在上中频段对射线追踪模拟器 NYURay 进行基于位置的定标与验证

这对日常连接意味着什么

随着我们的手机、汽车和工厂依赖更高速的无线链路，工程师需要一种在不重建整个城市的情况下测试未来网络的方法。本文介绍了研究人员如何将布鲁克林市中心的详尽 3D 数字副本变成“无线电孪生”——一个名为 NYURay 的模拟器，该模拟器可以预测在关键 6G 频段上信号如何穿过街道并绕过建筑物传播，以及他们如何修正那些通常会使此类仿真失真的隐性 GPS 误差。

为电磁波构建数字城市

为了给出可信的预测，团队首先构建了 NYU 布鲁克林校区区域的高精度 3D 模型。他们以开放地图数据为起点，随后带着激光测距仪和手机 LiDAR 扫描器外出测量建筑高度、路灯、长凳、交通标志甚至垃圾桶，精度达到几厘米级。数字城市中的每一个对象都被标注以现实的材料属性，使 NYURay 能够估算在 6.75 GHz 和 16.95 GHz 频率下无线电波如何被反射、穿透或绕射——这是关键的一步，因为在这些频率下，即便是适度的细节也会强烈影响信号强度。

从理论到逼真的信号路径

在这个虚拟城市中，NYURay 跟踪无线信号从灯柱上的基站到人行道或街道上用户可能经过的多条路径。它包含四种关键行为：墙面和地面的反射、材料的有限透射、绕过建筑边缘的衍射，以及在合适情况下由粗糙表面引起的散射。对每条路径，模拟器计算波传播的距离、衰减程度以及到达时间。将所有路径的贡献叠加后，NYURay 生成“功率—时延剖面”，这是显示信号能量在时间上如何分布的一种指纹——可以用专门的测试设备在真实世界中测量得到。

修复模糊位置的隐性问题

将仿真与实测匹配的一个主要障碍是，现场测量通常依赖标准 GPS，而在城市街道中它可能偏差 5 到 10 米。在本文研究的频率下，这类误差会完全改变信号反射所涉及的建筑，从而让一个良好的模拟看起来不对。研究人员开发了一种位置定标算法，在已知的 GPS 误差范围内对发射端和接收端位置进行微调，直到模拟与测得的功率—时延剖面尽可能一致。通过粗网格搜索与精细的无导数优化相结合，他们将位置误差平均降低到低于一米，并显著改善了主要信号峰值在时间和功率上的一致性，尤其在存在清晰视距时效果显著。

数字孪生与真实城市的匹配程度

在完成位置定标后，团队将 NYURay 的预测与覆盖 40 到 880 米、包括开阔广场和典型城市街道的 18 对发射—接收对的详尽测量进行了比较。对于大尺度行为——信号随距离衰减的速度——结果非常吻合：模拟器的路径损耗指数与测量值的差异最多为 0.14，并且紧随业界标准的 3GPP 模型。数字孪生的不足之处在于“多径丰富度”方面，即由无数小型反射体和行驶或行走的移动物体（如车辆和行人）引起的信号在时间和角度上的细微扩展。由于 3D 模型并未包含每一处窗框和树枝，且模拟假设场景是静止的，NYURay 系统性地低估了与测量相比的时延扩展和角度扩展。

这对未来无线网络意味着什么

对于实际的 6G 规划——比如决定小型基站的放置位置或估算覆盖与干扰——这项研究表明，经过细致定标的射线追踪引擎（如 NYURay）已能提供高度可靠的答案。它能捕捉信号随距离衰减的规律以及在现实城市中绕过主要障碍物的行为，并且可调以修正长时间测量活动中不完美的 GPS 记录。与此同时，在细粒度多径细节上的差距也指出了未来工具需要改进的方向：增加更丰富的环境细节并引入对移动人员和车辆更智能的建模。这些进展共同推动我们更接近可信的无线“数字孪生”，使工程师能够在真正建设任何天线前，完全在软件中实验明日的网络。

引用: Ying, M., Shakya, D., Ma, P. et al. Site-specific location calibration and validation of ray-tracing simulator NYURay at upper mid-band frequencies. npj Wirel. Technol. 2, 8 (2026). https://doi.org/10.1038/s44459-025-00014-x

关键词: 射线追踪, 6G 无线, 无线传播, 数字孪生, 城市场景微蜂窝