CN105721085B - 一种太赫兹室内通信信道的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹室内通信信道的建模方法，能够用来准确地预测太赫兹波室内的传播特性和功率分布，其包括步骤：设置室内建模的仿真场景及其相关参数，包括房间尺寸、室内物品摆设位置和尺寸、墙面及各物体表面材料参数、太赫兹波频率等；确定太赫兹波发射机的位置和接收机的位置等参数；根据镜像对称法则，确定各条镜面反射光线的反射点，计算反射路径总长度，得到反射功率值；在镜面反射点周围均匀放置一系列的小方块作为散射点，计算散射路径总长度，得到散射功率值；根据室内场景确认是否有直接视距路径和衍射路径，若有则计算其功率值；汇总所有功率值，得到功率分布。本发明具有广泛适用性，算法简单，易于实现，预测精准。

Description

一种太赫兹室内通信信道的建模方法

技术领域

本发明属于太赫兹通讯领域，特别是涉及一种太赫兹室内通信信道的建模方法。

背景技术

近几十年来，随着太赫兹辐射源和探测器的迅速发展，太赫兹相关技术引起了人们的广泛关注。太赫兹波是电磁频率在0.1～10THz之间的电磁波，波段介于微波和远红外之间。太赫兹波频率远远高于微波，能够提供足够的带宽，通信传输容量大，可提供高达10Gb/s的无线传输速率，有望成为下一代高速无线通信的信息载体。

太赫兹通信也正处于高速发展阶段，目前120GHz，300GHz，3.9THz等多个频段的太赫兹通信系统都被提出和验证。太赫兹波在大气中传播容易受到严重的大气分子吸收和自由空间扩散损耗，因此太赫兹波非常适合于高速室内通信。为了推进太赫兹通信系统在室内通信的应用，需要建立合适的太赫兹室内信道模型来表征太赫兹波的传播特性和多径效应，为太赫兹发射机和接收机的系统设计提供理论依据和指导意见。

太赫兹波频率高，波长短，与常见材料表面的粗糙度非常接近，相比微波更容易发生散射效应。同时，太赫兹波束窄，方向性好，自由空间扩散相对较小，但是大气中水分子对太赫兹波的吸收非常严重。在某些尖锐物体的边缘，太赫兹波也很容易发生衍射现象。由于太赫兹波的这些独特性，现有的建模方法都无法应用到太赫兹波段。射线追踪法是基于几何光学的电磁波场强预测算法，被广泛用于移动通信环境中的预测无线电波传播的技术。但是射线追踪法只能追踪一次或多次反射光线，无法跟踪散射光线及衍射光线。

太赫兹室内通信信道建模作为推进太赫兹应用和技术发展重要的一环，是科学研究和工程实际的一个重要课题。为了表征太赫兹波室内传播特性和多径散射效应，本发明中提出了一种改进的射线追踪算法，用于太赫兹室内通信信道建模，可以获取太赫兹波传播过程中的功率、时延、天线角等信息，用于指导实际的工程系统设计。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹室内通信信道的建模方法，用于表征太赫兹波的传播特性和多径效应，为太赫兹的实际应用提供理论依据和指导意见。

太赫兹波在室内通信环境中不仅会有直接视距传播，还会有非直接视距传播。非直接视距传播主要包括镜面反射路径，表面散射路径和衍射路径等。在直接视距被一些障碍物阻挡时，非直接视距传播可以作为一个有力的补充，用来建立稳定的通信链路，实现数据的稳定传输。因此，非直接视距传播也是太赫兹信道模型中很重要的一部分。本发明提出的信道建模方法，不仅考虑到了直接视距传播，还考虑了非直接视距传播。太赫兹波的直接视距传播主要会受到大气吸收和自由空间扩散损耗，而非直接视距传播在此基础上还会受到反射损耗、散射损耗和衍射损耗等其他的损耗。为了计算太赫兹波的传播特性和场强分布，本发明采用射线追踪的方法来追踪每一条可能的光线路径，包括直接视距光线，反射光线，散射光线和衍射光线等。对于直接视距传播路径，采用Friis自由空间方程式进行计算；对于反射光线，计算菲涅尔反射因子，并根据Kirchhoff散射理论修正反射损耗；对于散射光线，利用Kirchhoff散射理论进行追踪，计算散射损耗；对于衍射光线，采用菲涅尔KED理论进行追踪，计算衍射损耗。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹室内通信信道的建模方法，包括步骤：步骤1)，依据室内场景及场景参数建立仿真模型；步骤2)，确定太赫兹波发射机位置和接收机位置的空间分布；步骤3)，根据室内场景确认是否存在直接视距传播路径，若有，则计算直接视距传播路径功率值；步骤4)，根据镜像对称法则，确定各条镜面反射光线的反射点，计算反射路径总长度和反射因子，得到反射功率值；步骤5)，在镜面反射点周围均匀设置一系列的小方块作为散射点，计算散射路径总长度和散射因子，得到散射功率值；步骤6)，根据室内场景确认是否存在衍射传播路径，若有，则计算衍射功率值；步骤7)，汇总所有路径的功率值，得到所有接收机位置的功率分布。

在这个建模方法的实施过程中，本发明除了可以得到每条光线的功率值信息之外，还可以得到每条光线的时延信息，发射机和接收机的天线角信息等，而这些信息可以用来估算系统的信道容量，评估系统的吞吐量和性能，作为实际系统设计如天线对准等的参考依据。该建模方法实施简单，操作方便，广泛适用于不同的室内场景，对0.06～10THz范围内的太赫兹波都能够进行追踪和计算，只需要修改设定的参数值即可。

作为本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法的一种优选方案，步骤1)中，所述室内场景及场景参数包括房间尺寸、室内物品摆设位置和尺寸、墙面及各物体表面材料参数以及太赫兹波频率。

作为本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法的一种优选方案，步骤3)中，直接视距传播过程中的损耗由自由空间扩散损耗和大气吸收损耗两部分组成，信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，d是发射机到接收机之间的直线传播距离，α(f)是特定频率下的大气吸收系数。

作为本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法的一种优选方案，步骤4)中，反射光线路径的损耗除了扩散损耗和大气吸收损耗之外，还要考虑在反射面处的反射损耗，因此反射路径上的信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，r₁,r₂分别是发射机和接收机反射点的距离，R(f)是反射损耗因子。

优选地，对于光滑表面的物体，发射损耗因子R(f)由菲涅尔反射系数r_TE/TM(f)直接给出：

其中，Z₀＝377Ω是空气阻抗，Z是反射材料的阻抗，Θ_i是光线的入射角和反射角，Θ_t是光线的折射角。

优选地，对于粗糙表面的物体，反射损耗因子使用Kirchhoff散射理论对菲涅尔反射系数进行修正，在此基础上再乘以瑞利粗糙因子，即R(f)＝ρ(f)·r_TE/TM(f)，其中瑞利粗糙因子ρ(f)与材料表面的粗糙度参数有关，其由以下公式给出：

其中，是表征材料表面粗糙度的高度方差。

作为本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法的一种优选方案，步骤5)中，散射光线路径的散射损耗的信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，s₁,s₂分别是发射机和接收机到散射区域中心的位置，S(f)是散射损耗因子。

作为本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法的一种优选方案，散射损耗只会发生在粗糙表面，散射损耗因子由Kirchhoff散射理论给出，其公式为：

其中，A＝l_xl_y表示散射块的面积，<ρρ^*>_∞表征非镜面方向上的瑞利粗糙因子，其由以下公式给出：

其中，l_c是表征材料表面粗糙度的交错长度参数，其余变量均是与散射几何角相关，包括：

ρ₀＝sin c(v_xl_x)·sin c(v_yl_y)，v_x＝k·(sinθ₁-sinθ₂cosθ₃)，

其中，k＝2π/λ是波数，是表征材料表面粗糙度的高度方差，θ₁,θ₂,θ₃分别表示入射光线的天顶角，散射光线的天顶角，散射光线的方位角；l_x,l_y表示散射区域的长和宽。

作为本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法的一种优选方案，步骤6)中，衍射光线路径只会发生在尖锐物体的边沿，且直接视距不存在的情形下，衍射光线路径会存在衍射损耗，其信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，d₁,d₂分别是发射机和接收机到衍射边缘点的距离，D(f)是衍射损耗因子。

作为本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法的一种优选方案，衍射损耗因子的计算由GTD理论或KED理论给出，其中，KED理论中，定义为Fresnel-Kirchhoff衍射参数，则衍射损耗因子由菲涅尔积分近似得到，由以下公式给出：

如上所述，本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法，具有以下有益效果：本发明中提出了一种改进的射线追踪算法，用于太赫兹室内通信信道建模，可以获取太赫兹波传播过程中的功率、时延、天线角等信息，用于指导实际的工程系统设计。本发明具有广泛适用性，算法简单，易于实现，预测精准，在太赫兹通讯领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法的步骤流程示意图。

图2显示为使用镜像对称法确定镜面反射点和反射光线路径的原理示意图。

图3显示为根据入射光线和散射光线确定相应的角度关系的原理示意图。

图4显示为在镜面反射点附近均匀放置一系列小方块作为散射点，用于追踪散射光线的路径的原理示意图。

图5显示为尖锐物体边沿的衍射光线路径的原理示意图。

元件标号说明

S11～S17 步骤1)～步骤7)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图5所示，本实施例提供一种太赫兹室内通信信道的建模方法，包括步骤：

如图1所示，首先进行步骤1)S11，依据室内场景及场景参数建立仿真模型。

作为示例，所述室内场景及场景参数包括房间尺寸、室内物品摆设位置和尺寸、墙面及各物体表面材料参数以及太赫兹波频率。

如图1所示，然后进行步骤2)S12，确定太赫兹波发射机位置和接收机位置的空间分布。

如图1所示，接着进行步骤3)S13，根据室内场景确认是否存在直接视距传播路径，若有，则计算直接视距传播路径功率值。

作为示例，直接视距传播过程中的损耗由自由空间扩散损耗和大气吸收损耗两部分组成，信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，d是发射机到接收机之间的直线传播距离，α(f)是特定频率下的大气吸收系数。

如图1及图2所示，然后进行步骤4)S14，根据镜像对称法则，确定各条镜面反射光线的反射点，计算反射路径总长度和反射因子，得到反射功率值。

如图2所示，由发射机TX位置、接收机RX位置和反射物体表面来确定镜面反射点的位置和反射路径，二次反射路径可以根据此原理类推。

作为示例，反射光线路径的损耗除了扩散损耗和大气吸收损耗之外，还要考虑在反射面处的反射损耗，因此反射路径上的信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，d是发射机到接收机之间的直线传播距离，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，r₁,r₂分别是发射机和接收机反射点的距离，R(f)是反射损耗因子。

对于光滑表面的物体，发射损耗因子R(f)由菲涅尔反射系数r_TE/TM(f)直接给出：

其中，Z₀＝377Ω是空气阻抗，Z是反射材料的阻抗，Θ_i是光线的入射角和反射角，Θ_t是光线的折射角。

对于粗糙表面的物体，反射损耗因子使用Kirchhoff散射理论对菲涅尔反射系数进行修正，在此基础上再乘以瑞利粗糙因子，即R(f)＝ρ(f)·r_TE/TM(f)，其中瑞利粗糙因子ρ(f)与材料表面的粗糙度参数有关，其由公式以下给出：

其中，σ_h是表征材料表面粗糙度的高度方差。

如图1及图3～图4所示，接着进行步骤5)S15，在镜面反射点周围均匀设置一系列的小方块作为散射点，计算散射路径总长度和散射因子，得到散射功率值。

如图3所示，由入射光线和散射光线的方向，可以确定几何计算中所需的角度和路径长度等信息。根据图4所示，在镜面反射点附近均匀放置一定数量的小方块，取方块中心点作为散射点，方块的大小取决于散射表面材料的粗糙度，边长一般以10倍于材料表面交错长度值为宜。方块的数目按照实际需求折中选取，参考值为20×20。

作为示例，散射光线路径的散射损耗的信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，s₁,s₂分别是发射机和接收机到散射区域中心的位置，S(f)是散射损耗因子。

散射损耗只会发生在粗糙表面，散射损耗因子由Kirchhoff散射理论给出，其公式为：

其中，A＝l_xl_y表示散射块的面积，<ρρ^*>_∞表征非镜面方向上的瑞利粗糙因子，其由以下公式给出：

其中，l_c是表征材料表面粗糙度的交错长度参数，其余变量均是与散射几何角相关，包括：

ρ₀＝sin c(v_xl_x)·sin c(v_yl_y)，v_x＝k·(sinθ₁-sinθ₂cosθ₃)，

其中，k＝2π/λ是波数，是表征材料表面粗糙度的高度方差，θ₁,θ₂,θ₃分别表示入射光线的天顶角，散射光线的天顶角，散射光线的方位角；l_x,l_y表示散射区域的长和宽。

如图1及图5所示，接着进行步骤6)S16，根据室内场景确认是否存在衍射传播路径，若有，则计算衍射功率值。

图5给出了衍射光线路径的示意图，在实际室内场景中，可能存在直接视距路径被障碍物挡住的情形，这时太赫兹波会在尖锐物体的边沿处发生衍射绕射现象，从而到达接收机。

如图1所示，最后进行步骤7)S17，汇总所有路径的功率值，得到所有接收机位置的功率分布。

作为示例，衍射光线路径只会发生在尖锐物体的边沿，且直接视距不存在的情形下，衍射光线路径会存在衍射损耗，其信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，d₁,d₂分别是发射机和接收机到衍射边缘点的距离，D(f)是衍射损耗因子。

衍射损耗因子的计算由GTD理论或KED理论给出，其中，KED理论中，定义为Fresnel-Kirchhoff衍射参数，则衍射损耗因子由菲涅尔积分近似得到，由以下公式给出：

对于室内多径传播信道建模，其信道传输函数可以由直接视距传播、反射光线传播、散射光线传播和衍射光线传播等，直接视距传播最多只有一条，也可能不存在，散射光线传播只会发生在粗糙物体表面，而衍射光线传播只会发生在尖锐物体边缘且直接视距不存在的情形下。等效的信道传输函数可以表示为：

根据以上给出的信道传输函数，如果考虑发射机和接收机的天线增益等参数，由Friis自由空间方程式可以直接得到接收到的功率值：

P_RX＝P_TX·G_t·G_r·|H_EQ(f)|²

因此，如果确定了室内环境及物体等相关参数，如室内各种材料的粗糙度、折射率、阻抗以及尺寸等，就可以利用本方案提出的射线追踪算法和理论来计算特定频率下室内接收点的功率值信息，用来预测太赫兹波场强分布。在这个建模方法的实施过程中，本发明除了可以得到每条光线的功率值信息之外，还可以得到每条光线的时延信息，发射机和接收机的天线角及相位等信息，而这些信息可以用来估算系统的信道容量，评估系统的吞吐量和性能，作为实际系统设计如天线对准等的参考依据。该建模方法实施简单，操作方便，广泛适用于不同的室内场景，对0.06～10THz范围内的太赫兹波都能够进行追踪和计算，只需要修改设定的参数值即可。

如上所述，本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法，具有以下有益效果：本发明中提出了一种改进的射线追踪算法，用于太赫兹室内通信信道建模，可以获取太赫兹波传播过程中的功率、时延、天线角、相位等信息，用于指导实际的工程系统设计。本发明具有广泛适用性，算法简单，易于实现，预测精准，在太赫兹通讯领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1)，依据室内场景及场景参数建立仿真模型；

步骤2)，确定太赫兹波发射机位置和接收机位置的空间分布；

步骤3)，根据室内场景确认是否存在直接视距传播路径，若有，则计算直接视距传播路径功率值；步骤3)中，直接视距传播过程中的损耗由自由空间扩散损耗和大气吸收损耗两部分组成，信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，d是发射机到接收机之间的直线传播距离，α(f)是特定频率下的大气吸收系数；

步骤4)，根据镜像对称法则，确定各条镜面反射光线的反射点，计算反射路径总长度和反射因子，得到反射功率值；

步骤5)，在镜面反射点周围均匀设置一系列的小方块作为散射点，计算散射路径总长度和散射因子，得到散射功率值；

步骤6)，根据室内场景确认是否存在衍射传播路径，若有，则计算衍射功率值；

步骤7)，汇总所有路径的功率值，得到所有接收机位置的功率分布。

2.根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：步骤1)中，所述室内场景及场景参数包括房间尺寸、室内物品摆设位置和尺寸、墙面及各物体表面材料参数以及太赫兹波频率。

3.根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：步骤4)中，反射光线路径的损耗除了扩散损耗和大气吸收损耗之外，还要考虑在反射面处的反射损耗，因此反射路径上的信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，r₁,r₂分别是发射机和接收机反射点的距离，R(f)是反射损耗因子。

4.根据权利要求3所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：对于光滑表面的物体，发射损耗因子R(f)由菲涅尔反射系数r_TE/TM(f)直接给出：

其中，Z₀＝377Ω是空气阻抗，Z是反射材料的阻抗，Θ_i是光线的入射角和反射角，Θ_t是光线的折射角。

5.根据权利要求3所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：对于粗糙表面的物体，反射损耗因子使用Kirchhoff散射理论对菲涅尔反射系数进行修正，在此基础上再乘以瑞利粗糙因子，即R(f)＝ρ(f)·r_TE/TM(f)，其中瑞利粗糙因子ρ(f)与材料表面的粗糙度参数有关，其由以下公式给出：

其中，是表征材料表面粗糙度的高度方差。

6.根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：步骤5)中，散射光线路径的散射损耗的信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，s₁,s₂分别是发射机和接收机到散射区域中心的位置，S(f)是散射损耗因子。

7.根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：散射损耗只会发生在粗糙表面，散射损耗因子由Kirchhoff散射理论给出，其公式为：

其中，A＝l_xl_y表示散射块的面积，<ρρ^*>_∞表征非镜面方向上的瑞利粗糙因子，其由以下公式给出：

其中，l_c是表征材料表面粗糙度的交错长度参数，其余变量均是与散射几何角相关，包括：

其中，k＝2π/λ是波数，是表征材料表面粗糙度的高度方差，θ₁,θ₂,θ₃分别表示入射光线的天顶角，散射光线的天顶角，散射光线的方位角；l_x,l_y表示散射区域的长和宽。

8.根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：步骤6)中，衍射光线路径只会发生在尖锐物体的边沿，且直接视距不存在的情形下，衍射光线路径会存在衍射损耗，其信道传输函数由以下公式给出：

其中，c是光速，f是太赫兹波频率，α(f)是特定频率下的大气吸收系数，d₁,d₂分别是发射机和接收机到衍射边缘点的距离，D(f)是衍射损耗因子。

9.根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：衍射损耗因子的计算由GTD理论或KED理论给出，其中，KED理论中，定义为Fresnel-Kirchhoff衍射参数，h为普朗克常数，则衍射损耗因子由菲涅尔积分近似得到，由以下公式给出：