CN113901638A - 基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于贝克曼‑基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，所述方法实现了对太赫兹信道的精准预测，所述方法包括以下步骤：对贝克曼‑基尔霍夫散射理论的反射和散射进行推导并给予低粗糙度的散射系数进行修正，并在信道模型中引入高粗糙度的散射系数；弥补中等粗糙度信道模型的空缺，引入了有效粗糙度理论；采用修正后的反射、散射系数对太赫兹信道模型进行修正，并基于现有的实验数据对信道模型进行验证；基于修正后的太赫兹信道模型对射线进行追踪。本发明解决了计算复杂、预测不精确的问题，提高了射线追踪的精度。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹信道建模方法，本发明对太赫兹信道模型进行修正，给出了统一完善的太赫兹信道模型，实现对太赫兹信道的精准预测。
背景技术
在过去的三十年中，无线通信速率每18个月翻一番，现有无线通信系统已然接近其容量极限。随着智能电子设备的普及，人们对通信的带宽要求越来越高，太赫兹通信技术逐渐进入人们的视野。太赫兹较丰富的频谱资源，使其成为未来无线通信的关键太赫兹因而得到各国工业界与学术界的重视，成为各国争夺“5G+”乃至“6G”通信系统主动权的关键点。然而太赫兹信道仍然缺少统一的信道模型，需要开发信道模型实现对太赫兹传播的精准预测。
太赫兹信道是指利用射线追踪技术实现对太赫兹波的传播预测。目前对于太赫兹的传播预测没有统一的信道模型，主要是由于太赫兹波的频率较高，波长较短，使其散射成为其传播的显著特征，无法满足实际应用中的多种需要。
发明内容
本发明提供了一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，本发明通过对粗糙表面的散射特性分析，得到了不同粗糙度下的太赫兹信道模型，该模型能够实现对太赫兹的精准预测，利用该信道模型，给出了一种太赫兹传播的射线追踪算法，该算法解决了计算复杂、预测不精确的问题，提高了射线追踪的精度，详见下文描述：
一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，所述方法实现了对太赫兹信道的精准预测，所述方法包括以下步骤：
对贝克曼-基尔霍夫散射理论的反射和散射进行推导并给予低粗糙度的散射系数进行修正，并在信道模型中引入高粗糙度的散射系数；
弥补中等粗糙度信道模型的空缺，引入了有效粗糙度理论；采用修正后的反射、散射系数对太赫兹信道模型进行修正，并基于现有的实验数据对信道模型进行验证；
基于修正后的太赫兹信道模型对射线进行追踪。
其中，所述方法还包括：采用贝克曼-基尔霍夫散射理论对散射进行分析，基于基尔霍夫积分对散射进行计算。
进一步地，所述方法包括：
发射端和接收端到小块的距离远大于小块的尺寸，对每一个小块的散射路径进行求解，包括：振幅、路径长度、传播延迟和偏振特性。
进一步地，所述方法还包括：引入瑞利因子对反射系数进行修正，使用泰勒近似对反射系数进行优化。
其中，所述基于修正后的太赫兹信道模型对射线进行追踪具体为：
通过射线追踪模拟散射环境来获取镜面反射点；在每个镜面反射点周围划分预设尺寸的小块，确定散射点的坐标，每个小块的散射多路径与镜面反射共同起作用；
根据射线追踪计算出所有路径的入射角、反射角和散射角；
计算所有分散多径路径的信道传输函数，对所有路径的信道传输函数进行矢量叠加；基于叠加后的结果实现对射线的追踪。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明能够实现对太赫兹的精准预测，利用修正后的信道模型，设计了一种太赫兹传播的射线追踪算法，通过该算法降低了计算复杂度、提高了预测精度，能够为太赫兹通信的设计与网路布局提供重要的参考价值。
附图说明
图1为一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法的流程图；
图2为粗糙表面的散射图；
图3为粗糙因子示意图；
其中，(a)为60°入射角时的粗糙度因子与频率的关系图；(b)为45°入射角时的粗糙度因子与频率的关系图；(c)为30°入射角时的粗糙度因子与频率的关系图。
图4为反射系数与入射角的关系图；
图5为散射系数示意图；
其中，(a)为45°角入射的散射损耗图(三维)；(b)为45°角入射的散射损耗图(二维)；(c)为300GHz入射的散射损耗图(三维)；(d)为300GHz入射的散射损耗图(二维)。
图6为镜面反射系数图；
图7为反射系数和散射系数的验证图。
其中，(a)为350GHz频率时反射系数与入射角的关系图；(b)为25°和60°入射时反射系数与频率的关系图；(c)为30°入射时散射系数与散射角的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了解决背景技术中存在的问题，本发明实施例基于贝克曼-基尔霍夫散射理论，在反射中引入瑞利因子对反射信道模型进行修正。即：在散射模型中，对低粗糙度下的贝克曼-基尔霍夫散射系数进行修正，把镜面反射与非镜面散射进行系数分离，解决反射与散射重复计算的问题。同时在高粗糙度的情况下引入贝克曼-基尔霍夫的散射系数，弥补了高粗糙度下散射求解的问题。
该修正过的反射信道模型能够对太赫兹的传输进行精准的预测，给出统一多射线信道模型并对信道特性进行深入的分析，为设计可靠、高效的太赫兹频段通信系统奠定了基础。
实施例1
本发明实施例提供了一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，参见图1-图7，该方法包括以下步骤：
101：对贝克曼-基尔霍夫散射理论的反射和散射进行推导并给予低粗糙度的散射系数进行修正，并在信道模型中引入高粗糙度的散射系数；
其中，该步骤具体为：采用贝克曼-基尔霍夫散射理论对散射进行分析。贝克曼-基尔霍夫散射理论假定没有多重散射，没有阴影并且表面局部光滑，粗糙表面不存在尖锐，且服从高斯分布，然后基于基尔霍夫积分对散射进行计算。
对贝克曼-基尔霍夫散射理论的反射和散射进行推导并给予低粗糙度的散射系数进行修正，并在信道模型中引入高粗糙度的散射系数。
102：弥补中等粗糙度信道模型的空缺，引入了有效粗糙度理论；
103：采用修正后的反射、散射系数对太赫兹信道模型进行修正，并基于现有的实验数据对信道模型进行验证；
104：基于修正后的太赫兹信道模型对射线进行追踪。
其中，传统射线追踪仅仅计算散射平面的一个反射点。因此，得出的结果为单个散射点与现实情况并不吻合，这显然是不合理的。这导致整个表面充当一个散射平面的事实，仅一条散射路径到达接收端。
实际上，在太赫兹波段入射到具有粗糙表面的入射波会在镜面反射点周围产生许多散射路径，所以需要划分小块面积，因此本发明实施例考虑了在每个镜面点周围的N×M个小块。从图1可以看到入射到粗糙表面的波会在镜面反射点周围产生散射到各个方向的散射路径，如果想要计算粗糙表面的散射路径，必须考虑整个表面的散射路径。
因此，为了准确的对每一条路径进行追踪，同时使发射端和接收端到小块的距离远大于小块的尺寸，然后对每一个小块的散射路径进行准确的求解，包括：振幅、路径长度、传播延迟和偏振特性等信息。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104实现了基于修正过的反射信道模型能够对太赫兹的传输进行精准的预测，为设计可靠、高效的太赫兹频段通信系统奠定了基础。
实施例2
下面结合具体的实例、公式、设计原理图1-图7对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
201：分析太赫兹直射路径的信道模型；
其中，太赫兹传播过程中，由于频率较高，在自由空间传播过程中有较高的衰减。然而太赫兹在空气中传播，存在分子吸收衰减，这都影响太赫兹波的传输，这也是直射信道的组成部分，因此在直射信道中要考虑分子吸收损耗。
202：分析镜面反射路径的信道模型；
由于太赫兹的反射与粗糙面的粗糙度有关，需要判断粗糙面的粗糙程度，来对反射系数进行判断。有效粗糙度因子g＝0时，发生纯镜面反射的光滑表面，g<<1时，表示表面轻微粗糙，当g≈1时，表示表面中等粗糙，当g>>1时，表示表面非常粗糙。当方位角为0，入射角度与反射角相等，在100GHz到1THz频率范围内，入射角度为60°、45°和30°的粗糙因子g如图2所示。从图2中可以看出，表面粗糙度越高，粗糙因子就越大。当入射角越大时，粗糙因子越小。相同的粗糙面时，频率越高，粗糙因子越大。然后本发明实施例引入瑞利因子对反射系数进行修正，同时使用泰勒近似对反射系数进行优化。如图4所示。
203：散射信道的分析；
根据贝克曼-基尔霍夫散射理论，本发明实施例对散射系数进行分解，分为镜面反射系数和非镜面散射系数。贝克曼散射基尔霍夫散射系数如图5所示，主波瓣描述了散射在镜面反射方向上的影响，随后的旁瓣的分量对应漫散射场。
当以45°角入射时，图(a)、(b)为散射损耗图，从图中可以看到，在轻微粗糙度下镜面散射强度随着入射波的频率增减而减弱，能量主要集中在45°附近。而且频率越高，主瓣的宽度越窄。在图(c)、(d)，能量主要集中在入射角等于接收角的位置，从而反映了较低粗糙度散射能量主要集中在镜面反射。然而镜面反射和漫散射都被视为多径。镜面散射与粗糙表面的相关长度有关，θ1＝45°，θ3＝0°，f＝300GHz时反射系数在镜面方向上的反射分量如图5所示。散射区域的长度分别为50L、100L和200L，可知镜面反射的能量主要集中在反射角附近。当反射区域的尺寸越大时，镜面反射的主波瓣就越窄，当大到一定程度时会在一条光线上，这就这解释了大多数镜面反射的功率仍在一条光线上的原因。
204：基于直射、反射和散射信道模型的验证；
基于上述仿真分析，与现有的实验数据进行对比验证。本发明实施例基于贝克曼-基尔霍夫模型，对反射和散射系数进行推导，并对散射系数进行修正。然后建立了太赫兹多射线信道模型。
为了验证新开发信道的有效性和准确度，本发明实施例基于已有的实验测量数据对信道模型进行验证，如图7所示。该模型仿真的反射系数和散射系数与测量值有比较好的吻合，验证了本模型的准确性。表明本发明实施例开发的太赫兹信道能够有效、准确的表征太赫兹的传播特性。
205：射线追踪的实现。
其中，该步骤具体为：
1)通过射线追踪算法模拟散射环境来获取镜面反射点；
2)在每个镜面反射点周围划分10×10个小块，如图2所示，确定散射点的坐标，每个小块的散射多路径与镜面反射共同起作用。
3)根据射线追踪计算出所有路径的入射角、反射角和散射角；
4)计算所有分散多径路径的信道传输函数，对所有路径的信道传输函数进行矢量叠加；
5)基于叠加后的结果实现对射线的追踪。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，其特征在于，所述方法实现了对太赫兹信道的精准预测，所述方法包括以下步骤：
对贝克曼-基尔霍夫散射理论的反射和散射进行推导并给予低粗糙度的散射系数进行修正，并在信道模型中引入高粗糙度的散射系数；
弥补中等粗糙度信道模型的空缺，引入了有效粗糙度理论；采用修正后的反射、散射系数对太赫兹信道模型进行修正，并基于现有的实验数据对信道模型进行验证；
基于修正后的太赫兹信道模型对射线进行追踪。
2.根据权利要求1所述的一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，其特征在于，所述方法还包括：采用贝克曼-基尔霍夫散射理论对散射进行分析，基于基尔霍夫积分对散射进行计算。
3.根据权利要求1所述的一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，其特征在于，所述方法包括：
发射端和接收端到小块的距离远大于小块的尺寸，对每一个小块的散射路径进行求解，包括：振幅、路径长度、传播延迟和偏振特性。
4.根据权利要求1所述的一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，其特征在于，所述方法还包括：引入瑞利因子对反射系数进行修正，使用泰勒近似对反射系数进行优化。
5.根据权利要求1所述的一种基于贝克曼-基尔霍夫散射的太赫兹传播的射线追踪方法，其特征在于，所述基于修正后的太赫兹信道模型对射线进行追踪具体为：
通过射线追踪模拟散射环境来获取镜面反射点；在每个镜面反射点周围划分预设尺寸的小块，确定散射点的坐标，每个小块的散射多路径与镜面反射共同起作用；
根据射线追踪计算出所有路径的入射角、反射角和散射角；
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