一種太赫茲室內通信信道的建模方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于太赫茲通訊領域，特別是涉及一種太赫茲室內通信信道的建模方法。
【背景技術】
[0002] 近幾十年來，隨著太赫茲輻射源和探測器的迅速發展，太赫茲相關技術引起了人 們的廣泛關注。太赫茲波是電磁頻率在0.1~10THZ之間的電磁波，波段介于微波和遠紅外 之間。太赫茲波頻率遠遠高于微波，能夠提供足夠的帶寬，通信傳輸容量大，可提供高達 10Gb/s的無線傳輸速率，有望成為下一代高速無線通信的信息載體。
[0003] 太赫茲通信也正處于高速發展階段，目前120GHz，300GHz，3.9THZ等多個頻段的太 赫茲通信系統都被提出和驗證。太赫茲波在大氣中傳播容易受到嚴重的大氣分子吸收和自 由空間擴散損耗，因此太赫茲波非常適合于高速室內通信。為了推進太赫茲通信系統在室 內通信的應用，需要建立合適的太赫茲室內信道模型來表征太赫茲波的傳播特性和多徑效 應，為太赫茲發射機和接收機的系統設計提供理論依據和指導意見。
[0004] 太赫茲波頻率高，波長短，與常見材料表面的粗糙度非常接近，相比微波更容易發 生散射效應。同時，太赫茲波束窄，方向性好，自由空間擴散相對較小，但是大氣中水分子對 太赫茲波的吸收非常嚴重。在某些尖銳物體的邊緣，太赫茲波也很容易發生衍射現象。由于 太赫茲波的這些獨特性，現有的建模方法都無法應用到太赫茲波段。射線追蹤法是基于幾 何光學的電磁波場強預測算法，被廣泛用于移動通信環境中的預測無線電波傳播的技術。 但是射線追蹤法只能追蹤一次或多次反射光線，無法跟蹤散射光線及衍射光線。
[0005] 太赫茲室內通信信道建模作為推進太赫茲應用和技術發展重要的一環，是科學研 究和工程實際的一個重要課題。為了表征太赫茲波室內傳播特性和多徑散射效應，本發明 中提出了一種改進的射線追蹤算法，用于太赫茲室內通信信道建模，可以獲取太赫茲波傳 播過程中的功率、時延、天線角等信息，用于指導實際的工程系統設計。
【發明內容】
[0006] 鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種太赫茲室內通信信道 的建模方法，用于表征太赫茲波的傳播特性和多徑效應，為太赫茲的實際應用提供理論依 據和指導意見。
[0007] 太赫茲波在室內通信環境中不僅會有直接視距傳播，還會有非直接視距傳播。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，非直接視距傳播可以作為一個有力的補充，用來建立穩定的通信鏈路，實現數 據的穩定傳輸。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 視距傳播主要會受到大氣吸收和自由空間擴散損耗，而非直接視距傳播在此基礎上還會受 到反射損耗、散射損耗和衍射損耗等其他的損耗。為了計算太赫茲波的傳播特性和場強分 布，本發明采用射線追蹤的方法來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。對于直接視距傳播路徑，采用Friis自由空間方程式進行計算； 對于反射光線，計算菲涅爾反射因子，并根據Kirchhoff散射理論修正反射損耗;對于散射 光線，利用Kirchhof f散射理論進行追蹤，計算散射損耗;對于衍射光線，采用菲涅爾KED理 論進行追蹤，計算衍射損耗。
[0008] 為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種太赫茲室內通信信道的建模方 法，包括步驟:步驟1 )，依據室內場景及場景參數建立仿真模型;步驟2 )，確定太赫茲波發射 機位置和接收機位置的空間分布;步驟3)，根據室內場景確認是否存在直接視距傳播路徑， 若有，則計算直接視距傳播路徑功率值;步驟4 )，根據鏡像對稱法則，確定各條鏡面反射光 線的反射點，計算反射路徑總長度和反射因子，得到反射功率值;步驟5)，在鏡面反射點周 圍均勻設置一系列的小方塊作為散射點，計算散射路徑總長度和散射因子，得到散射功率 值;步驟6)，根據室內場景確認是否存在衍射傳播路徑，若有，則計算衍射功率值;步驟7)， 匯總所有路徑的功率值，得到所有接收機位置的功率分布。
[0009] 在這個建模方法的實施過程中，本發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延信息，發射機和接收機的天線角信息等，而這些信息可以用 來估算系統的信道容量，評估系統的吞吐量和性能，作為實際系統設計如天線對準等的參 考依據。該建模方法實施簡單，操作方便，廣泛適用于不同的室內場景，對0.06~lOTHz范圍 內的太赫茲波都能夠進行追蹤和計算，只需要修改設定的參數值即可。
[0010] 作為本發明的太赫茲室內通信信道的建模方法的一種優選方案，步驟1)中，所述 室內場景及場景參數包括房間尺寸、室內物品擺設位置和尺寸、墻面及各物體表面材料參 數以及太赫茲波頻率。
[0011] 作為本發明的太赫茲室內通信信道的建模方法的一種優選方案，步驟3)中，直接 視距傳播過程中的損耗由自由空間擴散損耗和大氣吸收損耗兩部分組成，信道傳輸函數由 以下公式給出：
[0013] 其中，c是光速，f是太赫茲波頻率，d是發射機到接收機之間的直線傳播距離，a(f) 是特定頻率下的大氣吸收系數。
[0014] 作為本發明的太赫茲室內通信信道的建模方法的一種優選方案，步驟4)中，反射 光線路徑的損耗除了擴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，ri，r2分別 是發射機和接收機反射點的距離，R(f)是反射損耗因子。
[0017] 優選地，對于光滑表面的物體，發射損耗因子R(f)由菲涅爾反射系數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] 優選地，對于粗糙表面的物體，反射損耗因子使用Kirchhoff散射理論對菲涅爾反 射系數進行修正，在此基礎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有關，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] 作為本發明的太赫茲室內通信信道的建模方法的一種優選方案，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，S1，S2分別 是發射機和接收機到散射區域中心的位置，S(f)是散射損耗因子。
[0027] 作為本發明的太赫茲室內通信信道的建模方法的一種優選方案，散射損耗只會發 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長度參數，其余變量均是與散射幾何角相 關，包括：
[0034] 其中，k = 2VA是波數，％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表示散射區域的長和寬。<