CN114337799B

CN114337799B - 一种室内太赫兹信道的建模方法

Info

Publication number: CN114337799B
Application number: CN202111610414.2A
Authority: CN
Inventors: 王卫民; 李辉; 许话; 吴永乐
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2024-03-29
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: CN114337799A

Abstract

本发明公开了一种室内太赫兹信道的建模方法，包括以下步骤：S1、基于单反射路径的传输，建立信道函数；S2、基于直达路径传输，设计包含SBT、SBR、SBW、SBH的信道模型；S3、对SBT、SBR、SBW、SBH进行角度分析；S4、获取SBT、SBR、SBW、SBH的位置坐标；S5、基于空时相关函数，分析模型参数对太赫兹室内场景的统计特性，验证模型的有效性。采用本发明的方法得到的模型，模型简单，适合太赫兹通信系统设计，并通过实验验证了模型的有效性，可以为未来的室内太赫兹通信提供一种新的解决方案。

Description

一种室内太赫兹信道的建模方法

技术领域

本发明涉及信道模型技术领域，尤其涉及一种室内太赫兹信道的建模方法。

背景技术

随着人们对日益增长的信息需求，通信系统正在向高速率、低延迟的方向进行发展，根据香农定理的理论依据，要实现高速率，不可避免的要扩展到高频段。因此，对太赫兹频段(95GHz-3THz)的研究，已经成为学界研究的热点。

现有技术中，基于光线追踪的确定性信道模型，光线追踪仿真模拟器往往经过信道实际测量的数据标定，对观察到的传播路径进行分类，并对每一类射线在在时域、频域和空间的关键信道参数进行建模。然而，基于光线追踪的确定性信道模型非常复杂，不适合太赫兹通信系统设计，且仿真场景过于单一，如应用于室内固定布置或Kiosk式近距离通信系统。

再如，文献(Zhang,Y.,Zhao,L.,He,Z.,2021.A 3-D hybrid dynamic channelmodel for indoor THz communications.China Communications 18,50–65..doi:10.23919/jcc.2021.05.004)考虑了LoS(视距)路径，但是有些室内场景LoS径占的比例很小或者没有，比如说火车站、汽车站等人流量大的地方，该技术方案并没有考虑这些场景。同时文献该技术方案的建模包含了DB路径，但是在实际中DB路径的衰减很大(相比于SB有十倍多的衰减)。

因此，需要提供一种适用于火车站、汽车站等人流量大的地方的室内太赫兹信道的建模方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种室内太赫兹信道的建模方法，可用于分析时间自相关函数等。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种室内太赫兹信道的建模方法，包括以下步骤：

S1、基于单反射路径的传输，建立信道函数；

S2、基于单反射路径传输，设计包含SBT、SBR、SBW、SBH的信道模型；

S3、对SBT、SBR、SBW、SBH进行角度分析；

S4、获取SBT、SBR、SBW、SBH的位置坐标；

S5、基于空时相关函数，分析模型参数对太赫兹室内场景的统计特性，验证模型的有效性。

其中，SBT表示通过发射机周围的散射体反射的信号分量；SBR表示通过接收机周围的散射体反射的信号分量；SBW表示通过周围墙体的散射体反射的信号分量；SBH表示经过天花板反射的信号分量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的室内太赫兹信道的建模方法，基于单反射直达路径的传输，建立包含SBT、SBR、SBW、SBH信道模型，并通过实验验证了模型的有效性，该模型简单，适合太赫兹通信系统设计，可以为未来的室内太赫兹通信提供一种新的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的SBT、SBR的信号分量图；

图2为本发明实施例提供的SBW、SBH的信号分量图；

图3为本发明实施例提供的模型与现有模型的自相关函数拟合的图像。

具体实施方式

本发明的用到的缩略语和关键术语定义表

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于本发明所提出的信道模型只适用于室内信道中的太赫兹信道，且应用的场景主要为用户较多的场景，由于室内物品较多，LOS径传输的比较不高，同时DB路径的能量损耗大也不考虑路径和更高的路径，因此，本发明只考虑SB路径的传输。

具体地，本发明的室内太赫兹信道的建模方法，包括以下步骤：

S1、基于单反射路径的传输，建立信道函数；

步骤S1中的信道函数表示为：

其中，表示单反射路径的信道函数。

S2、基于单反射路径传输，设计包含SBT、SBR、SBW、SBH的信道模型；SBT表示通过发射机周围的散射体反射的信号分量；SBR表示通过接收机周围的散射体反射的信号分量；SBW表示通过周围墙体的散射体反射的信号分量；SBH表示经过天花板反射的信号分量。

如图1、图2所示，步骤S2中的信道模型由两个圆柱体和一个椭圆柱体组成，发射端和接收端均有两个天线，两个圆柱体一高一低设置，考虑了发射机附近的散射体，位于高处的圆柱体设置在发射机附近，考虑的是接收机附近的散射体，位于低处的圆柱体设置在接收机附近，图1反映了SBT和SBR分量，图2反映了SBW、SBH分量。

步骤S2中的信道模型的信道函数表示为：

其中，表示SBT的信道函数，/>表示SBR的信道函数，/>表示SBW的信道函数，/>表示SBH的信道函数。

SBT的信道函数表示为：

SBR的的信道函数表示为：

SBW的信道函数表示为：

SBH的信道函数表示为：

其中，表示散射体的类型，/>表示类型为i反射体对应路径的到达角和离开角，N_i表示类型为i的反射体的个数，/>表示类型为i的反射体造成的相位差，Ω表示天线pq之间的功率，η表示各信号分量的占比，η_SBW+η_SBT+η_SBR+η_SBH＝1。

S3、对SBT、SBR、SBW、SBH进行角度分析；

SBT的角度分析过程：

SBR的角度分析过程：

SBW的角度分析过程：

SBH的角度分析过程：

其中，R_T表示基站周围散射体的半径，R_R表示GS周围散射体的半径，A表示在x轴的半径，B表示在y轴的半径。

S4、获取SBT、SBR、SBW、SBH的位置坐标；

SBT的位置坐标为：

SBR的位置坐标为：

SBW的位置坐标为：

其中，

SBH的位置坐标为：

其中Δ_R表示接收天线到天线阵列中心的距离，Δ_T表示发射天线到天线阵列中心的距离，θ_R/T，ψ_R/T分别代表天线的水平角和仰角。

空时相关函数表示为：

其中E(·)，(·)^*分别代表平均和共轭，有以下公式：

其中，d_(nm)表示物体mn之间的距离，表示类型为i的散射体的坐标，/>表示UAV/GS的坐标，H_c表示椭圆柱的高度。

其中物体mn之间的距离公式为：

我们使用提出的模型分析太赫兹室内场景的统计特性，主要分析的是时间自相关函数，模型的主要参数包括：

V_R＝V_T＝0.5m/s,θ_T＝θ_R＝π/2,H₀＝1m,D＝3m,β₀＝π/6,H_c＝6,H_r＝2,H_t＝5,a＝1m,b＝0.5m,R_T＝R_R＝0.5m,α_μ＝0,β_μ＝0。

带入公式得到自相关函数，与现有的太赫兹建模方法((Zhang,Y.,Zhao,L.,He,Z.,2021.A 3-D hybrid dynamic channel model for indoor THzcommunications.China Communications 18,50–65..

doi:10.23919/jcc.2021.05.004))进行对比，如图3所示，可以看到，两者拟合程度很高，验证了本发明方法建立模型的有效性，同时本申请的方法忽略LoS、DB路径，可以适应火车站、汽车站这些场景，忽略DB径可以减少不必要的计算，可以为未来的室内太赫兹通信提供一种新的解决方案。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例、电子设备实施例、计算机可读存储介质实施例和计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特殊进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种室内太赫兹信道的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于单反射路径的传输，建立信道函数；信道函数表示为：

其中，表示单反射路径的信道函数；

S2、基于单反射路径传输，设计包含SBT、SBR、SBW、SBH的信道模型；SBT表示通过发射机周围的散射体反射的信号分量；SBR表示通过接收机周围的散射体反射的信号分量；SBW表示通过周围墙体的散射体反射的信号分量；SBH表示经过天花板反射的信号分量；信道模型的信道函数表示为：

其中，表示SBT的信道函数，/>表示SBR的信道函数，/>表示SBW的信道函数，/>表示SBH的信道函数；

S3、对SBT、SBR、SBW、SBH进行角度分析；

SBT的角度分析过程：

SBR的角度分析过程：

SBW的角度分析过程：

SBH的角度分析过程：

其中，R_T表示基站周围散射体的半径，R_R表示GS周围散射体的半径，A表示在x轴的半径，B表示在y轴的半径；

S4、获取SBT、SBR、SBW、SBH的位置坐标；

SBT的位置坐标为：

SBR的位置坐标为：

SBW的位置坐标为：

其中，

SBH的位置坐标为：

其中Δ_R表示接收天线到天线阵列中心的距离，Δ_T表示发射天线到天线阵列中心的距离，θ_R/T,ψ_R/T分别代表天线的水平角和仰角；

2.根据权利要求1所述的室内太赫兹信道的建模方法，其特征在于，步骤S2中的信道模型由两个圆柱体和一个椭圆柱体组成，发射端和接收端均有两个天线，两个圆柱体一高一低设置，位于高处的圆柱体设置在发射机附近，位于低处的圆柱体设置在接收机附近。

3.根据权利要求1所述的室内太赫兹信道的建模方法，其特征在于，SBT的信道函数表示为：

SBR的的信道函数表示为：

SBW的信道函数表示为：

SBH的信道函数表示为：

其中，表示散射体的类型，/>表示类型为i反射体对应路径的到达角和离开角，N_i表示类型为i的反射体的个数，/>表示类型为i的反射体造成的相位差，Ω表示天线pq之间的功率，η表示各信号分量之间的功率占比，η_SBW+η_SBT+η_SBR+η_SBH＝1。

4.根据权利要求1所述的室内太赫兹信道的建模方法，其特征在于，步骤S5中的空时相关函数表示为：

其中E(·)，(·)^*分别代表平均和共轭，有以下公式：

5.根据权利要求4所述的室内太赫兹信道的建模方法，其特征在于，步骤S5中物体mn之间的距离公式为：

6.根据权利要求4所述的室内太赫兹信道的建模方法，其特征在于，步骤S5中模型参数包括：接收机的速度V_R，发射机的速度V_T，发射机和接收机的水平距离D，各信号分量的占比η，各分量到达角α、离开角β。