一种面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法与流程

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法。

背景技术：

1、随着首批第五代（fifth generation, 5g）移动通信系统全套标准的完成，5g无线网络的初步商用部署已于2019年开始。然而，5g的革命性愿景并未完全实现。对于现在用户和设备连接数量庞大的万物互联（internet of everything, ioe）系统，目前的5g无线网络仍存在诸多不足。第六代（sixth generation, 6g）无线网络的目标不仅是追求更高的传输速率，还将在5g无线网络服务的基础上继续扩展ioe的边界和范围。卫星通信网络是6g无线网络研究的重点。相较于地面无线通信系统，卫星通信系统具有覆盖面广，通信容量大等优势。其中，低轨卫星相比于高轨、中轨卫星通信系统，具有低延迟、低功耗、低传播损耗、组网灵活的特点。近年来，新一代互联网星座计划逐步进行，实现了从l（1~2 ghz）、s（2~4ghz）等低频段向ku（12~18 ghz）、ka（26~40 ghz）等高频段的转化。要实现低轨卫星通信信息的可靠和有效传输，一个必要的工作是研究低轨卫星通信信道传播特性，并对其建模。

2、低轨卫星通信信道受到多方面的影响，包括大气吸收、降雨衰减、电离层闪烁、多普勒频移等，因而具有很大的时变性，难以准确分析。现有的低轨卫星信道建模方法有基于几何的随机信道建模和射线追踪信道建模。现有研究基于几何随机信道建模方法进行建模，模型具有较高的普适性，但在目前5g移动通信系统的高准确性要求下，相比于几何随机信道建模方法，射线追踪法具有更高的准确性。部分学者基于射线追踪法对低轨卫星信道在直升机、城市、卫星太阳能板等场景进行建模，但很少有学者考虑到大气层中电离层闪烁、降雨等影响因素，对城市区域内多径效应的特性分析也没有得到充分研究。综上所述，在6g无线通信网络的需求下，一个准确的低轨卫星信道模型是十分必要的。

技术实现思路

1、发明目的：提出一种面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法，以解决现有技术存在的上述问题。

2、一种面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法，步骤如下：

3、s1、生成低轨卫星系统参数；所述低轨卫星系统参数包括基本参数、大气层信道环境参数、近地端信道环境参数；

4、s2、对大尺度部分的衰落信道进行建模，包括电离层闪烁衰落建模和降雨衰减建模；

5、s3、对近地端小尺度衰落信道进行建模，包括基于射线追踪法进行多径效应建模；

6、s4、基于步骤s1至步骤s3，计算低轨卫星信道大尺度衰落损耗和多径接收功率；

7、s5、根据步骤s4实现低轨卫星仿真信道模型，分析信道特性，计算总接收功率、功率时延谱。

8、在进一步的实施例中，所述基本参数包括卫星高度、俯仰角、工作频段以及发射功率；

9、卫星-近地面通信链路距离l的计算方法如下：

10、

11、式中，是卫星俯仰角，是卫星高度，=6371 km是地球半径。

12、所述大气层信道环境参数包括电离层闪烁参数和降雨参数；

13、所述电离层闪烁参数s用于描述电离层闪烁的强度，计算如下：

14、

15、式中，i是信号强度，与信号幅度的平方根成正比；表示对括号内求平均；

16、通常将闪烁指数分为弱（<0.3）、中等（0.3<<0.6）、强（<0.6）三个级别。对于弱和中等级别，与（ghz）有固定的关系，定义如下：

17、

18、式中，为工作频率，n为闪烁指数因子；对于s波段以上的频段，多地实测结果的闪烁指数因子n在-1.6 ~ -1.9范围，n的平均值为-1.7。

19、所述降雨参数包括降雨速率（mm/h）。降雨速率为系统中断率为时的降雨速率，通常用概率超过0.01%的平均降雨量来衡量某一地区的降雨量。

20、所述近地端信道环境参数为城市建筑物场景参数，包括建筑物边缘轮廓尺寸、建筑物高度、建筑物表面反射系数。

21、所述建筑物边缘轮廓尺寸包括建筑物的边缘点坐标和建筑物的间距，根据实际场景测算得出。

22、建筑物高度对电磁波的传播有明显的影响。直射径可能会受到高建筑物的遮挡，反射径数量可能会由于接收点周围建筑高度的改变而发生变化。itu-r p.1410建议书中提出的建筑物高度符合参数的瑞利分布，其中为城市场景内普遍的建筑物高度：

23、

24、建筑物表面反射系数为r，取决于建筑物表面材料的介电常数，若入射波与介质表面的夹角为，则符合以下关系：

25、

26、在进一步的实施例中，步骤s2具体包括：

27、s201、电离层闪烁衰落建模，根据闪烁指数s计算电离层闪烁损耗（db），计算方法如下：

28、

29、s202、降雨衰减建模，信号传播路径上的降雨主要影响了3 ghz以上的卫星通信系统。建模时首先根据降雨强度和卫星俯仰角确定降雨区经历的等效路径长度，计算方法如下：

30、<mi>l</mi><mrow><msub><mi>r</mi><mi>0.01</mi></msub><mi>,θ</mi></mrow></mfenced><mi>=</mi><msup><mrow><mi>[7.41×</mi><msup><mn>10</mn><mi>-3</mi></msup><msubsup><mi>r</mi><mi>0.01</mi><mi>0.776</mi></msubsup><mo>+</mo><mrow><mi>0.232-1.8 ×</mi><msup><mn>10</mn><mi>-4</mi></msup><msub><mi>r</mi><mi>0.01</mi></msub></mrow></mfenced><mrow><mi>sin</mi><mi>θ</mi></mrow><mi>]</mi></mrow><mi>-1</mi></msup>

31、其次，根据itu-r p.838提出的降雨衰减模型估计由降雨引起的衰落：

32、

33、其中，参数和是与工作频率、卫星俯仰角和极化倾角有关的降雨衰减系数，可以通过查找itu-r p.838得到。

34、在进一步的实施例中，步骤s3具体包括：

35、s301、近地面等效发射圆面阵生成。所述近地面等效发射圆面阵，具体包括，假设低轨卫星的发射机始终指向地面终端。发射的信号在大气中长距离传播时，信号能量均匀分布在传播方向的横截面上，到达城市建筑上空。根据平面波假设，低轨卫星通过城市上空电离层传播的电磁波近似于半径为的圆形平面。半径取决于卫星的高度。圆的中心位于直射径上，并且其到接收天线的距离是固定的。该平面的法向量v是直射径的向量。该平面沿着向量v均匀地射出多条具有相同能量的平行射线。

36、s302、基于射线追踪法生成多径。所述射线追踪法生成多径，具体包括，等效圆面阵发射的射线经过建筑物表面时根据镜像法计算相应反射路径，在接收端，采用半径为的球体进行接收判定。发射的射线经过单次反射或多次反射，其中部分射线到达接收端并被有效接收，这些有效到达接收端的射线将逐一计算，得到准确的传播路径。

37、在进一步的实施例中，所述低轨卫星信道大尺度衰落损耗的计算如下式：

38、

39、式中，是电离层闪烁损耗，是降雨损耗，是自由空间路径损耗；

40、所述自由空间路径损耗的计算如下式：

41、

42、式中，l表示卫星-近地面通信链路距离；表示工作频率。

43、所述多径接收功率的计算如下式：

44、

45、其中，是第i条反射径相对直射径的时延，表示第i条路径的长度，是发射功率，是信号波长，是反射系数，是第i条路径相对于直射径的相位差。当直射径存在时，=。每次信号反射会造成信号能量的损耗，三阶及以上的反射信号分量由于湮没在噪声中可以忽略不计。因此，多路径反射模型包括直射信号、一阶反射信号和二阶反射信号。在二阶反射信号中，为两次反射系数的乘积。

46、均方根时延扩展的计算方法如下：

47、

48、其中为pdp的二阶矩。rms时延扩展体现了多径时延的弥散程度。

49、因此，总多径接收功率计算方法如下：

50、

51、总接收功率（dbm），计算方法如下：

52、

53、功率时延谱（dbm），计算方法如下：

54、

55、其中，表示自由空间路径损耗；表示电离层闪烁损耗；表示降雨损耗；表示总多径接收功率；表示第i条路径的长度，是发射功率，是信号波长，是反射系数，是第i条路径相对于直射径的相位差。

56、有益效果：本发明使用的基于射线追踪的低轨卫星信道建模方法，相较于几何随机信道建模方法，有着合适的复杂度和更高的准确性。且本发明可以改变地面建筑的位置分布和高度分布，从而应用于多种具体场景，具有更高的普适性。此外本发明对比了3gpptr 38.811中的模型，获得了与其类似的接收功率趋势。因此，本发明能够对低轨卫星在城市环境中对地通信信道进行精确建模。