，定义
为Fresnel-Kirchhoff衍射参数，则衍射损耗因子由菲涅尔积分近 似得到，由以下公式给出：
[0091]对于室内多径传播信道建模，其信道传输函数可以由直接视距传播、反射光线传 播、散射光线传播和衍射光线传播等，直接视距传播最多只有一条，也可能不存在，散射光 线传播只会发生在粗糙物体表面，而衍射光线传播只会发生在尖锐物体边缘且直接视距不 存在的情形下。等效的信道传输函数可以表示为：
[0093]根据以上给出的信道传输函数，如果考虑发射机和接收机的天线增益等参数，由 Fr i i s自由空间方程式可以直接得到接收到的功率值：
[0094] Prx = Ptx ? Gt ? Gr ? |HEQ(f) |2
[0095] 因此，如果确定了室内环境及物体等相关参数，如室内各种材料的粗糙度、折射 率、阻抗以及尺寸等，就可以利用本方案提出的射线追踪算法和理论来计算特定频率下室 内接收点的功率值信息，用来预测太赫兹波场强分布。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 接收机的天线角及相位等信息，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。
[0096] 如上所述，本发明的太赫兹室内通信信道的建模方法，具有以下有益效果: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、相位等信息，用于指导实际的工程系统设计。本发明具有广 泛适用性，算法简单，易于实现，预测精准，在太赫兹通讯领域具有广泛的应用前景。所以， 本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0097]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因 此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于，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。2. 根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：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。3. 根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：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：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。4. 根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：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：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，Γ1，Γ2*别是发 射机和接收机反射点的距离，R(f)是反射损耗因子。5. 根据权利要求4所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于: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r TE/TM(f)直接给出：其中，Ζο = 377 Ω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，是 光线的折射角。6. 根据权利要求4所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于: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： \y 其中，4是表征材料表面粗糙度的高度方差。7. 根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：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： 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糸数，81，82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。8. 根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于: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：其中，A=lxly表示散射块的面积，<pp5〇〇表征非镜面方向上的瑞利粗糙因子，其由以下 公式给出：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：其中，k = 23?/λ是波数，σΑ2是表征材料表面粗糙度的高度方差，，θ2，θ 3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。9. 根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于：步骤6)中，衍 射光线路径只会发生在尖锐物体的边沿，且直接视距不存在的情形下，衍射光线路径会存 在衍射损耗，其信道传输函数由以下公式给出：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，(^，山分别是发 射机和接收机到衍射边缘点的距离，D(f)是衍射损耗因子。10. 根据权利要求1所述的太赫兹室内通信信道的建模方法，其特征在于:衍射损耗因 子的计算由GTD理论或KED理论给出，其中，KED理论中，定义为 Fresnel-Kirchhoff衍射参数，则衍射损耗因子由菲涅尔积分近似得到，由以下公式给出：
【专利摘要】本发明提供一种太赫兹室内通信信道的建模方法，能够用来准确地预测太赫兹波室内的传播特性和功率分布，其包括步骤：设置室内建模的仿真场景及其相关参数，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、太赫兹波频率等；确定太赫兹波发射机的位置和接收机的位置等参数；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，得到反射功率值；在镜面反射点周围均匀放置一系列的小方块作为散射点，计算散射路径总长度，得到散射功率值；根据室内场景确认是否有直接视距路径和衍射路径，若有则计算其功率值；汇总所有功率值，得到功率分布。本发明具有广泛适用性，算法简单，易于实现，预测精准。
【IPC分类】H04B17/391
【公开号】CN105721085
【申请号】CN201610082710
【发明人】刘纯, 王长, 曹俊诚
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2016年2月5日