CN111147170A - 一种空天地一体化太赫兹通信信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空天地海一体化通信技术领域，具体涉及一种空天地一体化太赫兹通信信道建模方法；该建模方法包括自由空间传播损耗模块、云雾衰减模块、分子吸收损耗模块、降雨衰减模块、信道传输时延模块、多普勒频移模块、多普勒频移变化率模块、随机相位模块、生成信号冲击函数模块；本发明所提建模方法涵盖了太赫兹空天地信道的主要因素，构建了空天地太赫兹通信信道建模流程，并给出了分步骤信道参数的生成方法能够提供不同传输条件下的动态太赫兹信道复合衰减效应的响应数据，对未来空天地一体化太赫兹实现可靠通信提出了相应的传输技术设计建议。

Description

一种空天地一体化太赫兹通信信道建模方法

技术领域

本发明涉及空天地海一体化通信技术领域，具体涉及一种空天地一体化太 赫兹通信信道建模方法。

背景技术

国际互联网作为网络空间基础设施，以SpaceX、OneWeb、O3b为代表的新 兴卫星企业正加紧全球布局，争夺频轨资源，构建卫星互联网抢占发展先机。

太赫兹频段具有频率高、波束窄、绝对带宽大、通信容量大等优点。由于 其所处位置的过渡性，它同时具备电磁波和光波的性质，还具有穿透性、光谱 分辨特性、时间和空间相干性等特点。并且，相对无线光通信而言，波束更宽， 接收端容易对准，量子噪声较低，天线终端可以小型化、平面化。因此，太赫 兹波可广泛应用于空间通信中，特别适合用于卫星之间、星地之间的宽度通信， 有望进一步提升传输速率，对推动空天地海一体化网络发展具有重大意义。

然而，目前关于太赫兹信道的研究，大多数集中于室外短距离通信和室内 无线信道传输，对太赫兹频段星地无线通信场景尚未做深入分析。现有关于太 赫兹星地通信信道的研究，通常集中分析影响太赫兹信道特性的单一因素，如 大气分子吸收、降雨衰减等，未考虑随时间变化的多种衰减源的综合影响，缺 乏系统性、模块化的建模流程与方法。另外，对于大气因素同时作用对信道产 生的复合衰减效应的研究，主要集中在微波和毫米波频段，对太赫兹频段的研 究不够深入，同时实验数据也不是很多。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种空天地一体化太赫兹通信信道建 模方法。

一方面，本发明提供了一种空天地一体化太赫兹通信信道建模方法，所述 方法包括如下述步骤：

S1：设定初始环境参数，所述环境参数包括载波频率f_c、频偏变化率收发 距离d(t)、相对移动速度v(t)；

S2：根据所述环境参数，计算出自由空间传播损耗L_free、分子吸收损耗L_air、 云雾衰减L_fog和降雨衰减L_rain，并生成信道传输损耗L；

S3：根据传输速度和频偏变化率收发距离的关系，生成信道传输时延τ₀(t)；

S4：根据信道传输时延τ₀(t)，生成信道传输相移φ₀(t)；

S5：根据信道传输损耗L和信道传输相移φ₀(t)，生成信道冲激响应h(t)；

S6：更新时间参数t，并更新不同传输距离、不同天气条件下对应时变参数 的取值，回到步骤S1，生成新的信道响应。

可选的，所述自由空间传播损耗是太赫兹在空气中传播时候的能量损耗， 太赫兹在穿透任何介质的时候都会有损耗，则太赫兹自由空间损耗L_free可以表 示为：

L_free＝32.4+20log(f_c)+20log(d(t))

其中，log(*)为对数运算。

可选的，所述分子吸收损耗是大气中水分子和氧分子对太赫兹波段特殊的 吸收效应，使得大气在太赫兹波段的折射率成为一个复数折射率，其具体值由 不同大气环境下的压强、温度和湿度决定，其大气中氧气和水汽对太赫兹波段 的分子吸收损耗L_air可以表示为：

其中，γ₀为大气中氧气所造成的衰减率；γ_w为水汽所造成的衰减率；h₀为 干燥空气的有效高度；h_w为水汽的有效高度；θ为通信仰角，sin(*)为正弦函数。

可选的，所述云雾衰减是太赫兹会受到对流层中的云雾的吸收和散射，其 大气中云雾对太赫兹波的吸收衰减L_fog可以表示为：

其中，H₀表示为液态水柱含量；K₀表示衰减率系数；β为通信仰角。

可选的，所述降雨衰减是太赫兹会受到降雨的吸收和散射，其大气中降雨 对太赫兹波的降雨衰减L_rain可以表示为：

其中，L_E表示有效路径长度；μ表示降雨衰减率。

可选的，所述信道传输时延是当传输过程是卫星与地面的通信时，考虑到 两者之间的距离以及太赫兹波穿越对流层过程中的明显损耗，多径效应对接收 端的影响已经微乎其微。因此，模型中主要考虑了视距传输，视距径的传输时 延只与传播速度与收发距离有关，则生成信道传输时延τ₀(t)可以表示为：

其中，c表示光速。

可选的，所述生成信道传输相移是由多普勒频移f_d、多普勒频移变化率f′_d、 随机相位ψ₀产生，则生成信道传输时延φ₀(t)可以表示为：

其中，Δt表示变化时间，随机相位ψ₀服从在[0,1]上的均匀分布，其均匀 分布概率密度函数f(x)可以表示为：

可选的，所述生成信号冲击函数是信号通过信道的冲激响应，则生成信号 冲击函数h(t)可以表示为：

h(t)＝a₀(t)exp[-jφ₀(t)]·δ[t-τ₀(t)]

其中，

δ(*)表示冲击函数，exp(*)表示指数函数，

可选的，所述多普勒频移作为信息发射源的卫星相对接收平台是不断高速 运动的，其径向运动速度将对调制信号产生一个多普勒效应，从而导致接收端 信号解调时形成一个较大的载波频偏，其多普勒频移f_d可以表示为：

其中，ξ表示为入射波的夹角，cos(*)为余弦函数。

可选的，所述多普勒频移变化率为信息发射源的卫星相对接收平台是不断 高速运动的，其径向运动速度也不断变化将对调制信号产生一个多普勒频移变 化率，其多普勒频移变化率f′_d可以表示为：

其中，df_d和dt表示微分运算。

本发明的有益效果体现在：

(1)该模型涵盖了太赫兹空天地信道的自由空间损耗、分子吸收损耗、云 雾衰减、雨衰减及多普勒频移及其多普勒频移变化率等太赫兹信道的影响因素。

(2)该方法提出了一种适用于空天地一体化通信系统模块化、流程化的太 赫兹信道建模理论及其模型。

(3)该方法给出了分步骤信道参数的生成方法，可以根据实际情况进行配 置，能够较好的实时模拟空天地一体化太赫兹通信信道的特征。

(4)本发明既能够描述静止、非静止轨道卫星通信信道特性，又能够描述 宽带和窄带通信的情况，能够较为准确地描述卫星太赫兹通信信道的传输特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将 对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附 图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分 并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明空天地一体化太赫兹通信信道建模方法的流程示意图；

图2是本发明空天地一体化太赫兹通信信道建模方法的模型图；

图3是本发明空天地一体化太赫兹通信信道建模方法在晴好天气时接收系 统的谟码率与传输距离的关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例 仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限 制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当 为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特 性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语 并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实 施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与 其它实施例相结合。

目前关于太赫兹信道的研究，大多数集中于室外短距离通信和室内无线信 道传输，对太赫兹频段星地无线通信场景尚未做深入分析；现有关于太赫兹星 地通信信道的研究，通常集中分析影响太赫兹信道特性的单一因素，如大气分 子吸收、降雨衰减等，未考虑随时间变化的多种衰减源的综合影响，缺乏系统 性、模块化的建模流程与方法；为了解决上述问题，所以有必要，研制一种空 天地一体化太赫兹通信信道建模方法，构建了空天地太赫兹通信信道建模流程， 并给出了分步骤信道参数的生成方法能够提供不同传输条件下的动态太赫兹信 道复合衰减效应的响应数据，对未来空天地一体化太赫兹实现可靠通信提出了 相应的传输技术设计建议。

本发明模型包括参数配置模块、自由空间传播损耗模块、云雾衰减模块、 分子吸收损耗模块、降雨衰减模块、信道传输时延模块、多普勒频移模块、多 普勒频移变化率模块、随机相位模块、生成信号冲击函数模块、更新参数时间t 模块。

本发明具体实施方式提供一种空天地一体化太赫兹通信信道建模方法，该 方法如图1-3所示，包括如下步骤：

在步骤S1中，设定初始环境参数，所述环境参数包括载波频率f_c、频偏 变化率收发距离d(t)、相对移动速度v(t)。

在本发明实施例中，载波频率f_c指发射信号时的射频频率；相对移动速度 v(t)是指终端相对卫星的速度；频偏变化率收发距离d(t)是在t时刻卫星与终端 间的距离。

在步骤S2中，根据所述环境参数，计算出自由空间传播损耗L_free、分子吸 收损耗L_air、云雾衰减L_fog和降雨衰减L_rain，并生成信道传输损耗L。

在本发明实施例中，自由空间传播损耗是太赫兹在空气中传播时候的能量 损耗，太赫兹在穿透任何介质的时候都会有损耗，则太赫兹自由空间损耗L_free (dB)可以表示为：L_free＝32.4+20log(f_c)+20log(d(t))；其中，log(*)为对数运算。

分子吸收损耗是大气中水分子和氧分子对太赫兹波段特殊的吸收效应，使 得大气在太赫兹波段的折射率成为一个复数折射率，其具体值由不同大气环境 下的压强、温度和湿度决定，其大气中氧气和水汽对太赫兹波段的分子吸收损 耗L_air可以表示为：

其中，γ₀为大气中氧气所造成的衰减率； γ_w为水汽所造成的衰减率；h₀为干燥空气的有效高度；h_w为水汽的有效高度； θ为通信仰角，sin(*)为正弦函数。

云雾衰减是太赫兹会受到对流层中的云雾的吸收和散射，其大气中云雾对 太赫兹波的吸收衰减L_fog可以表示为：

其中，H₀表示 为液态水柱含量；K₀表示衰减率系数；β为通信仰角。

降雨衰减是太赫兹会受到降雨的吸收和散射，其大气中降雨对太赫兹波的 降雨衰减L_rain可以表示为：

其中，L_E表示有效路径长度； μ表示降雨衰减率。

其中，信道传输损耗L＝L_free+L_air+L_fog+L_rain。

在步骤S3中，根据传输速度和频偏变化率收发距离的关系，生成信道传输 时延τ₀(t)。

在本发明实施例中，信道传输时延是当传输过程是卫星与地面的通信时， 考虑到两者之间的距离以及太赫兹波穿越对流层过程中的明显损耗，多径效应 对接收端的影响已经微乎其微。因此，模型中主要考虑了视距传输，视距径的 传输时延只与传播速度与收发距离有关，则生成信道传输时延τ₀(t)可以表示为：

其中，c表示光速。

在步骤S4中，根据信道传输时延τ₀(t)，生成信道传输相移φ₀(t)。

在本发明实施例中，考虑多普勒效应影响，生成信道传输相移是由多普勒 频移f_d、多普勒频移变化率f′_d、随机相位ψ₀产生，则生成信道传输时延φ₀(t)可 以表示为：

其中，Δt表示变化时间，随机相位ψ₀服从在[0,1]上的均匀分布上随机取 一个值，其均匀分布概率密度函数f(x)可以表示为：

多普勒频移作为信息发射源的卫星相对接收平台是不断高速运动的，其径 向运动速度将对调制信号产生一个多普勒效应，从而导致接收端信号解调时形 成一个较大的载波频偏，其多普勒频移f_d可以表示为：

其中，ξ 表示为入射波的夹角，cos(*)为余弦函数。

多普勒频移变化率为信息发射源的卫星相对接收平台是不断高速运动的， 其径向运动速度也不断变化将对调制信号产生一个多普勒频移变化率，其多普 勒频移变化率f′_d可以表示为：

其中，df_d和dt表示微分运算。

在步骤S5中，根据信道传输损耗L和信道传输相移φ₀(t)，生成信道冲激响 应h(t)。

在本发明实施例中，生成信号冲击函数是信号通过信道的冲激响应，则生 成信号冲击函数h(t)可以表示为：h(t)＝a₀(t)exp[-jφ₀(t)]·δ[t-τ₀(t)]；其中，

δ(*)表示冲击函数，exp(*)表示指数函数，

在步骤S6中，更新时间参数t，并更新不同传输距离、不同天气条件下对 应时变参数的取值，回到步骤S1，生成新的信道响应。

在本发明实施例中，循环的结束由工作人员手动结束，可由工作人员设置 循环次数或循环时间。

将上述所设计的一种空天地一体化太赫兹通信信道建模方法，应用到实际 当中，设置频率为120GHz，传输距离为200km～35600km.通过仿真分析得到， 中高轨道星地传输系统误码率较大，故只画出了低轨道卫星(传输距离为200～1500km)对应的误码率随传输距离的变化。利用QPSK调制方式下误码率理论分 析的方法，可得到晴好天气时接收系统的谟码率与传输距离的关系曲线，如图 3所示，随着传输距离的增加，误码率逐步增大；晴好天气时，系统稳定可靠。

本发明设计了一种空天地一体化太赫兹通信信道建模方法，该模型包括自 由空间传播损耗模块、云雾衰减模块、分子吸收损耗模块、降雨衰减模块、信 道传输时延模块、多普勒频移模块、多普勒频移变化率模块、随机相位模块、 生成信号冲击函数模块。本发明所提建模方法涵盖了太赫兹空天地信道的主要 因素，构建了空天地太赫兹通信信道建模流程，并给出了分步骤信道参数的生 成方法能够提供不同传输条件下的动态太赫兹信道复合衰减效应的响应数据， 对未来空天地一体化太赫兹实现可靠通信提出了相应的传输技术设计建议。该 模型涵盖了太赫兹空天地信道的自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减、雨 衰减及多普勒频移及其多普勒频移变化率等太赫兹信道的影响因素；该方法提 出了一种适用于空天地一体化通信系统模块化、流程化的太赫兹信道建模理论 及其模型；该方法给出了分步骤信道参数的生成方法，可以根据实际情况进行 配置，能够较好的实时模拟空天地一体化太赫兹通信信道的特征；本发明既能 够描述静止、非静止轨道卫星通信信道特性，又能够描述宽带和窄带通信的情 况，能够较为准确地描述卫星太赫兹通信信道的传输特性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相 应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种空天地一体化太赫兹通信信道建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：设定初始环境参数，所述环境参数包括载波频率f_c、频偏变化率收发距离d(t)、相对移动速度v(t)；

S2：根据所述环境参数，计算出自由空间传播损耗L_free、分子吸收损耗L_air、云雾衰减L_fog和降雨衰减L_rain，并生成信道传输损耗L；

S3：根据传输速度和频偏变化率收发距离的关系，生成信道传输时延τ₀(t)；

S4：根据信道传输时延τ₀(t)，生成信道传输相移φ₀(t)；

S5：根据信道传输损耗L和信道传输相移φ₀(t)，生成信道冲激响应h(t)；

S6：更新时间参数t，并更新不同传输距离、不同天气条件下对应时变参数的取值，回到步骤S1，生成新的信道响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自由空间传播损耗是太赫兹在空气中传播时候的能量损耗，太赫兹在穿透任何介质的时候都会有损耗，则太赫兹自由空间损耗L_free可以表示为：

L_free＝32.4+20log(f_c)+20log(d(t))

其中，log(*)为对数运算。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分子吸收损耗是大气中水分子和氧分子对太赫兹波段特殊的吸收效应，使得大气在太赫兹波段的折射率成为一个复数折射率，其具体值由不同大气环境下的压强、温度和湿度决定，其大气中氧气和水汽对太赫兹波段的分子吸收损耗L_air可以表示为：

其中，γ₀为大气中氧气所造成的衰减率；γ_w为水汽所造成的衰减率；h₀为干燥空气的有效高度；h_w为水汽的有效高度；θ为通信仰角，sin(*)为正弦函数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述云雾衰减是太赫兹会受到对流层中的云雾的吸收和散射，其大气中云雾对太赫兹波的吸收衰减L_fog可以表示为：

其中，H₀表示为液态水柱含量；K₀表示衰减率系数；β为通信仰角。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降雨衰减是太赫兹会受到降雨的吸收和散射，其大气中降雨对太赫兹波的降雨衰减L_rain可以表示为：

其中，L_E表示有效路径长度；μ表示降雨衰减率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道传输时延是当传输过程是卫星与地面的通信时，考虑到两者之间的距离以及太赫兹波穿越对流层过程中的明显损耗，多径效应对接收端的影响已经微乎其微。因此，模型中主要考虑了视距传输，视距径的传输时延只与传播速度与收发距离有关，则生成信道传输时延τ₀(t)可以表示为：

其中，c表示光速。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述生成信道传输相移是由多普勒频移f_d、多普勒频移变化率f'_d、随机相位ψ₀产生，则生成信道传输时延φ₀(t)可以表示为：

其中，Δt表示变化时间，随机相位ψ₀服从在[0,1]上的均匀分布，其均匀分布概率密度函数f(x)可以表示为：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述生成信号冲击函数是信号通过信道的冲激响应，则生成信号冲击函数h(t)可以表示为：

h(t)＝a₀(t)exp[-jφ₀(t)]·δ[t-τ₀(t)]

其中，

δ(*)表示冲击函数，exp(*)表示指数函数，

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多普勒频移作为信息发射源的卫星相对接收平台是不断高速运动的，其径向运动速度将对调制信号产生一个多普勒效应，从而导致接收端信号解调时形成一个较大的载波频偏，其多普勒频移f_d可以表示为：

其中，ξ表示为入射波的夹角，cos(*)为余弦函数。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多普勒频移变化率为信息发射源的卫星相对接收平台是不断高速运动的，其径向运动速度也不断变化将对调制信号产生一个多普勒频移变化率，其多普勒频移变化率f'_d可以表示为：

其中，df_d和dt表示微分运算。

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