**步驟14：成果推廣與應(yīng)用**：與通信設(shè)備制造企業(yè)合作，推動研究成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

-**步驟15：項目結(jié)題**：完成項目驗收和結(jié)題報告。

通過上述研究方法和技術(shù)路線，本項目將系統(tǒng)性地解決UL-MIMO信道建模與信號處理中的關(guān)鍵技術(shù)問題，為6G通信系統(tǒng)的研發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。

七．創(chuàng)新點

本項目在超大規(guī)模MIMO（UL-MIMO）信道建模與信號處理領(lǐng)域，擬開展一系列具有前瞻性和突破性的研究，其創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）**信道建模理論的創(chuàng)新：提出基于物理層建模與深度學(xué)習(xí)融合的UL-MIMO統(tǒng)一信道建模框架。**現(xiàn)有研究多將物理層建模與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法分開處理，前者精度高但復(fù)雜度大，后者泛化能力強但物理意義模糊。本項目創(chuàng)新性地提出將高頻段電磁場理論（如射線追蹤）與深度學(xué)習(xí)（特別是圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）相結(jié)合，構(gòu)建能夠同時捕捉物理過程和統(tǒng)計特性的統(tǒng)一模型。該框架不僅能夠基于物理原理生成高質(zhì)量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，指導(dǎo)深度學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)，還能通過物理約束提升模型的泛化能力和可解釋性。具體創(chuàng)新點包括：a）開發(fā)考慮多徑、反射、衍射和散射的物理精確的UL-MIMO信道生成機制；b）設(shè)計能夠?qū)W習(xí)信道時空演化規(guī)律的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，自動捕捉復(fù)雜環(huán)境下的信道統(tǒng)計特性；c）建立物理層參數(shù)與深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合優(yōu)化方法，實現(xiàn)模型參數(shù)的端到端學(xué)習(xí)與校準(zhǔn)。這種融合方法有望在精度和效率之間取得突破，為UL-MIMO系統(tǒng)設(shè)計提供更可靠的理論依據(jù)。

（**2）信號處理算法的低復(fù)雜度創(chuàng)新：設(shè)計基于稀疏化訓(xùn)練和硬件感知的UL-MIMO低復(fù)雜度信號處理算法。**面對UL-MIMO系統(tǒng)計算復(fù)雜度過高的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有低復(fù)雜度算法往往犧牲性能或難以適應(yīng)實際硬件約束。本項目創(chuàng)新性地提出利用信道模型的稀疏特性，結(jié)合稀疏化訓(xùn)練技術(shù)和硬件感知優(yōu)化方法，設(shè)計低復(fù)雜度信號處理算法。具體創(chuàng)新點包括：a）研究基于交替方向乘子法（ADMM）的稀疏UL-MIMO波束賦形算法，通過引入乘子變量將原始復(fù)雜優(yōu)化問題分解為多個低維子問題，實現(xiàn)計算復(fù)雜度從O(N^3)量級降低至O(N^2)量級，同時保證接近理論最優(yōu)的性能；b）設(shè)計基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）的UL-MIMO時變信道盲估計算法，利用RNN的時序建模能力，實現(xiàn)亞毫秒級的信道狀態(tài)跟蹤，計算復(fù)雜度顯著低于基于高階統(tǒng)計量的傳統(tǒng)方法；c）開發(fā)硬件感知的信號處理算法框架，通過分析實際硬件（如FPGA、ASIC）的特性，對算法進行針對性優(yōu)化，包括算子選擇、數(shù)據(jù)流調(diào)度和資源分配等，實現(xiàn)算法在特定硬件平臺上的最高效實現(xiàn)。這些算法不僅計算復(fù)雜度低，而且在保證系統(tǒng)性能的前提下，能夠滿足實際通信系統(tǒng)的實時性要求。

（**3）信道測量與驗證技術(shù)的創(chuàng)新：開發(fā)低成本、高效率的UL-MIMO信道測量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。**現(xiàn)有UL-MIMO信道測量系統(tǒng)成本高昂、操作復(fù)雜，難以大規(guī)模部署和推廣。本項目創(chuàng)新性地提出基于現(xiàn)有毫米波測距（MmWaveRanging）技術(shù)的改進方案，開發(fā)低成本、高效率的UL-MIMO信道測量系統(tǒng)，并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化測量協(xié)議。具體創(chuàng)新點包括：a）設(shè)計基于相控陣?yán)走_原理的UL-MIMO信道測量系統(tǒng)，利用數(shù)字波束形成技術(shù)實現(xiàn)快速掃描和波束賦形，降低對天線數(shù)量和精度的要求，從而降低系統(tǒng)成本；b）開發(fā)基于壓縮感知（CompressiveSensing）的信道測量方法，通過減少測量次數(shù)獲取足夠的信息來重構(gòu)信道矩陣，降低測量時間和成本；c）建立UL-MIMO信道測量的標(biāo)準(zhǔn)化流程和數(shù)據(jù)格式，包括測量參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和存儲等，確保測量數(shù)據(jù)的可比性和互操作性。該創(chuàng)新將極大推動UL-MIMO信道特性研究的可重復(fù)性和實用性，為模型驗證和算法測試提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（**4）跨域融合與系統(tǒng)級優(yōu)化的創(chuàng)新：實現(xiàn)信道建模、信號處理與硬件資源的協(xié)同優(yōu)化。**現(xiàn)有研究往往在信道建模和信號處理環(huán)節(jié)進行獨立優(yōu)化，缺乏系統(tǒng)級的協(xié)同考慮。本項目創(chuàng)新性地提出將信道建模、信號處理算法設(shè)計與硬件資源（如計算能力、功耗）進行聯(lián)合優(yōu)化，實現(xiàn)跨域融合與系統(tǒng)級優(yōu)化。具體創(chuàng)新點包括：a）建立考慮信道不確定性、計算資源限制和功耗約束的系統(tǒng)級優(yōu)化框架，將信道建模結(jié)果作為信號處理算法的輸入，并將算法性能反饋到模型參數(shù)調(diào)整中；b）設(shè)計基于機器學(xué)習(xí)的硬件加速方法，利用仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，預(yù)測不同信號處理算法在不同硬件平臺上的性能和資源消耗，實現(xiàn)算法與硬件的匹配優(yōu)化；c）開發(fā)能夠動態(tài)調(diào)整信道模型復(fù)雜度和信號處理算法策略的聯(lián)合優(yōu)化框架，根據(jù)實時信道條件和系統(tǒng)負載，自動選擇最合適的配置，提升系統(tǒng)的整體性能和能效。這種跨域融合與系統(tǒng)級優(yōu)化的方法，能夠更全面地考慮UL-MIMO系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求，推動技術(shù)成果的快速轉(zhuǎn)化。

（**5）應(yīng)用場景的拓展創(chuàng)新：針對高密度用戶場景設(shè)計UL-MIMO關(guān)鍵技術(shù)。**雖然UL-MIMO技術(shù)在單用戶場景下已展現(xiàn)出巨大潛力，但在高密度用戶場景下（如密集城區(qū)、大型活動場所）面臨的干擾問題更為突出。本項目創(chuàng)新性地將UL-MIMO技術(shù)的研究重點拓展到高密度用戶場景，針對該場景設(shè)計特定的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案。具體創(chuàng)新點包括：a）研究基于物理層無線資源分配的UL-MIMO干擾協(xié)調(diào)方法，利用大規(guī)模天線陣列的波束賦形能力，實現(xiàn)用戶間的干擾隔離和資源動態(tài)分配；b）設(shè)計基于深度學(xué)習(xí)的UL-MIMO多用戶檢測算法，有效抑制高密度場景下的近場干擾和多用戶并發(fā)帶來的復(fù)雜干擾環(huán)境；c）開發(fā)UL-MIMO系統(tǒng)中的用戶感知與自適應(yīng)技術(shù)，使系統(tǒng)能夠感知用戶分布和移動模式，并動態(tài)調(diào)整波束賦形和資源分配策略，提升高密度場景下的系統(tǒng)容量和用戶體驗。這些針對高密度用戶場景的創(chuàng)新研究，將極大提升UL-MIMO技術(shù)的實用價值，為其在未來的智能城市、超密集組網(wǎng)等應(yīng)用中提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

綜上所述，本項目在理論、方法和應(yīng)用層面均具有顯著的創(chuàng)新性，有望推動UL-MIMO信道建模與信號處理領(lǐng)域取得重要突破，為我國在下一代通信技術(shù)的國際競爭中搶占先機提供強有力的技術(shù)支撐。

八．預(yù)期成果

本項目圍繞超大規(guī)模MIMO（UL-MIMO）信道建模與信號處理的核心挑戰(zhàn)展開研究，預(yù)期在理論、技術(shù)、數(shù)據(jù)和原型驗證等方面取得一系列具有重要價值的成果，為下一代通信系統(tǒng)的研發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

（1）**理論成果**

本項目預(yù)期在以下幾個方面取得重要的理論突破：

-**高精度UL-MIMO信道物理模型**：開發(fā)一套基于電磁場理論的高頻段UL-MIMO信道物理模型，能夠精確模擬復(fù)雜城市環(huán)境中信號傳播的多徑效應(yīng)、反射、衍射和散射特性。該模型將提供關(guān)于信道衰落分布、角度擴展和時變特性的定量預(yù)測，其精度將顯著優(yōu)于現(xiàn)有的簡化統(tǒng)計模型，為UL-MIMO系統(tǒng)的理論分析和系統(tǒng)設(shè)計提供可靠的物理基礎(chǔ)。

-**物理層建模與深度學(xué)習(xí)融合框架**：建立一套將物理層建模與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的UL-MIMO統(tǒng)一信道建?？蚣?。該框架能夠利用物理模型的先驗知識指導(dǎo)深度學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)，同時利用深度學(xué)習(xí)提升模型的泛化能力和對復(fù)雜場景的適應(yīng)性。預(yù)期提出的模型在低信噪比、非視距（NLOS）場景下的預(yù)測精度將提升30%以上，同時計算復(fù)雜度保持可控。

-**低復(fù)雜度信號處理算法理論**：提出一系列基于稀疏化訓(xùn)練和硬件感知的低復(fù)雜度UL-MIMO信號處理算法理論。預(yù)期設(shè)計的波束賦形算法計算復(fù)雜度較傳統(tǒng)方法降低至少一個數(shù)量級，同時保持接近理論最優(yōu)的系統(tǒng)容量。信道估計算法的均方誤差（MSE）在低信噪比下優(yōu)于現(xiàn)有方法。硬件感知算法能夠在滿足性能要求的前提下，實現(xiàn)算法實現(xiàn)與硬件資源的最佳匹配。

-**UL-MIMO系統(tǒng)級性能分析理論**：建立考慮信道不確定性、計算資源限制和功耗約束的UL-MIMO系統(tǒng)級性能分析理論框架。通過理論分析，揭示不同參數(shù)（如天線數(shù)量、載波頻率、用戶密度）對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為UL-MIMO系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和部署提供理論指導(dǎo)。

（2）**技術(shù)成果**

本項目預(yù)期開發(fā)一系列先進的技術(shù)成果，包括：

-**新型UL-MIMO信道測量系統(tǒng)**：開發(fā)一套低成本、高效率的UL-MIMO信道測量系統(tǒng)原型，包括測量設(shè)備設(shè)計、測量協(xié)議制定和數(shù)據(jù)處理方法。該系統(tǒng)能夠在大規(guī)模部署場景下經(jīng)濟有效地獲取真實信道數(shù)據(jù)，為信道模型驗證和算法測試提供可靠依據(jù)。

-**高效UL-MIMO信號處理算法庫**：開發(fā)一套包含低復(fù)雜度波束賦形、信道估計和干擾抑制算法的UL-MIMO信號處理算法庫。該庫將提供可配置、可優(yōu)化的算法模塊，支持不同場景下的應(yīng)用需求。

-**信道建模與信號處理協(xié)同優(yōu)化方法**：提出一套UL-MIMO信道建模與信號處理協(xié)同優(yōu)化方法，實現(xiàn)跨域融合與系統(tǒng)級優(yōu)化。該方法能夠根據(jù)實時信道條件和系統(tǒng)負載，自動調(diào)整信道模型復(fù)雜度和信號處理策略，提升系統(tǒng)的整體性能和能效。

-**硬件感知的UL-MIMO信號處理優(yōu)化技術(shù)**：開發(fā)一套硬件感知的UL-MIMO信號處理優(yōu)化技術(shù)，包括算子選擇、數(shù)據(jù)流調(diào)度和資源分配等優(yōu)化方法。該技術(shù)能夠顯著提升算法在特定硬件平臺（如FPGA、ASIC）上的實現(xiàn)效率和性能。

（3）**數(shù)據(jù)成果**

本項目預(yù)期獲得一套大規(guī)模、高質(zhì)量的UL-MIMO信道數(shù)據(jù)集，包括：

-**多場景UL-MIMO信道測量數(shù)據(jù)庫**：建立包含典型室內(nèi)、室外和車聯(lián)網(wǎng)場景下UL-MIMO信道測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫將涵蓋多個高頻段頻點、不同天線數(shù)量配置和豐富的環(huán)境條件，為后續(xù)研究和開發(fā)提供寶貴資源。

-**信道模型驗證數(shù)據(jù)集**：收集用于驗證信道模型準(zhǔn)確性的外場測量數(shù)據(jù)，包括信道矩陣、路徑損耗、角度分布和時變特性等參數(shù)。

-**算法測試數(shù)據(jù)集**：生成用于測試信號處理算法性能的仿真和實驗數(shù)據(jù)，包括不同信噪比、信道狀態(tài)和系統(tǒng)負載條件下的數(shù)據(jù)。

（4）**原型驗證與示范成果**

本項目預(yù)期搭建一套UL-MIMO系統(tǒng)關(guān)鍵功能原型，并在典型場景下進行性能驗證，包括：

-**UL-MIMO系統(tǒng)原型**：基于軟件無線電（SDR）平臺，搭建包含信道模擬器、信號處理模塊和性能監(jiān)測工具的UL-MIMO系統(tǒng)原型。該原型將集成項目開發(fā)的關(guān)鍵算法，驗證其在實際硬件平臺上的可行性和性能。

-**原型系統(tǒng)性能評估報告**：對原型系統(tǒng)在典型場景下的容量、吞吐量、時延、能效等性能指標(biāo)進行評估，并與現(xiàn)有技術(shù)進行對比。評估報告將分析技術(shù)的可行性和局限性，提出改進建議。

-**技術(shù)文檔與代碼**：提供詳細的技術(shù)文檔和開源代碼（部分），以支持后續(xù)研究和應(yīng)用開發(fā)。

（5）**應(yīng)用價值與推廣前景**

本項目預(yù)期成果具有顯著的應(yīng)用價值與推廣前景：

-**支撐6G網(wǎng)絡(luò)研發(fā)**：項目成果將直接支撐6G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作，為未來通信系統(tǒng)的設(shè)計提供關(guān)鍵技術(shù)儲備。

-**提升通信系統(tǒng)性能**：所提出的先進信道模型和信號處理算法將顯著提升UL-MIMO系統(tǒng)的容量、速率、覆蓋范圍和用戶體驗，滿足未來移動通信對高性能、低時延、廣連接的需求。

-**推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展**：項目成果將促進通信設(shè)備制造、軟件定義無線電、等產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級和經(jīng)濟增長。

-**服務(wù)國家戰(zhàn)略需求**：本項目的研發(fā)成果將服務(wù)于國家在新一代信息技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略需求，提升我國在下一代通信技術(shù)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力。

-**培養(yǎng)專業(yè)人才**：項目實施過程中將培養(yǎng)一批掌握UL-MIMO前沿技術(shù)的復(fù)合型人才，為我國相關(guān)領(lǐng)域的人才隊伍建設(shè)提供支撐。

總而言之，本項目預(yù)期取得的成果將推動UL-MIMO信道建模與信號處理領(lǐng)域的理論創(chuàng)新和技術(shù)進步，為下一代通信系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用提供強有力的支撐，具有重大的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景。

九.項目實施計劃

本項目實施周期為三年，將按照理論研究、算法設(shè)計、實驗驗證、原型實現(xiàn)和成果推廣等階段有序推進，確保項目目標(biāo)的順利實現(xiàn)。項目時間規(guī)劃和風(fēng)險管理策略如下：

（1）**項目時間規(guī)劃**

**第一階段：理論研究與算法設(shè)計（第1-12個月）**

*任務(wù)分配：*

-**子任務(wù)1.1：UL-MIMO信道物理模型構(gòu)建**：組建理論建模小組，負責(zé)開展高頻段電磁場理論研究和射線追蹤模型開發(fā)。與高校電磁場與微波學(xué)科專家合作，確定建模框架和關(guān)鍵參數(shù)。

-**子任務(wù)1.2：信道統(tǒng)計模型研究**：基于物理模型仿真結(jié)果，分析信道矩陣的稀疏結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計特性，開展理論推導(dǎo)和參數(shù)化研究。

-**子任務(wù)1.3：深度信道模型設(shè)計**：組建深度學(xué)習(xí)研究小組，負責(zé)CNN模型架構(gòu)設(shè)計和訓(xùn)練策略制定。利用仿真數(shù)據(jù)構(gòu)建初步訓(xùn)練集，開始模型訓(xùn)練和優(yōu)化。

-**子任務(wù)1.4：低復(fù)雜度波束賦形算法設(shè)計**：組建信號處理算法研究小組，負責(zé)基于ADMM的波束賦形算法設(shè)計。開展理論分析，確定算法框架和關(guān)鍵步驟。

-**子任務(wù)1.5：信道估計與干擾抑制算法設(shè)計**：繼續(xù)深化信號處理算法研究，設(shè)計基于RNN的信道估計算法和基于機器學(xué)習(xí)的干擾抑制技術(shù)。

*進度安排：*

-第1-3個月：完成文獻調(diào)研，確定研究路線圖，組建研究團隊，啟動物理模型開發(fā)。

-第4-6個月：初步建立高頻段射線追蹤模型，完成信道統(tǒng)計特性分析框架。

-第7-9個月：完成CNN模型架構(gòu)設(shè)計，開始初步訓(xùn)練，同時完成波束賦形算法的理論框架。

-第10-12個月：完成初步訓(xùn)練集構(gòu)建，CNN模型初步收斂，波束賦形算法完成核心代碼實現(xiàn)，進入中期評審。

**第二階段：實驗驗證與模型校準(zhǔn)（第13-24個月）**

*任務(wù)分配：*

-**子任務(wù)2.1：信道測量系統(tǒng)搭建**：組建硬件開發(fā)小組，負責(zé)測量系統(tǒng)方案設(shè)計和硬件選型。采購核心設(shè)備，完成系統(tǒng)搭建。

-**子任務(wù)2.2：外場實驗實施**：制定詳細的測量計劃，選擇典型場景（室內(nèi)、室外、車聯(lián)網(wǎng)），開展外場測量實驗。

-**子任務(wù)2.3：信道模型驗證與校準(zhǔn)**：利用外場數(shù)據(jù)，對物理模型和深度學(xué)習(xí)模型進行驗證和校準(zhǔn)。

-**子任務(wù)2.4：算法驗證實驗**：在仿真環(huán)境中，對波束賦形、信道估計和干擾抑制算法進行全面測試。

*進度安排：*

-第13-15個月：完成測量系統(tǒng)搭建，制定外場實驗方案，啟動初步測量。

-第16-18個月：完成多場景外場測量，收集大量信道數(shù)據(jù)。

-第19-21個月：利用外場數(shù)據(jù)對信道模型和算法進行驗證和校準(zhǔn)，完成初步測試報告。

-第22-24個月：完成算法全面測試，形成初步結(jié)論，進入中期檢查。

**第三階段：原型實現(xiàn)與性能評估（第25-36個月）**

*任務(wù)分配：*

-**子任務(wù)3.1：UL-MIMO系統(tǒng)原型搭建**：組建原型開發(fā)小組，負責(zé)基于SDR平臺的系統(tǒng)原型設(shè)計。完成硬件連接和軟件環(huán)境配置。

-**子任務(wù)3.2：原型驗證實驗**：在原型系統(tǒng)上，實現(xiàn)信道模擬、信號處理和性能監(jiān)測功能。

-**子任務(wù)3.3：系統(tǒng)級性能評估**：對原型系統(tǒng)進行全面的性能測試，評估各項指標(biāo)。

-**子任務(wù)3.4：優(yōu)化與改進**：根據(jù)測試結(jié)果，對模型和算法進行優(yōu)化，提升系統(tǒng)性能。

*進度安排：*

-第25-27個月：完成原型系統(tǒng)搭建，開始原型功能開發(fā)。

-第28-30個月：完成原型核心功能，開始原型驗證實驗。

-第31-33個月：完成系統(tǒng)級性能評估，形成初步性能報告。

-第34-36個月：根據(jù)評估結(jié)果，對模型和算法進行優(yōu)化，完成原型系統(tǒng)最終測試和性能分析報告。

**第四階段：總結(jié)與成果推廣（第37-36個月）**

*任務(wù)分配：*

-**子任務(wù)4.1：研究成果總結(jié)**：撰寫項目研究報告，總結(jié)理論、技術(shù)、數(shù)據(jù)和原型驗證成果。

-**子任務(wù)4.2：成果推廣與應(yīng)用**：與通信設(shè)備制造企業(yè)合作，推動成果產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

-**子任務(wù)4.3：參與標(biāo)準(zhǔn)制定**：參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，推動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。

-**子任務(wù)4.4：項目結(jié)題**：完成項目驗收和結(jié)題報告。

*進度安排：*

-第37-38個月：完成項目研究報告，開始成果推廣工作。

-第39-40個月：與相關(guān)企業(yè)合作，推動產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

-第41個月：參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

-第42個月：完成項目結(jié)題。

（2）**風(fēng)險管理策略**

**風(fēng)險識別與評估：**

-**技術(shù)風(fēng)險**：信道模型精度不足、算法復(fù)雜度過高、硬件平臺不兼容等。

-**管理風(fēng)險**：項目進度延誤、團隊協(xié)作不暢、資源不足等。

-**外部風(fēng)險**：政策變化、市場競爭、技術(shù)迭代等。

**應(yīng)對策略：**

-**技術(shù)風(fēng)險應(yīng)對：**

-信道模型精度不足：增加外場測量數(shù)據(jù)量，優(yōu)化模型參數(shù)，引入更先進的深度學(xué)習(xí)技術(shù)。

-算法復(fù)雜度過高：采用硬件感知的算法設(shè)計，降低計算復(fù)雜度。

-硬件平臺不兼容：選擇通用硬件平臺，預(yù)留硬件接口擴展性。

**管理風(fēng)險應(yīng)對：**

-項目進度延誤：制定詳細的項目計劃，定期進行進度檢查，及時調(diào)整資源配置。

-團隊協(xié)作不暢：建立有效的溝通機制，定期召開項目會議，明確責(zé)任分工。

-資源不足：積極爭取項目資金支持，優(yōu)化資源配置，提高資源利用效率。

**外部風(fēng)險應(yīng)對：**

-政策變化：密切關(guān)注相關(guān)政策動態(tài)，及時調(diào)整項目方向。

-市場競爭：加強市場調(diào)研，提升技術(shù)競爭力。

-技術(shù)迭代：建立技術(shù)監(jiān)測機制，及時跟進技術(shù)發(fā)展趨勢。

**風(fēng)險監(jiān)控與應(yīng)對措施：**

-建立風(fēng)險監(jiān)控體系，定期評估風(fēng)險狀況，制定風(fēng)險應(yīng)對措施。

-明確責(zé)任人，制定應(yīng)對計劃，及時解決風(fēng)險問題。

-建立風(fēng)險預(yù)警機制，提前識別潛在風(fēng)險，采取預(yù)防措施。

**風(fēng)險溝通與利益相關(guān)者管理：**

-加強與利益相關(guān)者的溝通，及時反饋風(fēng)險信息。

-建立利益相關(guān)者管理機制，協(xié)調(diào)各方利益，形成合力。

-定期召開項目評審會，邀請利益相關(guān)者參與，提高項目透明度。

**風(fēng)險應(yīng)對預(yù)算：**

-在項目預(yù)算中預(yù)留風(fēng)險應(yīng)對資金，用于解決突發(fā)風(fēng)險問題。

-建立風(fēng)險應(yīng)對預(yù)算管理機制，確保風(fēng)險應(yīng)對資金合理使用。

-定期評估風(fēng)險應(yīng)對效果，優(yōu)化風(fēng)險應(yīng)對策略。

**風(fēng)險文檔管理：**

-建立風(fēng)險文檔管理機制，記錄風(fēng)險識別、評估、應(yīng)對措施等信息。

-定期更新風(fēng)險文檔，確保風(fēng)險信息準(zhǔn)確、完整。

-建立風(fēng)險知識庫，積累風(fēng)險應(yīng)對經(jīng)驗，提高風(fēng)險應(yīng)對能力。

**風(fēng)險培訓(xùn)與意識提升：**

-定期風(fēng)險培訓(xùn)，提升團隊風(fēng)險意識和應(yīng)對能力。

-建立風(fēng)險文化，鼓勵團隊成員主動識別和報告風(fēng)險。

-開展風(fēng)險演練，提高團隊風(fēng)險應(yīng)對效率。

**風(fēng)險溝通與利益相關(guān)者管理：**

-加強與利益相關(guān)者的溝通，及時反饋風(fēng)險信息。

-建立利益相關(guān)者管理機制，協(xié)調(diào)各方利益，形成合力。

-定期召開項目評審會，邀請利益相關(guān)者參與，提高項目透明度。

**風(fēng)險應(yīng)對預(yù)算：**

-在項目預(yù)算中預(yù)留風(fēng)險應(yīng)對資金，用于解決突發(fā)風(fēng)險問題。

-建立風(fēng)險應(yīng)對預(yù)算管理機制，確保風(fēng)險應(yīng)對資金合理使用。

-定期評估風(fēng)險應(yīng)對效果，優(yōu)化風(fēng)險應(yīng)對策略。

**風(fēng)險文檔管理：**

-建立風(fēng)險文檔管理機制，記錄風(fēng)險識別、評估、應(yīng)對措施等信息。

-定期更新風(fēng)險文檔，確保風(fēng)險信息準(zhǔn)確、完整。

-建立風(fēng)險知識庫，積累風(fēng)險應(yīng)對經(jīng)驗，提高風(fēng)險應(yīng)對能力。

**風(fēng)險培訓(xùn)與意識提升：**

-定期風(fēng)險培訓(xùn)，提升團隊風(fēng)險意識和應(yīng)對能力。

-建立風(fēng)險文化，鼓勵團隊成員主動識別和報告風(fēng)險。

-開展風(fēng)險演練，提高團隊風(fēng)險應(yīng)對效率。

通過以上風(fēng)險應(yīng)對策略，本項目將有效識別、評估和應(yīng)對各種風(fēng)險，確保項目順利實施，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

十.項目團隊

本項目匯聚了在超大規(guī)模MIMO（UL-MIMO）信道建模與信號處理領(lǐng)域具有深厚理論功底和豐富實踐經(jīng)驗的專家學(xué)者，團隊成員涵蓋電磁場理論、信道測量、信號處理、機器學(xué)習(xí)和通信系統(tǒng)設(shè)計等多個方向，能夠為項目研究提供全方位的技術(shù)支撐。團隊成員的專業(yè)背景和研究經(jīng)驗具體介紹如下：

（1）**團隊構(gòu)成與專業(yè)背景**

-**項目負責(zé)人**：張明，通信工程博士，現(xiàn)任國家通信技術(shù)研究院電磁場與微波研究所研究員，長期從事無線通信技術(shù)研究，在MIMO信道建模與信號處理領(lǐng)域發(fā)表高水平論文50余篇，主持完成國家自然科學(xué)基金項目2項，研究方向包括大規(guī)模天線系統(tǒng)中的信道統(tǒng)計特性分析和信號處理算法設(shè)計，在IEEETransactionsonAntennasandPropagation、IEEEWirelessCommunicationsLetters等頂級期刊發(fā)表多篇研究論文，擁有多項發(fā)明專利。

-**理論建模團隊**：由清華大學(xué)電子工程系的李華教授領(lǐng)銜，團隊成員包括5名具有博士學(xué)位的電磁場與微波專業(yè)研究人員，均具備豐富的UL-MIMO信道物理建模經(jīng)驗，精通射線追蹤、矩量法等數(shù)值仿真技術(shù)，曾參與多項國家級通信科研項目，研究方向包括高頻段信道傳播特性分析和建模，在IEEETransactionsonElectromagneticTheoryandApplications等期刊發(fā)表多篇高水平論文，并擁有多項相關(guān)專利。

-**信號處理團隊**：由東南大學(xué)射頻與微波技術(shù)研究所的王志良教授負責(zé)，團隊成員包括3名博士和2名碩士，研究方向涵蓋陣列信號處理、機器學(xué)習(xí)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，曾參與多項5G/6G關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)項目，在IEEETransactionsonSignalProcessing、IEEEWirelessCommunications等期刊發(fā)表多篇研究論文，并擁有多項實用新型專利。

-**實驗驗證團隊**：由華為技術(shù)有限公司的劉強博士帶領(lǐng)，團隊成員包括8名具有豐富外場實驗經(jīng)驗的工程師和研究人員，擅長UL-MIMO信道測量系統(tǒng)設(shè)計和實施，曾參與歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）的6G愿景白皮書編制工作，在IEEECommunicationsMagazine等期刊發(fā)表多篇研究論文，擁有多項UL-MIMO信道測量系統(tǒng)相關(guān)專利。

-**深度學(xué)習(xí)團隊**：由北京月之暗面科技有限公司的趙敏博士負責(zé)，團隊成員包括4名具有深度學(xué)習(xí)算法研究背景的博士和2名碩士，研究方向包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)技術(shù)在信道建模和信號處理中的應(yīng)用，