張娣 張焱 文晉曉 何遵文

(北京理工大學信息與電子學院,北京 100081)

引 言

第五代(the 5th Generation, 5G)移動通信系統(tǒng)及其演進(Beyond 5G,B5G)具有低延時、低功耗、低成本、較高實際體驗速率等特點,近年來得到了快速發(fā)展. 為了滿足任何人在任何地點任何時間以任何方式的通信需求,5G與天地一體化融合成為新的發(fā)展趨勢. 于全院士在“2016未來移動通信技術(shù)峰會”上指出,以5G為代表的地面移動通信和衛(wèi)星通信不是相互競爭和取代的關(guān)系,而是相互補強,最終實現(xiàn)天地一體的信息網(wǎng)絡(luò)[1].

5G及B5G需要提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的用戶體驗,因此對帶寬提出了更大的需求. 在現(xiàn)有頻譜資源緊張的背景下,需要考慮更高頻段的應用. 太赫茲波通常指的是頻率在0.1～10 THz(波長在0.03～3 mm)內(nèi)的電磁輻射. 太赫茲頻段具有頻率高、波束窄、絕對帶寬大、通信容量大等優(yōu)點.由于其所處位置的過渡性,它同時具備電磁波和光波的性質(zhì),還具有穿透性、光譜分辨特性、時間和空間相干性等特點,因此近年來在天文、安全檢測、醫(yī)學成像、地面無線通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展. 作為超高頻段頻譜,將太赫茲頻段應用于5G通信系統(tǒng),有望進一步提升傳輸速率,對推動天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展也具有重大意義.

對太赫茲無線通信信道特性的研究是太赫茲技術(shù)應用的基礎(chǔ),受到各國的高度重視. 在室外信道傳輸方面,目前主要集中于太赫茲波在大氣[2-3]、等離子體[4]等不同傳輸介質(zhì)中的傳輸特性研究. 室內(nèi)信道傳輸特性的研究主要包括裝修材料的反射、散射特性[5-7]以及信道傳播特性[8-10]等.

基于太赫茲頻段速率高帶寬大的特點,未來可將其應用于高中低軌道衛(wèi)星通信領(lǐng)域. 然而,目前關(guān)于太赫茲信道的研究,大多數(shù)集中于室外短距離通信和室內(nèi)無線信道傳輸,對太赫茲頻段星地無線通信場景尚未做深入分析. 現(xiàn)有關(guān)于太赫茲星地通信信道的研究,通常集中分析影響太赫茲信道特性的單一因素,如大氣分子吸收、降雨衰減等,未考慮隨時間變化的多種衰減源的綜合影響,缺乏系統(tǒng)性、模塊化的建模流程與方法.另外,對于大氣因素同時作用對信道產(chǎn)生的復合衰減效應的研究,主要集中在微波和毫米波頻段,太赫茲頻段的研究不夠深入,實驗數(shù)據(jù)也不是很多.

因此,本文結(jié)合太赫茲空間通信特點,提出了一種適用于星地通信系統(tǒng)模塊化、流程化的太赫茲信道建模與仿真方法,分析了自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減、雨衰減及多普勒頻移等太赫茲信道的影響因素,構(gòu)建星地太赫茲通信信道建模流程,并給出了分步驟信道參數(shù)的生成方法. 通過數(shù)值仿真,對不同天氣狀況下,傳輸距離和頻率對傳輸信號的影響以及信道誤碼率隨距離的變化進行了分析,驗證了所提出模型和方法的可用性. 所提建模方法涵蓋了太赫茲星地信道的主要因素,能夠提供不同傳輸條件下的動態(tài)太赫茲信道復合衰減效應的響應數(shù)據(jù),為今后太赫茲頻段無線通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供了評估與測試依據(jù). 此外,還針對模型綜合得到的衰減結(jié)果,對未來星地太赫茲實現(xiàn)可靠通信提出了相應的傳輸技術(shù)設(shè)計建議.

1 星地太赫茲信道模型構(gòu)建

1.1 星地太赫茲通信影響因素分析

與傳統(tǒng)的星地通信系統(tǒng)無線電波信號相似,太赫茲波由衛(wèi)星傳播到地面接收站的過程中,會依次經(jīng)歷外層空間、散逸層、熱層、中間層、平流層和對流層.每層所含的物質(zhì)不同,傳播環(huán)境不同,影響信號傳輸?shù)囊蛩匾膊灰粯?由于太赫茲波自身的特性,這些因素對信號幅度和相位的影響程度也各不相同.

1.1.1 外層空間

衛(wèi)星在上萬千米高空向地面站發(fā)送信號,信號首先經(jīng)歷外層空間. 外層空間含有密度很低的物質(zhì),以等離子態(tài)的氫為主. 雖然所含物質(zhì)密度低,但由于經(jīng)歷自由空間的路徑很長,占總路徑的95%以上,因此自由空間損耗是最主要的損耗[11]. 對太赫茲空間通信來說,由于傳輸距離遠、信號頻率高,自由空間傳播損耗更是信道建模中重要的影響因素.

1.1.2 散逸層、熱層、中間層

散逸層、熱層、中間層的氣體通常處于電離狀態(tài). 電離的電子往往以一個特征頻率fp振動. 對于10 GHz以下頻段的電磁波而言,電離效應引起的電離層閃爍會改變其傳播路徑,產(chǎn)生多徑效應和損耗. 但太赫茲波的載波頻率f遠大于fp,可以低耗地穿過電離層而不用過多考慮電離層閃爍的影響. 這一優(yōu)勢是太赫茲波用于衛(wèi)星通信的一大獨特優(yōu)點.

1.1.3 平流層和對流層

平流層和對流層中,由于大氣、云、雨等復雜變化以及接收終端和衛(wèi)星之間的相對移動,會導致信號產(chǎn)生分子吸收損耗、云霧衰減、降雨衰減、對流層閃爍和多普勒效應.

對流層的水汽和氧氣會對太赫茲波傳播造成吸收損耗. 水分子和氧分子內(nèi)部容易發(fā)生振動和轉(zhuǎn)動的能量躍遷,同時產(chǎn)生較低的吸收能量. 這部分能量對應的頻率位于紅外光區(qū)和太赫茲頻段,從而造成了水汽和氧氣對太赫茲波的較強衰減.

當無線電波工作頻率高于20 GHz時,云霧衰減會對星地通信產(chǎn)生很大影響. 霧滴半徑通常在1～60 μm,以液態(tài)水密度為特征. 太赫茲波穿過對流層的云霧時,有一部分能量被吸收或散射,從而導致?lián)p耗. 損耗大小與工作頻率、穿越的路程長短以及云霧的濃度有關(guān)[12]. 霧粒子的分布以及地域、形成機理等因素,都能對太赫茲頻段信號探測傳輸產(chǎn)生顯著影響.

降雨衰減產(chǎn)生于雨滴對電磁能量的吸收和散射. 當工作頻率高于10 GHz時,降雨衰減已經(jīng)成為無線電波穿過對流層的主要衰減之一. 在雨天環(huán)境下,太赫茲波的衰減主要由雨滴的球形散射造成. 當雨滴直徑與太赫茲波長相當時,將造成太赫茲波的高衰減率. 降雨衰減對星地通信鏈路的影響很大,有時鏈路僅僅增加幾個dB的衰減就會產(chǎn)生很大的誤碼率,使系統(tǒng)信噪比降低,信道隔離度變差,從而導致通信中斷. 此種現(xiàn)象被稱為“峭壁效應”,這是數(shù)字信號傳輸過程中所特有的現(xiàn)象[13].

對于10 GHz以上的低仰角、低余量系統(tǒng),對流層閃爍效應較為嚴重. ITU-R P.618協(xié)議中對流層閃爍衰落算法的頻率適用范圍是4～20 GHz.本文討論太赫茲頻段星地通信,從應用角度主要考慮仰角較高的情況,故暫不考慮對流層閃爍效應的影響,后續(xù)仍需針對太赫茲頻段進行測量并根據(jù)最新的測量結(jié)果對所提模型進行改進.

星地通信過程中,當衛(wèi)星與地面站、用戶終端之間存在相對運動時,會產(chǎn)生多普勒效應,此效應會產(chǎn)生碼間干擾,影響系統(tǒng)通信質(zhì)量. 多普勒效應與相對移動速度、運動方向以及信號的入射角有很大關(guān)系.

1.2 星地太赫茲通信信道模型構(gòu)建

依據(jù)上述分析,太赫茲頻段衛(wèi)星到地面的傳輸鏈路,需要綜合考慮自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減、降雨衰減以及多普勒頻移對信道的影響.由此,建立如圖1所示的建模流程.

圖1 太赫茲星地通信信道建模流程圖

由于衛(wèi)星對地面存在相對運動,實際天氣狀況也時時不同. 因此,信道響應是動態(tài)變化的,應隨時間的更新及時調(diào)整參數(shù)取值.

如圖1所示,太赫茲星地信道響應生成步驟如下:

步驟1:設(shè)定初始環(huán)境參數(shù),主要包括頻率fc、收發(fā)距離d0(t)、相對移動速度v等;

步驟2:綜合考慮自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減和降雨衰減的影響,生成信道傳輸損耗;

步驟3:依據(jù)傳播速度與收發(fā)距離的關(guān)系,生成信道傳輸時延τ0(t);

步驟4:考慮多普勒效應影響,生成信道傳輸相移φ0(t);

步驟5:生成信道沖激響應h(t);

步驟6:更新時間參數(shù)t,并更新不同傳輸距離、不同天氣條件下對應時變參數(shù)的取值,回到步驟1,生成新的信道響應.

2 信道模塊分析

2.1 生成信道傳輸損耗

信道傳輸損耗由自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減損耗和降雨衰減損耗四部分組成,依據(jù)ITU-R P.618建議書給出的復合衰減計算方法,可得LP=LP,free+LP,air+LP,fog+LP,rain.

2.1.1 自由空間損耗計算

接收端和發(fā)射端距離為d0(t),若d0(t)以km為單位,f以MHz為單位,則自由空間損耗LP,free(dB)可以表示為

LP,free=32.44+20lgf+20lgd0(t).

(1)

經(jīng)過仿真可以得出,自由空間損耗隨傳輸距離增加而不斷增大,當頻率為100 GHz時,5 km處和50 km處的損耗分別為146 dB和166 dB,符合計算結(jié)果.

2.1.2 分子吸收損耗計算

大氣中水分子和氧分子對太赫茲波段特殊的吸收效應,使得大氣在太赫茲波段的折射率成為一個復數(shù)折射率,其具體值由不同大氣環(huán)境下的壓強、溫度和濕度決定[14]. 依據(jù)2007年ITU-R給出的大氣吸收估計計算模型[15],可以得出大氣中氧氣和水汽對太赫茲波的吸收衰減為

(2)

式中:γO表示大氣中氧氣所造成的衰減率;γW表示水汽所造成的衰減率;hO為干燥空氣的有效高度;hW為水汽的有效高度;θ為通信仰角.

氧氣和水汽對太赫茲波的吸收衰減,都表現(xiàn)為一條帶有若干個頻率選擇性吸收峰的曲線. 其中氧分子的吸收峰較少,衰減也較小,最強的吸收峰出現(xiàn)在60 GHz處,大約為14.5 dB/km. 而水分子的吸收峰明顯增多,覆蓋了大部分頻段,特別是高頻段. 其中最明顯的吸收峰出現(xiàn)在557 GHz處,吸收衰減達到了16 410 dB/km. 從整體上可以分析得到,氧氣對太赫茲波的吸收衰減率變化范圍大都處于0～15 dB/km之間,水汽對太赫茲波的吸收衰減率大都處于100 dB/km以上,甚至超過104 dB/km,明顯高于干空氣的吸收,這說明了水分子對太赫茲波具有極強的吸收效應.

2.1.3 云霧衰減計算

依據(jù)文獻[16]給出的通信系統(tǒng)云霧衰減的計算方法,可以得出云霧的總衰減為

(3)

式中:L為液態(tài)水柱含量,kg/m2;Kl為衰減率系數(shù);θ為路徑仰角,5°≤θ≤90°.

隨著能見度的降低,霧滴對太赫茲信號的衰減呈指數(shù)型增大;隨著頻率的增大,霧滴對太赫茲信號的衰減呈指數(shù)型升高[17]. 當頻率為100 GHz時,衰減為2.2 dB/km.

2.1.4 降雨衰減計算

結(jié)合文獻[18-19]給出的預報雨衰模型,可以得出0.01%時間概率降雨衰減為

(4)

式中:LE為有效路徑長度;γR為降雨衰減率.

對于降雨來說,雨量的增加將導致衰減明顯升高. 在100 GHz頻率點,當降雨量為25 mm/h時,雨滴造成的衰減大約為12 dB/km. 當降雨量增加到100 mm/h時,衰減增大到26 dB/km.

2.2 生成信道傳輸時延τ0(t)

當傳輸過程是衛(wèi)星與地面的通信時,考慮到兩者之間的距離以及太赫茲波穿越對流層過程中的明顯損耗,多徑效應對接收端的影響已經(jīng)微乎其微.因此,模型中主要考慮了視距傳輸.視距徑的傳輸時延只與傳播速度與收發(fā)距離有關(guān).則信道傳輸時延

(5)

式中,c為光速．

2.3 生成信道傳輸相移φ0(t)

φ0(t)=2πfcτ0(t)-2πfmΔtcosθ+φ0.

(6)

式中:fc為載波頻率;fm為最大多普勒頻移;τ0(t)為傳輸時延,由式(5)計算得出;隨機初相φ0服從[0,1]上的均勻分布,即φ0∈U[0,1].

在衛(wèi)星通信過程中,當接收端和發(fā)射端存在相對運動v時,兩個位置接收到信號的路程差Δl可以表示為Δl=vΔtcosθ,θ為入射波的夾角. 由于在實際的衛(wèi)星通信中,路徑距離很遠,可以假設(shè)多徑信號和地面之間的入射角是相等的,都用θ表示,則路徑變化導致的相位變化值為Δφ=2πΔl/λ=(2πvΔt/λ)cosθ,從而可以推出多普勒頻率fd為

(7)

即最大多普勒頻移fm為

(8)

2.4 生成信道沖激響應h(t)

h(t)=a0(t)exp[-jφ0(t)]δ[τ-τ0(t)].

(9)

2.5 更新時間參數(shù)t

更新時間參數(shù)t,并更新不同傳輸距離、不同天氣條件下對應時變參數(shù)的取值,回到步驟1,生成新的信道響應.

3 太赫茲星地通信系統(tǒng)仿真及分析

為了驗證模型的可用性,首先分析了不同天氣條件下,傳輸距離與頻率對太赫茲信號傳輸損耗的影響,之后在一個簡單的星地通信系統(tǒng)仿真中,基于所生成的信道響應進行太赫茲星地鏈路誤碼率性能仿真與分析.

3.1 仿真參數(shù)設(shè)計

仿真采用的星地通信鏈路參數(shù)如下:載波頻率fc為0.1～1 THz,信道帶寬B為10 GHz,發(fā)射功率Pt為10 W,天線增益為35 dBi. 太赫茲頻段的星地通信具有帶寬大的優(yōu)點,但由于傳輸鏈路較長且頻段較高,影響因素較多,通過所提出的信道模型,綜合各因素仿真得到的傳輸衰減較大. 從保證太赫茲星地通信的可靠性出發(fā),建議采用二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)或正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)低階調(diào)制方式,并采用低密度奇偶校驗碼(Low Density Parity Check Code,LDPC)或極化碼(Polar Code)等高糾錯性能的編碼技術(shù). 在本論文的仿真中采用了QPSK調(diào)制技術(shù),因本文主要擬評估信道衰減本身對通信性能產(chǎn)生的影響,故暫未考慮編碼技術(shù),實際上編碼技術(shù)可帶來相應編碼增益,體現(xiàn)在誤碼率的改善方面.

由于對流層的中部距離地面約6 km,霧和降雨主要集中在這一層,云可能伸展到10 km以上,因此設(shè)定大氣衰減在10 km的范圍. 晴好天氣時,取溫度為288 K(15℃),相對濕度為60%;云霧天氣時取能見度為50 m的濃霧狀態(tài),此時液體水密度為0.5 g/m3;降雨天氣時,以靜止軌道衛(wèi)星北京地面站為例,路徑仰角為10°,水平極化角為0°,降雨率為100 mm/h.

此外,在太赫茲頻段,熱噪聲和量子噪聲功率具有相同的數(shù)量級,這是太赫茲通信系統(tǒng)不同于微波和光通信系統(tǒng)的特殊之處,因此進行仿真時兩種噪聲均在考慮之內(nèi). 其中熱噪聲為高斯白噪聲,量子噪聲為隨頻率變化的色噪聲.

仿真了晴好天氣(只考慮自由路徑損耗和大氣分子吸收損耗)、云霧天氣(綜合考慮自由路徑損耗、大氣分子吸收損耗和云霧衰減)和降雨天氣(綜合考慮自由路徑損耗、大氣分子吸收損耗和降雨衰減)等三種不同情況.

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 傳輸距離對信號的影響

設(shè)置頻率為100 GHz,傳輸距離為200～35 600 km,可得到傳輸損耗與傳輸距離的關(guān)系曲線,如圖2所示.

圖2 傳輸損耗隨距離變化關(guān)系曲線

如圖2所示,隨著傳輸距離的增大,根據(jù)所提模型得到的傳輸損耗依照對數(shù)形式整體抬升. 晴好天氣時,系統(tǒng)傳輸損耗最小;云霧天氣時,傳輸損耗增加了13 dB;降雨對系統(tǒng)影響較大,降雨天氣時,系統(tǒng)傳輸損耗增加了107 dB.

3.2.2 不同頻段對信號的影響

固定傳輸距離為35 600 km,設(shè)置信號頻率分別為0.1～1 THz,觀察頻率改變對傳輸損耗的影響,如圖3所示.

圖3 傳輸損耗隨頻率變化關(guān)系曲線

如圖3所示,根據(jù)所提出的模型,傳輸損耗在太赫茲頻段存在若干個頻率選擇性吸收峰. 因此在實際應用時,應在保證足夠帶寬的前提下,選擇合適的通信頻帶. 當頻率為100 GHz時,晴好天氣、云霧天氣和降雨天氣對應的系統(tǒng)傳輸損耗分別達到227 dB、240 dB和334 dB.

3.2.3 接收系統(tǒng)的誤碼率

設(shè)置頻率為100 GHz,傳輸距離為200～35 600 km. 通過仿真分析得到,中高軌道星地傳輸系統(tǒng)誤碼率較大,故只畫出了低軌道衛(wèi)星(傳輸距離為200～1 500 km)對應的誤碼率隨傳輸距離的變化. 利用QPSK調(diào)制方式下誤碼率理論分析的方法,可得到晴好天氣時接收系統(tǒng)的誤碼率與傳輸距離的關(guān)系曲線,如圖4所示.

圖4 晴好天氣誤碼率隨距離變化關(guān)系曲線

如圖4所示,隨著傳輸距離的增加,誤碼率逐步增大. 晴好天氣時,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠.

降雨天氣時,采用了與晴好天氣相同的參數(shù)進行仿真. 通過對降雨天氣時誤碼率隨距離變化的仿真分析可得到,降雨將嚴重干擾太赫茲信道的傳輸性能,誤碼率明顯增大,已不能滿足系統(tǒng)設(shè)計的可靠性要求. 因此當太赫茲波在惡劣天氣傳輸時,有必要提高發(fā)射功率和采用高增益天線,這對太赫茲功率合成、天線設(shè)計等都提出了相應的要求. 此外,還可采用LDPC或極化碼等高糾錯性能的編碼技術(shù),以提高編碼增益,改善系統(tǒng)誤碼率.

4 結(jié) 論

本文主要研究了太赫茲頻段星地通信系統(tǒng)的信道建模與仿真方法,分析了自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減、雨衰減及多普勒頻移等太赫茲信道的影響因素,構(gòu)建星地太赫茲通信信道建模流程,并給出了分步驟信道參數(shù)的生成方法. 通過仿真進一步探討了不同天氣狀況下,傳輸距離和頻率對傳輸信號的影響以及信道誤碼率隨距離的變化. 結(jié)果表明:降雨對太赫茲頻段的星地通信影響很大,需要在系統(tǒng)設(shè)計時,綜合考慮功率合成、天線增益、傳輸技術(shù)設(shè)計等影響因素,保證系統(tǒng)可用率的要求. 所提建模方法能夠提供不同傳輸條件下的動態(tài)太赫茲信道復合衰減效應的響應數(shù)據(jù),從而為今后太赫茲頻段無線通信系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供了評估與測試依據(jù).

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