一種太赫茲室內(nèi)通信信道的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲通訊領(lǐng)域，特別是涉及一種太赫茲室內(nèi)通信信道的建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾十年來(lái)，隨著太赫茲輻射源和探測(cè)器的迅速發(fā)展，太赫茲相關(guān)技術(shù)引起了人 們的廣泛關(guān)注。太赫茲波是電磁頻率在0.1~10THZ之間的電磁波，波段介于微波和遠(yuǎn)紅外 之間。太赫茲波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于微波，能夠提供足夠的帶寬，通信傳輸容量大，可提供高達(dá) 10Gb/s的無(wú)線傳輸速率，有望成為下一代高速無(wú)線通信的信息載體。
[0003] 太赫茲通信也正處于高速發(fā)展階段，目前120GHz，300GHz，3.9THZ等多個(gè)頻段的太 赫茲通信系統(tǒng)都被提出和驗(yàn)證。太赫茲波在大氣中傳播容易受到嚴(yán)重的大氣分子吸收和自 由空間擴(kuò)散損耗，因此太赫茲波非常適合于高速室內(nèi)通信。為了推進(jìn)太赫茲通信系統(tǒng)在室 內(nèi)通信的應(yīng)用，需要建立合適的太赫茲室內(nèi)信道模型來(lái)表征太赫茲波的傳播特性和多徑效 應(yīng)，為太赫茲發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)意見。
[0004] 太赫茲波頻率高，波長(zhǎng)短，與常見材料表面的粗糙度非常接近，相比微波更容易發(fā) 生散射效應(yīng)。同時(shí)，太赫茲波束窄，方向性好，自由空間擴(kuò)散相對(duì)較小，但是大氣中水分子對(duì) 太赫茲波的吸收非常嚴(yán)重。在某些尖銳物體的邊緣，太赫茲波也很容易發(fā)生衍射現(xiàn)象。由于 太赫茲波的這些獨(dú)特性，現(xiàn)有的建模方法都無(wú)法應(yīng)用到太赫茲波段。射線追蹤法是基于幾 何光學(xué)的電磁波場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)算法，被廣泛用于移動(dòng)通信環(huán)境中的預(yù)測(cè)無(wú)線電波傳播的技術(shù)。 但是射線追蹤法只能追蹤一次或多次反射光線，無(wú)法跟蹤散射光線及衍射光線。
[0005] 太赫茲室內(nèi)通信信道建模作為推進(jìn)太赫茲應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展重要的一環(huán)，是科學(xué)研 究和工程實(shí)際的一個(gè)重要課題。為了表征太赫茲波室內(nèi)傳播特性和多徑散射效應(yīng)，本發(fā)明 中提出了一種改進(jìn)的射線追蹤算法，用于太赫茲室內(nèi)通信信道建模，可以獲取太赫茲波傳 播過(guò)程中的功率、時(shí)延、天線角等信息，用于指導(dǎo)實(shí)際的工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲室內(nèi)通信信道 的建模方法，用于表征太赫茲波的傳播特性和多徑效應(yīng)，為太赫茲的實(shí)際應(yīng)用提供理論依 據(jù)和指導(dǎo)意見。
[0007] 太赫茲波在室內(nèi)通信環(huán)境中不僅會(huì)有直接視距傳播，還會(huì)有非直接視距傳播。非 直接視距傳播主要包括鏡面反射路徑，表面散射路徑和衍射路徑等。在直接視距被一些障 礙物阻擋時(shí)，非直接視距傳播可以作為一個(gè)有力的補(bǔ)充，用來(lái)建立穩(wěn)定的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的穩(wěn)定傳輸。因此，非直接視距傳播也是太赫茲信道模型中很重要的一部分。本發(fā)明提出 的信道建模方法，不僅考慮到了直接視距傳播，還考慮了非直接視距傳播。太赫茲波的直接 視距傳播主要會(huì)受到大氣吸收和自由空間擴(kuò)散損耗，而非直接視距傳播在此基礎(chǔ)上還會(huì)受 到反射損耗、散射損耗和衍射損耗等其他的損耗。為了計(jì)算太赫茲波的傳播特性和場(chǎng)強(qiáng)分 布，本發(fā)明采用射線追蹤的方法來(lái)追蹤每一條可能的光線路徑，包括直接視距光線，反射光 線，散射光線和衍射光線等。對(duì)于直接視距傳播路徑，采用Friis自由空間方程式進(jìn)行計(jì)算； 對(duì)于反射光線，計(jì)算菲涅爾反射因子，并根據(jù)Kirchhoff散射理論修正反射損耗;對(duì)于散射 光線，利用Kirchhof f散射理論進(jìn)行追蹤，計(jì)算散射損耗;對(duì)于衍射光線，采用菲涅爾KED理 論進(jìn)行追蹤，計(jì)算衍射損耗。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種太赫茲室內(nèi)通信信道的建模方 法，包括步驟:步驟1 )，依據(jù)室內(nèi)場(chǎng)景及場(chǎng)景參數(shù)建立仿真模型;步驟2 )，確定太赫茲波發(fā)射 機(jī)位置和接收機(jī)位置的空間分布;步驟3)，根據(jù)室內(nèi)場(chǎng)景確認(rèn)是否存在直接視距傳播路徑， 若有，則計(jì)算直接視距傳播路徑功率值;步驟4 )，根據(jù)鏡像對(duì)稱法則，確定各條鏡面反射光 線的反射點(diǎn)，計(jì)算反射路徑總長(zhǎng)度和反射因子，得到反射功率值;步驟5)，在鏡面反射點(diǎn)周 圍均勻設(shè)置一系列的小方塊作為散射點(diǎn)，計(jì)算散射路徑總長(zhǎng)度和散射因子，得到散射功率 值;步驟6)，根據(jù)室內(nèi)場(chǎng)景確認(rèn)是否存在衍射傳播路徑，若有，則計(jì)算衍射功率值;步驟7)， 匯總所有路徑的功率值，得到所有接收機(jī)位置的功率分布。
[0009] 在這個(gè)建模方法的實(shí)施過(guò)程中，本發(fā)明除了可以得到每條光線的功率值信息之 外，還可以得到每條光線的時(shí)延信息，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線角信息等，而這些信息可以用 來(lái)估算系統(tǒng)的信道容量，評(píng)估系統(tǒng)的吞吐量和性能，作為實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)如天線對(duì)準(zhǔn)等的參 考依據(jù)。該建模方法實(shí)施簡(jiǎn)單，操作方便，廣泛適用于不同的室內(nèi)場(chǎng)景，對(duì)0.06~lOTHz范圍 內(nèi)的太赫茲波都能夠進(jìn)行追蹤和計(jì)算，只需要修改設(shè)定的參數(shù)值即可。
[0010] 作為本發(fā)明的太赫茲室內(nèi)通信信道的建模方法的一種優(yōu)選方案，步驟1)中，所述 室內(nèi)場(chǎng)景及場(chǎng)景參數(shù)包括房間尺寸、室內(nèi)物品擺設(shè)位置和尺寸、墻面及各物體表面材料參 數(shù)以及太赫茲波頻率。
[0011] 作為本發(fā)明的太赫茲室內(nèi)通信信道的建模方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中，直接 視距傳播過(guò)程中的損耗由自由空間擴(kuò)散損耗和大氣吸收損耗兩部分組成，信道傳輸函數(shù)由 以下公式給出：
[0013] 其中，c是光速，f是太赫茲波頻率，d是發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的直線傳播距離，a(f) 是特定頻率下的大氣吸收系數(shù)。
[0014] 作為本發(fā)明的太赫茲室內(nèi)通信信道的建模方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，反射 光線路徑的損耗除了擴(kuò)散損耗和大氣吸收損耗之外，還要考慮在反射面處的反射損耗，因 此反射路徑上的信道傳輸函數(shù)由以下公式給出：
[0016] 其中，c是光速，f?是太赫茲波頻率，a(f)是特定頻率下的大氣吸收系數(shù)，ri，r2分別 是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)反射點(diǎn)的距離，R(f)是反射損耗因子。
[0017] 優(yōu)選地，對(duì)于光滑表面的物體，發(fā)射損耗因子R(f)由菲涅爾反射系數(shù)rTE/TM(f)直接 給出：

[0020] 其中，Zo = 377Q是空氣阻抗，Z是反射材料的阻抗，?i是光線的入射角和反射角， ?t是光線的折射角。
[0021] 優(yōu)選地，對(duì)于粗糙表面的物體，反射損耗因子使用Kirchhoff散射理論對(duì)菲涅爾反 射系數(shù)進(jìn)行修正，在此基礎(chǔ)上再乘以瑞利粗糙因子，即R(f)=P(f) ? rTE/TM( f )，其中瑞利粗 糙因子p(f)與材料表面的粗糙度參數(shù)有關(guān)，其由以下公式給出：
[0023] 其中，of是表征材料表面粗糙度的高度方差。
[0024] 作為本發(fā)明的太赫茲室內(nèi)通信信道的建模方法的一種優(yōu)選方案，步驟5)中，散射 光線路徑的散射損耗的信道傳輸函數(shù)由以下公式給出：
[0026] 其中，c是光速，f?是太赫茲波頻率，a(f)是特定頻率下的大氣吸收系數(shù)，S1，S2分別 是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)到散射區(qū)域中心的位置，S(f)是散射損耗因子。
[0027] 作為本發(fā)明的太赫茲室內(nèi)通信信道的建模方法的一種優(yōu)選方案，散射損耗只會(huì)發(fā) 生在粗糙表面，散射損耗因子由Kirchhoff散射理論給出，其公式為：
(6)
[0029]其中，A=lxly表示散射塊的面積，〈ppSoo表征非鏡面方向上的瑞利粗糙因子，其由 以下公式給出：
[0031]其中，1。是表征材料表面粗糙度的交錯(cuò)長(zhǎng)度參數(shù)，其余變量均是與散射幾何角相 關(guān)，包括：
[0034] 其中，k = 2VA是波數(shù)，％2是表征材料表面粗糙度的高度方差，，02，03分別表示 入射光線的天頂角，散射光線的天頂角，散射光線的方位角；lx，ly表示散射區(qū)域的長(zhǎng)和寬。<