一种太赫兹室内通信信道的建模方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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Kirchhof f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。
[0008] 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。
[0009] 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~lOTHz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。
[0010] 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。
[0011] 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：
[0013] 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，a(f) 是特定频率下的大气吸收系数。
[0014] 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：
[0016] 其中，c是光速，f?是太赫兹波频率，a(f)是特定频率下的大气吸收系数，ri，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。
[0017] 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rTE/TM(f)直接 给出：
[0020] 其中，Zo = 377Q是空气阻抗，Z是反射材料的阻抗，?i是光线的入射角和反射角， ?t是光线的折射角。
[0021] 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)=P(f) ? rTE/TM( f )，其中瑞利粗 糙因子p(f)与材料表面的粗糙度参数有关，其由以下公式给出：
[0023] 其中，of是表征材料表面粗糙度的高度方差。
[0024] 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：
[0026] 其中，c是光速，f?是太赫兹波频率，a(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。
[0027] 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：
(6)
[0029]其中，A=lxly表示散射块的面积，〈ppSoo表征非镜面方向上的瑞利粗糙因子，其由 以下公式给出：
[0031]其中，1。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：
[0034] 其中，k = 2VA是波数，％2是表征材料表面粗糙度的高度方差，，02，03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；lx，ly表示散射区域的长和宽。<