太赫兹频段星地通信信道建模与仿真

张娣 张焱 文晋晓 何遵文

(北京理工大学信息与电子学院,北京 100081)

引 言

第五代(the 5th Generation, 5G)移动通信系统及其演进(Beyond 5G,B5G)具有低延时、低功耗、低成本、较高实际体验速率等特点,近年来得到了快速发展. 为了满足任何人在任何地点任何时间以任何方式的通信需求,5G与天地一体化融合成为新的发展趋势. 于全院士在“2016未来移动通信技术峰会”上指出,以5G为代表的地面移动通信和卫星通信不是相互竞争和取代的关系,而是相互补强,最终实现天地一体的信息网络[1].

5G及B5G需要提供更高的数据传输速率和更好的用户体验,因此对带宽提出了更大的需求. 在现有频谱资源紧张的背景下,需要考虑更高频段的应用. 太赫兹波通常指的是频率在0.1～10 THz(波长在0.03～3 mm)内的电磁辐射. 太赫兹频段具有频率高、波束窄、绝对带宽大、通信容量大等优点.由于其所处位置的过渡性,它同时具备电磁波和光波的性质,还具有穿透性、光谱分辨特性、时间和空间相干性等特点,因此近年来在天文、安全检测、医学成像、地面无线通信、卫星通信等领域得到了迅速发展. 作为超高频段频谱,将太赫兹频段应用于5G通信系统,有望进一步提升传输速率,对推动天地一体化网络发展也具有重大意义.

对太赫兹无线通信信道特性的研究是太赫兹技术应用的基础,受到各国的高度重视. 在室外信道传输方面,目前主要集中于太赫兹波在大气[2-3]、等离子体[4]等不同传输介质中的传输特性研究. 室内信道传输特性的研究主要包括装修材料的反射、散射特性[5-7]以及信道传播特性[8-10]等.

基于太赫兹频段速率高带宽大的特点,未来可将其应用于高中低轨道卫星通信领域. 然而,目前关于太赫兹信道的研究,大多数集中于室外短距离通信和室内无线信道传输,对太赫兹频段星地无线通信场景尚未做深入分析. 现有关于太赫兹星地通信信道的研究,通常集中分析影响太赫兹信道特性的单一因素,如大气分子吸收、降雨衰减等,未考虑随时间变化的多种衰减源的综合影响,缺乏系统性、模块化的建模流程与方法.另外,对于大气因素同时作用对信道产生的复合衰减效应的研究,主要集中在微波和毫米波频段,太赫兹频段的研究不够深入,实验数据也不是很多.

因此,本文结合太赫兹空间通信特点,提出了一种适用于星地通信系统模块化、流程化的太赫兹信道建模与仿真方法,分析了自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减、雨衰减及多普勒频移等太赫兹信道的影响因素,构建星地太赫兹通信信道建模流程,并给出了分步骤信道参数的生成方法. 通过数值仿真,对不同天气状况下,传输距离和频率对传输信号的影响以及信道误码率随距离的变化进行了分析,验证了所提出模型和方法的可用性. 所提建模方法涵盖了太赫兹星地信道的主要因素,能够提供不同传输条件下的动态太赫兹信道复合衰减效应的响应数据,为今后太赫兹频段无线通信系统的设计与开发提供了评估与测试依据. 此外,还针对模型综合得到的衰减结果,对未来星地太赫兹实现可靠通信提出了相应的传输技术设计建议.

1 星地太赫兹信道模型构建

1.1 星地太赫兹通信影响因素分析

与传统的星地通信系统无线电波信号相似,太赫兹波由卫星传播到地面接收站的过程中,会依次经历外层空间、散逸层、热层、中间层、平流层和对流层.每层所含的物质不同,传播环境不同,影响信号传输的因素也不一样.由于太赫兹波自身的特性,这些因素对信号幅度和相位的影响程度也各不相同.

1.1.1 外层空间

卫星在上万千米高空向地面站发送信号,信号首先经历外层空间. 外层空间含有密度很低的物质,以等离子态的氢为主. 虽然所含物质密度低,但由于经历自由空间的路径很长,占总路径的95%以上,因此自由空间损耗是最主要的损耗[11]. 对太赫兹空间通信来说,由于传输距离远、信号频率高,自由空间传播损耗更是信道建模中重要的影响因素.

1.1.2 散逸层、热层、中间层

散逸层、热层、中间层的气体通常处于电离状态. 电离的电子往往以一个特征频率fp振动. 对于10 GHz以下频段的电磁波而言,电离效应引起的电离层闪烁会改变其传播路径,产生多径效应和损耗. 但太赫兹波的载波频率f远大于fp,可以低耗地穿过电离层而不用过多考虑电离层闪烁的影响. 这一优势是太赫兹波用于卫星通信的一大独特优点.

1.1.3 平流层和对流层

平流层和对流层中,由于大气、云、雨等复杂变化以及接收终端和卫星之间的相对移动,会导致信号产生分子吸收损耗、云雾衰减、降雨衰减、对流层闪烁和多普勒效应.

对流层的水汽和氧气会对太赫兹波传播造成吸收损耗. 水分子和氧分子内部容易发生振动和转动的能量跃迁,同时产生较低的吸收能量. 这部分能量对应的频率位于红外光区和太赫兹频段,从而造成了水汽和氧气对太赫兹波的较强衰减.

当无线电波工作频率高于20 GHz时,云雾衰减会对星地通信产生很大影响. 雾滴半径通常在1～60 μm,以液态水密度为特征. 太赫兹波穿过对流层的云雾时,有一部分能量被吸收或散射,从而导致损耗. 损耗大小与工作频率、穿越的路程长短以及云雾的浓度有关[12]. 雾粒子的分布以及地域、形成机理等因素,都能对太赫兹频段信号探测传输产生显著影响.

降雨衰减产生于雨滴对电磁能量的吸收和散射. 当工作频率高于10 GHz时,降雨衰减已经成为无线电波穿过对流层的主要衰减之一. 在雨天环境下,太赫兹波的衰减主要由雨滴的球形散射造成. 当雨滴直径与太赫兹波长相当时,将造成太赫兹波的高衰减率. 降雨衰减对星地通信链路的影响很大,有时链路仅仅增加几个dB的衰减就会产生很大的误码率,使系统信噪比降低,信道隔离度变差,从而导致通信中断. 此种现象被称为“峭壁效应”,这是数字信号传输过程中所特有的现象[13].

对于10 GHz以上的低仰角、低余量系统,对流层闪烁效应较为严重. ITU-R P.618协议中对流层闪烁衰落算法的频率适用范围是4～20 GHz.本文讨论太赫兹频段星地通信,从应用角度主要考虑仰角较高的情况,故暂不考虑对流层闪烁效应的影响,后续仍需针对太赫兹频段进行测量并根据最新的测量结果对所提模型进行改进.

星地通信过程中,当卫星与地面站、用户终端之间存在相对运动时,会产生多普勒效应,此效应会产生码间干扰,影响系统通信质量. 多普勒效应与相对移动速度、运动方向以及信号的入射角有很大关系.

1.2 星地太赫兹通信信道模型构建

依据上述分析,太赫兹频段卫星到地面的传输链路,需要综合考虑自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减、降雨衰减以及多普勒频移对信道的影响.由此,建立如图1所示的建模流程.

图1 太赫兹星地通信信道建模流程图

由于卫星对地面存在相对运动,实际天气状况也时时不同. 因此,信道响应是动态变化的,应随时间的更新及时调整参数取值.

如图1所示,太赫兹星地信道响应生成步骤如下:

步骤1:设定初始环境参数,主要包括频率fc、收发距离d0(t)、相对移动速度v等;

步骤2:综合考虑自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减和降雨衰减的影响,生成信道传输损耗;

步骤3:依据传播速度与收发距离的关系,生成信道传输时延τ0(t);

步骤4:考虑多普勒效应影响,生成信道传输相移φ0(t);

步骤5:生成信道冲激响应h(t);

步骤6:更新时间参数t,并更新不同传输距离、不同天气条件下对应时变参数的取值,回到步骤1,生成新的信道响应.

2 信道模块分析

2.1 生成信道传输损耗

信道传输损耗由自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减损耗和降雨衰减损耗四部分组成,依据ITU-R P.618建议书给出的复合衰减计算方法,可得LP=LP,free+LP,air+LP,fog+LP,rain.

2.1.1 自由空间损耗计算

接收端和发射端距离为d0(t),若d0(t)以km为单位,f以MHz为单位,则自由空间损耗LP,free(dB)可以表示为

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

(1)

经过仿真可以得出,自由空间损耗随传输距离增加而不断增大,当频率为100 GHz时,5 km处和50 km处的损耗分别为146 dB和166 dB,符合计算结果.

2.1.2 分子吸收损耗计算

大气中水分子和氧分子对太赫兹波段特殊的吸收效应,使得大气在太赫兹波段的折射率成为一个复数折射率,其具体值由不同大气环境下的压强、温度和湿度决定[14]. 依据2007年ITU-R给出的大气吸收估计计算模型[15],可以得出大气中氧气和水汽对太赫兹波的吸收衰减为

(2)

式中:γO表示大气中氧气所造成的衰减率;γW表示水汽所造成的衰减率;hO为干燥空气的有效高度;hW为水汽的有效高度;θ为通信仰角.

氧气和水汽对太赫兹波的吸收衰减,都表现为一条带有若干个频率选择性吸收峰的曲线. 其中氧分子的吸收峰较少,衰减也较小,最强的吸收峰出现在60 GHz处,大约为14.5 dB/km. 而水分子的吸收峰明显增多,覆盖了大部分频段,特别是高频段. 其中最明显的吸收峰出现在557 GHz处,吸收衰减达到了16 410 dB/km. 从整体上可以分析得到,氧气对太赫兹波的吸收衰减率变化范围大都处于0～15 dB/km之间,水汽对太赫兹波的吸收衰减率大都处于100 dB/km以上,甚至超过104 dB/km,明显高于干空气的吸收,这说明了水分子对太赫兹波具有极强的吸收效应.

2.1.3 云雾衰减计算

依据文献[16]给出的通信系统云雾衰减的计算方法,可以得出云雾的总衰减为

(3)

式中:L为液态水柱含量,kg/m2;Kl为衰减率系数;θ为路径仰角,5°≤θ≤90°.

随着能见度的降低,雾滴对太赫兹信号的衰减呈指数型增大;随着频率的增大,雾滴对太赫兹信号的衰减呈指数型升高[17]. 当频率为100 GHz时,衰减为2.2 dB/km.

2.1.4 降雨衰减计算

结合文献[18-19]给出的预报雨衰模型,可以得出0.01%时间概率降雨衰减为

(4)

式中:LE为有效路径长度;γR为降雨衰减率.

对于降雨来说,雨量的增加将导致衰减明显升高. 在100 GHz频率点,当降雨量为25 mm/h时,雨滴造成的衰减大约为12 dB/km. 当降雨量增加到100 mm/h时,衰减增大到26 dB/km.

2.2 生成信道传输时延τ0(t)

当传输过程是卫星与地面的通信时,考虑到两者之间的距离以及太赫兹波穿越对流层过程中的明显损耗,多径效应对接收端的影响已经微乎其微.因此,模型中主要考虑了视距传输.视距径的传输时延只与传播速度与收发距离有关.则信道传输时延

(5)

式中,c为光速．

2.3 生成信道传输相移φ0(t)

φ0(t)=2πfcτ0(t)-2πfmΔtcosθ+φ0.

(6)

式中:fc为载波频率;fm为最大多普勒频移;τ0(t)为传输时延,由式(5)计算得出;随机初相φ0服从[0,1]上的均匀分布,即φ0∈U[0,1].

在卫星通信过程中,当接收端和发射端存在相对运动v时,两个位置接收到信号的路程差Δl可以表示为Δl=vΔtcosθ,θ为入射波的夹角. 由于在实际的卫星通信中,路径距离很远,可以假设多径信号和地面之间的入射角是相等的,都用θ表示,则路径变化导致的相位变化值为Δφ=2πΔl/λ=(2πvΔt/λ)cosθ,从而可以推出多普勒频率fd为

(7)

即最大多普勒频移fm为

(8)

2.4 生成信道冲激响应h(t)

h(t)=a0(t)exp[-jφ0(t)]δ[τ-τ0(t)].

(9)

2.5 更新时间参数t

更新时间参数t,并更新不同传输距离、不同天气条件下对应时变参数的取值,回到步骤1,生成新的信道响应.

3 太赫兹星地通信系统仿真及分析

为了验证模型的可用性,首先分析了不同天气条件下,传输距离与频率对太赫兹信号传输损耗的影响,之后在一个简单的星地通信系统仿真中,基于所生成的信道响应进行太赫兹星地链路误码率性能仿真与分析.

3.1 仿真参数设计

仿真采用的星地通信链路参数如下:载波频率fc为0.1～1 THz,信道带宽B为10 GHz,发射功率Pt为10 W,天线增益为35 dBi. 太赫兹频段的星地通信具有带宽大的优点,但由于传输链路较长且频段较高,影响因素较多,通过所提出的信道模型,综合各因素仿真得到的传输衰减较大. 从保证太赫兹星地通信的可靠性出发,建议采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)或正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)低阶调制方式,并采用低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC)或极化码(Polar Code)等高纠错性能的编码技术. 在本论文的仿真中采用了QPSK调制技术,因本文主要拟评估信道衰减本身对通信性能产生的影响,故暂未考虑编码技术,实际上编码技术可带来相应编码增益,体现在误码率的改善方面.

由于对流层的中部距离地面约6 km,雾和降雨主要集中在这一层,云可能伸展到10 km以上,因此设定大气衰减在10 km的范围. 晴好天气时,取温度为288 K(15℃),相对湿度为60%;云雾天气时取能见度为50 m的浓雾状态,此时液体水密度为0.5 g/m3;降雨天气时,以静止轨道卫星北京地面站为例,路径仰角为10°,水平极化角为0°,降雨率为100 mm/h.

此外,在太赫兹频段,热噪声和量子噪声功率具有相同的数量级,这是太赫兹通信系统不同于微波和光通信系统的特殊之处,因此进行仿真时两种噪声均在考虑之内. 其中热噪声为高斯白噪声,量子噪声为随频率变化的色噪声.

仿真了晴好天气(只考虑自由路径损耗和大气分子吸收损耗)、云雾天气(综合考虑自由路径损耗、大气分子吸收损耗和云雾衰减)和降雨天气(综合考虑自由路径损耗、大气分子吸收损耗和降雨衰减)等三种不同情况.

3.2 仿真结果分析

3.2.1 传输距离对信号的影响

设置频率为100 GHz,传输距离为200～35 600 km,可得到传输损耗与传输距离的关系曲线,如图2所示.

图2 传输损耗随距离变化关系曲线

如图2所示,随着传输距离的增大,根据所提模型得到的传输损耗依照对数形式整体抬升. 晴好天气时,系统传输损耗最小;云雾天气时,传输损耗增加了13 dB;降雨对系统影响较大,降雨天气时,系统传输损耗增加了107 dB.

3.2.2 不同频段对信号的影响

固定传输距离为35 600 km,设置信号频率分别为0.1～1 THz,观察频率改变对传输损耗的影响,如图3所示.

图3 传输损耗随频率变化关系曲线

如图3所示,根据所提出的模型,传输损耗在太赫兹频段存在若干个频率选择性吸收峰. 因此在实际应用时,应在保证足够带宽的前提下,选择合适的通信频带. 当频率为100 GHz时,晴好天气、云雾天气和降雨天气对应的系统传输损耗分别达到227 dB、240 dB和334 dB.

3.2.3 接收系统的误码率

设置频率为100 GHz,传输距离为200～35 600 km. 通过仿真分析得到,中高轨道星地传输系统误码率较大,故只画出了低轨道卫星(传输距离为200～1 500 km)对应的误码率随传输距离的变化. 利用QPSK调制方式下误码率理论分析的方法,可得到晴好天气时接收系统的误码率与传输距离的关系曲线,如图4所示.

图4 晴好天气误码率随距离变化关系曲线

如图4所示,随着传输距离的增加,误码率逐步增大. 晴好天气时,系统稳定可靠.

降雨天气时,采用了与晴好天气相同的参数进行仿真. 通过对降雨天气时误码率随距离变化的仿真分析可得到,降雨将严重干扰太赫兹信道的传输性能,误码率明显增大,已不能满足系统设计的可靠性要求. 因此当太赫兹波在恶劣天气传输时,有必要提高发射功率和采用高增益天线,这对太赫兹功率合成、天线设计等都提出了相应的要求. 此外,还可采用LDPC或极化码等高纠错性能的编码技术,以提高编码增益,改善系统误码率.

4 结 论

本文主要研究了太赫兹频段星地通信系统的信道建模与仿真方法,分析了自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减、雨衰减及多普勒频移等太赫兹信道的影响因素,构建星地太赫兹通信信道建模流程,并给出了分步骤信道参数的生成方法. 通过仿真进一步探讨了不同天气状况下,传输距离和频率对传输信号的影响以及信道误码率随距离的变化. 结果表明:降雨对太赫兹频段的星地通信影响很大,需要在系统设计时,综合考虑功率合成、天线增益、传输技术设计等影响因素,保证系统可用率的要求. 所提建模方法能够提供不同传输条件下的动态太赫兹信道复合衰减效应的响应数据,从而为今后太赫兹频段无线通信系统的设计与优化提供了评估与测试依据.

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