[发明专利]一种基于射线追踪的无人机山地太赫兹信道建模方法

说明书

本发明涉及一种基于射线追踪的无人机山地太赫兹信道建模方法，属于太赫兹通信技术领域。本发明通过射线追踪法追踪电磁波传播路径，能够准确地预测太赫兹波在山地场景下的传播特性。该建模方法主要包括建立真实山地场景三维模型、仿真获取信道模型参数、分析通信信道的统计特性和性能、更新场景参数生成新的信道模型等步骤。本发明所提建模方法主要思路是通过大量的信道仿真数据和信道特性分析来提出准确描述信道特性的信道模型，并通过调整场景参数来准确刻画信道统计特性及通信系统性能。为室外山地场景太赫兹频段实现可靠通信提出了设计建议。

技术领域

本发明涉及一种基于射线追踪的无人机山地太赫兹信道建模方法，属于太赫兹通信技术领域。

背景技术

近年来，无人机凭其成本低和灵活性高等特点使其在无线通信领域应用范围较广。在一些应急和辅助山地通信场景中，利用无人机作为空中基站，可以快速灵活地建立无线通信网络，从而确保信息进行可靠传输。

太赫兹波具有频率高、波束窄、带宽大、信道容量大等优点。太赫兹信道建模主要分为以下三种方法：确定性信道建模，半确定性信道建模，随机性信道建模。本发明运用的是确定性信道建模，首先建立3D确定性无人机山地模型，根据具体的地形，材料特性，大气环境等，然后在合适的位置放置发射器，接收器，最后预测信道的传输模型。确定性信道模型的建立方法有射线追踪算法和时域有限差分法，本发明主要基于射线追踪算法的建模。应用确定性信道建模的射线追踪法可以精确预测信道特征参数如传播路径损耗、时延等。

然而，目前关于太赫兹信道的研究，大多数集中于室内无线信道传输和室外短距离通信，对太赫兹频段室外山地无线通信场景尚未做深入分析。现有关于太赫兹室外通信信道的研究，通常集中分析小区或城市场景的信道特性，对山区或者郊外等应急通信场景的研究较少，频段也主要集中在微波和毫米波，对太赫兹频段的研究不够深入,同时实验数据也不够充足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于射线追踪的无人机山地太赫兹信道建模方法，用以解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种基于射线追踪的无人机山地太赫兹信道建模方法，具体步骤为：

Step1：建立真实山地场景三维模型，设定初始环境参数,所述环境参数包括载波频率、收发距离、发射功率、频带宽度、天线角度等；

Step2：根据所设定的环境参数，射线追踪发射端到接收端的全部路径，仿真给出路径损耗、接收功率、时延、到达角等信道模型参数，并生成用户终端所在地形区域信号强度分布图；

Step3：根据信道模型参数，得到时延扩展、分子吸收损耗、复脉冲响应、信道H矩阵等信道统计特性；

Step4：分析信道统计特性，对误码率、吞吐量等展开研究，评估所在场景通信系统性能；

Step5：调整场景参数，通过改变调制方式、大气环境参数、无人机垂直与水平位置，回到步骤S1，生成新的信道模型，分析信道特性；

可选的，所述室外山地场景及场景参数包括地形尺寸、发射机和接收机以及无人机的位置分布、太赫兹波频率。

可选的，所述建立山地三维模型，通过从USGS等遥感数据网站下载实际山地场景的数字高程数据(DEM)，再使用相应GIS软件进行编辑或撷取等后处理工作。场景初始参数包括太赫兹波中心频率、频带宽度、天线参数、发射机和接收机以及无人机的位置分布等。对于发射点、接收点，需要配置相应的载波波形和天线，无人机悬浮于地面一定高度作为空中基站，用户终端作为接收点以一定间隔距离附着在起伏的地形表面进行仿真计算，射线追踪所有发射端到接收端的传播路径，得到每条传播信道的信道参数。

可选的，接收功率在具有天线模式的自由空间中，表达方式为：