基于6.75 GHz射线追踪与信道状态信息的6G集成感知通信成像新方法

《IEEE Journal of Selected Topics in Electromagnetics, Antennas and Propagation》：ISAC Imaging by Channel State Information Using Ray Tracing for Next Generation 6G

本文针对6G集成感知通信(ISAC)中复杂环境成像的挑战，提出了一种利用NYURay射线追踪生成的CSI多径分量进行三维成像的创新框架。研究团队通过等效反射点(ERP)优化算法，将多径参数转化为空间坐标，实现了对金属立方体、车辆、树木等复杂物体的高精度三维重建。该研究首次在6.75 GHz频段实现了基于射线追踪的多跳ISAC成像，为6G环境感知与数字孪生应用提供了重要技术支撑。

　　

随着第六代移动通信系统(6G)的快速发展，集成感知通信(ISAC)技术正成为实现环境感知与高速数据传输融合的关键支柱。然而，传统基于信道状态信息(CSI)的成像方法通常假设单跳反射，难以准确重建复杂物体的三维结构，特别是在存在多跳反射的复杂传播环境中。这一局限性严重制约了ISAC技术在数字孪生、自动驾驶等6G标志性应用场景中的实际效能。

为解决这一挑战，纽约大学阿布扎比分校Ahmad Bazzi团队在《IEEE Journal of Selected Topics in Electromagnetics, Antennas and Propagation》上发表了一项创新研究，提出了基于6.75 GHz射线追踪的ISAC成像框架。该研究巧妙地将通信基础设施中的标准CSI测量转化为精确的环境三维地图，无需额外硬件即可实现复杂物体的几何重建。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先利用校准的NYURay射线追踪器在6.75 GHz频段生成包含角度、时延等参数的多径分量；随后开发了两段式反射点优化算法，独立估计从发射机(TX)和接收机(RX)到等效反射点(ERP)的路径长度；最后通过多视角融合(MVF)技术将不同TX-RX位置对的ERP聚合成密集三维点云。实验验证了该方法在多种物体上的成像效果，包括标准树木模型、金属立方体(1 m和4 m)、金属三角形板、金属圆形板以及特斯拉车辆模型。

系统模型构建

研究建立了基于多径分量的信道模型，将每个路径表征为包含发射角(θ_TX,i,j,φ_TX,i,j)、接收角(θ_RX,i,j,φ_RX,i,j)、时延(τ_i,j)和路径增益(g_i,j)的六元组参数。通过MIMO基带脉冲响应公式，准确描述了信号在复杂环境中的传播特性。

成像算法创新

核心贡献在于提出了等效反射点优化方法，将多跳路径抽象为单个ERP。算法通过最小化TX段和RX段之间的距离误差，在满足路径长度约束条件下求解最优参数α_opt^(i,j)和β_opt^(i,j)。对于不满足理想单跳反射条件的路径，该方法提供了几何一致的最佳拟合点。

多视角融合技术

研究引入了基于几何一致性的点云融合策略，通过设定阈值γ=10过滤异常点，将来自不同TX-RX视角的ERP聚合成完整的三维重建结果。该策略有效解决了单视角成像中的盲区问题，显著提升了成像的完整性和准确性。

实验结果验证

在六类测试物体上的实验结果表明，该方法能够准确重建各种几何特征。树木成像中清晰显示了树干和树冠的分层结构，金属立方体成像凸显了边缘和角落的强反射特性，曲面物体如圆形板的重建则准确捕捉了其弯曲特征。特别值得注意的是，特斯拉车辆模型的成像结果详细呈现了车身轮廓、车窗和轮拱等复杂结构。

性能指标分析

通过Chamfer距离(CD)指标定量评估了成像质量与TX-RX对数量的关系。研究发现，对于简单几何体，6对TX-RX即可获得良好重建效果，而复杂物体如特斯拉车辆需要8-10对TX-RX才能达到稳定性能。这一分析为实际系统部署提供了重要参考。

研究结论表明，该ISAC成像框架成功实现了基于通信信号的精确环境感知，为6G系统实现原生感知功能奠定了基础。NYURay射线追踪与ERP优化的结合，为复杂环境下的实时三维重建提供了可行方案。尽管在计算效率、硬件损伤补偿等方面仍存在挑战，但这项工作为未来ISAC系统的实际部署指明了方向，特别是在城市数字孪生、自动驾驶等需要高精度环境感知的应用场景中具有重要价值。

该研究的创新性在于首次在6.75 GHz频段实现了基于射线追踪的多跳ISAC成像，将标准通信信号转化为精确的环境三维地图。这种方法不仅突破了传统单跳反射假设的限制，还为6G系统实现无缝集成的感知与通信功能提供了技术支撑。随着未来硬件能力的提升和算法的进一步优化，这种基于CSI的成像技术有望成为6G网络的基础性感知手段，推动智能交通、智慧城市等应用场景的快速发展。