基于射线追踪法的LUNA月球基地通信信道方法

基于射线追踪法的luna月球基地通信信道方法
技术领域
1.本发明涉及太赫兹月球通信信道领域，尤其涉及一种基于射线追踪法的luna月球基地通信信道方法。


背景技术：

2.月球作为地球的天然卫星，具有位置资源特殊性，物质资源丰富性，自然环境资源独特性的特征。月球基地能够在地球上模拟月球地质环境和人类探索任务来模拟人类登月的各个方面。在探索月球任务的地面通信网络架构中，月球基地支持远程通信，需要从多个地面模拟场景获得高清晰度视频和科学数据的高数据率，宇航员以及月球探测车等必须支持大容量数据速率的通信。而太赫兹波段的频率较高，拥有更加丰富的频谱资源，理论上能带来较足够的带宽和较快的通信速率，能够满足未来月球基地潜在的通信需求。为了在月球基地场景中实现太赫兹无线通信网络的建设，需要对太赫兹信道进行深入地研究。
3.各个航天国家对月球表面栖息地的仿真研究有了很大的发展，在月球栖息地或月球基地情景中，信道建模可成为栖息地模拟任务中的一个主要研究领域。月球上的信道建模相较于地球上的信道建模主要有以下区别，在地球上，信号在大气层中传播时会受到大气折射、多次散射等影响，而在月球上则不存在这种影响。因此月球上的信道建模可以更加简化，无需考虑大气影响。地球上的信号强度通常比较高，而月球上则相对较弱，因此要考虑信噪比的影响对信道进行建模和优化。地球上的地形复杂多样，信号在传播过程中会遇到很多建筑物、山脉等等的阻隔和反射，从而导致信号传播过程中出现多径效应等问题，而在月球上则相对平坦，因此需要考虑的多径效应等问题要比地球上少很多。
4.在月球基地场景中，通信信道建模可成为栖息地模拟任务中的一个主要研究领域。月球通信场景下的信道建模研究较少，没有对月球通信场景进行详细的信道建模，并且月球通信场景下的信道建模还尚未研究。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于射线追踪法的luna月球基地通信信道方法，本发明结合luna月球基地上的极端环境条件和崎岖地形，提出了一种适用于月球基地近距离通信场景的多射线信道模型，并推导出了适用于该场景链路的信道容量模型，使用信道模拟器cloudrt对太赫兹频段下的月球基地场景进行信道仿真，然后分别采用注水功率分配和等功率分配两种不同的分配方式对该场景下太赫兹信道的通信容量进行估算和对比，提高月球基地通信系统的传输速率和质量，详见下文描述：
6.一种基于射线追踪法的luna月球基地通信信道方法，所述方法包括：
7.构建适用于月球基地近距离通信场景的多射线信道模型，所述模型考虑了luna月球基地上的极端环境条件和崎岖地形；
8.构建适用于月球基地近距离通信场景的信道容量模型，所述模型基于多射线信道模型，用于对月球基地通信信道的容量进行估算；
9.采用注水功率分配和等功率分配对当前场景下太赫兹信道的通信容量进行估算和对比，提高月球基地通信系统的传输速率和质量。
10.其中，所述方法还包括：
11.使用信道模拟器cloudrt对太赫兹频段下的月球基地场景进行信道仿真，验证信道模型和容量模型的准确性和可行性。
12.进一步地，所述多射线信道模型为：
13.h(f)＝h
los
(f)+h
ref
(f)+h
sca
(f)
14.其中，h
los
(f)、h
ref
(f)、h
sca
(f)为直射、反射和散射路径的信道传递函数。
15.其中，所述信道容量模型为：
[0016][0017]
其中，c为信道容量，n为噪声的平均功率，f为频率，第i个子带的功率为pi，每个子带的宽度为
△fi
，sn为加性高斯白噪声的功率谱密度。
[0018]
本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0019]
1、在月球基地通信场景中，地形和环境的变化会导致信号的衰减和多径效应，这可能会影响通信的质量和可靠性，本发明所提出的多射线模型可以提高信道建模的准确性，更好地预测信号传播路径和衰减；
[0020]
2、本发明采用两种不同功率分配方式对太赫兹频段下的信道容量进行了计算和分析，发现注水功率分配下的信道容量会明显优于等功率分配下的信道容量，在太赫兹频段内，采用注水分配功率技术可以进一步提高信号的传输能力，从而提高月球基地通信系统的传输速率和质量。
附图说明
[0021]
图1为太赫兹波传播模型的示意图；
[0022]
图2为粗糙表面散射的示意图；
[0023]
图3为建模仿真的工作流程图；
[0024]
图4为工作模块luna大厅的多径分布图；
[0025]
图5为居住模块flexhab的多径分布图；
[0026]
图6为两个场景的k因子的示意图；
[0027]
图7为两个场景的时延分布图；
[0028]
图8为两个场景的角度扩展图；
[0029]
图9为两种场景下不同发射功率的信道容量示意图；
[0030]
图10为0.3-0.33thz频段的信道容量与通信距离的关系示意图。
[0031]
表1为材质模型材质参数；
[0032]
表2为仿真配置；
[0033]
表3为场景a和场景b的rms角度扩展。
具体实施方式
[0034]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步
地详细描述。
[0035]
本发明实施例的技术方案主要分为以下两个部分：
[0036]
太赫兹频段的电磁波波长较短，因此适合于射线追踪法来进行精确建模，然而确定性信道建模的精度较高但计算量相对较大，随机信道建模计算复杂度较低但精度较低。混合型建模方法具有适应性强、精度高、鲁棒性好和实现便利的优势。因此本发明实施例基于射线追踪法和单刃形衍射模型提出了一种适用于luna月球基地通信场景的太赫兹多射线信道模型。
[0037]
本发明实施例对luna月球基地的工作模块luna大厅和居住模块flexhab的构造进行详细的研究并进行场景模型的建立，并借助太赫兹信道模拟器cloudrt进行信道仿真。对信道大尺度衰落特性进行了分析，其中包括：路径损耗随距离变化；研究了信道的小尺度衰落特性，包括：k因子、平均时延扩展、rms时延扩展以及rms角度扩展等信道参数。采用注水功率和等功率分配两种不同的分配方式对信道容量进行了估算。
[0038]
步骤1：建立太赫兹多射线信道模型；
[0039]
在月球基地通信场景中，太赫兹波在传输过程中，会发生直射、反射、散射、衍射现象，最后以不同的路径到达接收端。多射线信道模型是以射线跟踪方法为基础，利用几何光学原理来追踪直射、反射以及散射路径的传播。由于太赫兹频段的传播信道存在频率依赖性，因此可以将多射线信道划分成多个独立的子信道，其中每个子信道要足够窄以确保具有平坦频率响应。多径信道模型响应可以表示为：
[0040]
h(f)＝h
los
(f)+h
ref
(f)+h
sca
(f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
其中，h
los
(f)、h
ref
(f)、h
sca
(f)为直射、反射和散射路径的信道传递函数。
[0042]
对于衍射路径，虽然采用一致性几何衍射理论(uniform geometry theory of diffraction,utd)可以准确地表征衍射，但复杂性很高。在太赫兹频段内，衍射损耗相对较小，因此本发明实施例为了降低计算的复杂度并把衍射路径造成的损耗考虑在内，采用单刃衍射模型去计算月球基地通信场景中的衍射损耗。单刃衍射模型是一种用于描述光通过单个孔或开口时如何产生衍射图样的模型，可用于评估由障碍的衍射造成的衍射损耗，考虑的障碍物的几何形状相对简单。
[0043]
步骤2：直射、反射、散射传播模型；
[0044]
由于月球基地空间近似真空的状态下，不受水分和大气的影响，因此直射路径只需考虑自由空间损耗对信道的影响。月球探索栖息地flexhab的室内场景是要适应地球的条件，因此室内的直射路径是要考虑分析吸收损耗的影响。对于直射路径，其传输方程为：
[0045][0046]
其中，h
spr
(f)为传输损耗引起的传输函数，h
abs
(f)为大气分子吸收函数，τ
los
为直射路径到达接收端的时间。
[0047]
由于粗糙表面散射波的问题到目前为止还没有闭合形式的解决方案，因此在许多实际应用中都采用了近似解。由于地球地形复杂多样，信号在传播过程中会遇到很多建筑物的阻隔和反射，而在月球上则相对平坦，因此对于月球基地近距离通信下反射路径的传播，使用基尔霍夫理论来捕获镜面反射中的反射损耗。反射路径的传递函数可表示为：
[0048][0049]
其中，f为频率，r1和r2分别为发射点和接收点到反射点的距离，c为光速，k(f)为吸收损耗，r(f)为粗糙表面反射系数，τ
ref
为反射射线到达接收点的时间。
[0050]
粗糙表面的散射几何结构如图2所示，其中θ1、θ2和θ3分别为入射角的俯仰角、散射角的俯仰角和散射角的水平方向角。其表面粗糙程度可以分为轻微粗糙、中等粗糙和非常粗糙。散射路径的传递函数表示为：
[0051][0052]
其中，s1和s2为发射点和接收点与散射点的距离，τ
sca
为散射射线到达接收点的时间，s(f)为粗糙表面的散射系数。
[0053]
步骤3：衍射损耗模型的分析
[0054]
在月球基地传播中，室外场景的月球车和室内场景中的家具表面存在多个尖劈，这些尖劈会产生衍射路径。一致性几何衍射理论能够准确地表征衍射，但复杂性很高。本发明实施例将障碍物的几何形状相对简化，采用单刃形衍射模型，表示为：
[0055][0056]
其中，d1和d2分别为从发射点到衍射点的距离和从衍射点到接收点的距离，hd为连接路径两端的直线以上障碍物顶部的高度，λ为波长。
[0057]
在太赫兹频段进行月球基地无线通信的室内场景中，部分物体会成为太赫兹波束的障碍物和阻塞物。若假设直射路径是不可见的，因此必须要考虑衍射损耗才能真实地模拟太赫兹频段的通信特性。考虑研究衍射的模型为单刃形衍射模型，得到的衍射损耗为：
[0058][0059]
其中，c(v)和s(v)分别是复菲涅耳积分f(v)的实部和虚部，f(v)为：
[0060][0061]
步骤4：信道容量模型；
[0062]
为了定量评估太赫兹频段在月球基地通信中的潜力，本文使用信道容量作为性能指标。在发射端发射信号时，可以使用香农公式来计算接收端的信道容量，表示为：
[0063][0064]
其中，c为信道容量，b为带宽，s为平均功率，n为噪声的平均功率。
[0065]
将接收到的信号分解为多个子频带的总和，这些子频带信道都非常窄，并且具有平坦的频带响应。将第i个子带定义在约束条件其中第i个子带的功率为pi，每个子带的宽度为
△fi
,
△fi
＝f
i+1-fi，在第i个窄子带中，窄子带容量ci表示为：
[0066][0067][0068]
其中，n为子带的总数，p为天线的发射功率，sn为加性高斯白噪声的功率谱密度，g
t
和gr分别为发射端和接收端的天线增益，hi和g(v)分别在式(1)和式(6)中给出。因此太赫兹频段的宽带信道容量为各子带容量之和，为：
[0069][0070]
步骤5：月球基地的场景建模；
[0071]
本发明实施例根据月球南极中一个候选探测区域的地形数据，并将地形数据导入到sketchup建模工具完成了对月球地形的精确建模。同时luna月球基地的luna大厅是一个直径35米、高10米的穹顶结构，因此本发明实施例对luna大厅进行精确建模，模型图如图4所示。
[0072]
根据文献中对flexhab居住模块的内部进行了具体的描述，居住模块的尺寸为3.26x10.32x 2.40米，分为三个隔间，并且居住模块里面有flexrack系统，可以通过可移动的机架实现最大程度的空间灵活性以及通过重新排列和机架设计有效利用空间。本发明实施例通过sketchup建模工具对flexhab居住模块进行了精确的数字化建模，建模效果如图5所示。flexrack系统的可移动机架和桌子等家具会存在很多尖劈，是高精度通信中多径误差的来源，会产生不规则的多径干扰。
[0073]
步骤6：材质模型的建立；
[0074]
在所建模型中，不同结构体的不同颜色，代表着不同的材质。居住模块flexhab采用背光半透明丙烯酸玻璃能够增加室内的间接照明，并且居住模块是由德国装备制造企业(item)公司生产的铝型材模块化系统所构建。
[0075]
luna hall大约需要700吨月球风化层模拟剂，被称为eac-1a的内部模拟材料由玄武岩组成，该玄武岩被系统地研磨，以近似月球风化层的粒度分布，eac-1a的材质建模在文献中有详细的描述。月球探测车的表面材料主要是聚酰亚胺薄膜(polyimide)，电池板材料为单晶硅(monocrystalline silicon)。对应的材质及其介电常数、电导率见表1。
[0076]
步骤7：仿真配置的确定；
[0077]
太赫兹信道模拟器cloudrt是基于射线追踪法的信道模型和测量开发的，目的是在不重复信道测量的情况下能高效地再现信道特性。本发明实施例使用cloudrt进行仿真，使用matlab编写单刃形衍射损耗模型完成对cloudrt仿真结果的修正，仿真场景配置如表2所示。
[0078]
步骤8：仿真结果的分析；
[0079]
将场景模型和材料数据库代入信道模拟器cloudrt去进行射线追踪仿真，设定工作模块luna大厅和居住模块flexhab分别为场景a和场景b。设发射端与接收端天线都为垂直极化全向天线、天线增益0db、发射端功率0dbm。由于luna厅的半径约17m，居住模块flexhab长度约为10m，所以所研究的通信距离是设定0-10m之间。在场景a和场景b的信道仿
真中，总共分别提取了模拟中的5830和18979个射线样本，对应的采样间距约为5m。研究了信道的小尺度衰落特性，包括k因子、平均时延扩展以及rms角度扩展等信道参数。
[0080]
k因子是评估多径分量支配功率贡献的一个重要指标，被定义为直射路径的功率与其他路径功率之和的比值。从图6(a)可以发现场景a中k因子的值在-20db到5db之间，k因子均值为-10.5db。由图6(b)可以看出场景b中k因子的值在-15db到10db之间，k因子均值为-5.4db。与其他射线相比，k因子的均值表明了直射路径在整个过程占接收功率的较小，多径贡献的功率极大。
[0081]
图7显示了场景a中时延分布的cdf曲线，仿真值主要在0ns到22ns内分布，其中接近95％分布在0-1ns之间，而其余部分分布在16-26ns。由于场景b中存在的穹顶结构，因此场景a中的最大时延会较大于场景b中的最大时延。图7中显示了场景b中时延分布的累积分布函数(cdf)曲线，时延分布的仿真值主要在0ns到16ns内分布，其中接近90％分布在0-4ns之间，正态拟合的平均值为1.86ns。
[0082]
图8发现出发点和到达点的俯仰角差都比水平角差小得多，这说明多径路径主要来自水平方向。并且从图8(a)(b)发现，由于场景a中的luna大厅有穹顶结构，因此到达角的分布较为分散。而场景b中的aoa和eoa较为集中分布在中在特定的角度范围内。由于场景b中的居住模块flexhab为较为封闭的室内结构，因此同图8(c)(d)能够发现场景b中出发角跟场景a对比来看更为分散，说明场景a中入射射线更近似于平行线入射。将信道模拟器获得的仿真值代入公式得到两个场景中的平均角度扩展和rms角度扩展如表3所示。
[0083]
步骤9：信道容量分析。
[0084]
为了评估太赫兹频段下的信道容量，本文将0.3thz至0.33thz的频段分成1001个子频带，每个子频带的信道都非常窄，且具有平坦的子频带响应。设置总发射功率为0dbm到10dbm，并根据信道仿真器cloudrt得到的接收功率，计算了两种场景下不同功率分配策略的信道容量，由图9和图10所示。
[0085]
根据图9，在0.3-0.33thz的太赫兹频段下，随着发射功率的增加，两种功率分配策略的信道容量均呈上升趋势。从图9可以看出，当发射功率为0-10dbm时，采用注水功率分配策略时，信道容量会随着发射功率的增加而增加。当发射功率为10dbm时，两个场景下的信道容量分别为7.2gbps和4gbps。然而，采用等功率分配时，信道容量分别减少了20％和35％，分别为5.75gbps和2.6gbps。由于太赫兹频段具有很高的频率选择性，因此在开发太赫兹频段时必须进行合理的智能资源分配。
[0086]
根据图10，随着通信距离的增加，两种功率分配策略的信道容量均呈现明显的下降趋势。具体来说，当发射功率为10dbm时，距离为1m时，场景a下两种功率分配策略的信道容量分别约为20.2gbps和19gbps，场景b下两种功率分配策略的信道容量分别约为17.1gbps和15.8gbps。而当距离增加至10m时，场景a下的信道容量仅约为2.6gbps和1.5gbps，而场景b下的信道容量仅约为1.2gbps和0.5gbps。因此，可以看出太赫兹频段下的信道容量对通信距离非常敏感。太赫兹频段可以提供gbps级别的信道容量，满足未来月球基地仿真场景下获取高清晰度视频、科学数据等高数据率需求。
[0087]
表1材质模型材质参数
[0088][0089]
表2仿真配置
[0090][0091][0092]
表3场景a和场景b的rms角度扩展
[0093][0094]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0095]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于射线追踪法的luna月球基地通信信道方法，其特征在于，所述方法包括：构建适用于月球基地近距离通信场景的多射线信道模型，所述模型考虑了luna月球基地上的极端环境条件和崎岖地形；构建适用于月球基地近距离通信场景的信道容量模型，所述模型基于多射线信道模型，用于对月球基地通信信道的容量进行估算；采用注水功率分配和等功率分配对当前场景下太赫兹信道的通信容量进行估算和对比，提高月球基地通信系统的传输速率和质量。2.根据权利要求1所述的一种基于射线追踪法的luna月球基地通信信道方法，其特征在于，所述方法还包括：使用信道模拟器cloudrt对太赫兹频段下的月球基地场景进行信道仿真，验证信道模型和容量模型的准确性和可行性。3.根据权利要求1所述的一种基于射线追踪法的luna月球基地通信信道方法，其特征在于，所述多射线信道模型为：h(f)＝h
los
(f)+h
ref
(f)+h
sca
(f)其中，h
los
(f)、h
ref
(f)、h
sca
(f)为直射、反射和散射路径的信道传递函数。4.根据权利要求1所述的一种基于射线追踪法的luna月球基地通信信道方法，其特征在于，所述信道容量模型为：其中，c为信道容量，n为噪声的平均功率，f为频率，第i个子带的功率为p
i
，每个子带的宽度为
△
f
i
，s
n
为加性高斯白噪声的功率谱密度。

技术总结
本发明公开了一种基于射线追踪法的LUNA月球基地通信信道方法，方法包括：构建适用于月球基地近距离通信场景的多射线信道模型，所述模型考虑了LUNA月球基地上的极端环境条件和崎岖地形；构建适用于月球基地近距离通信场景的信道容量模型，所述模型基于多射线信道模型，用于对月球基地通信信道的容量进行估算；采用注水功率分配和等功率分配对当前场景下太赫兹信道的通信容量进行估算和对比，提高月球基地通信系统的传输速率和质量。本发明提高了月球基地通信系统的传输速率和质量。了月球基地通信系统的传输速率和质量。了月球基地通信系统的传输速率和质量。


技术研发人员：杨晋生 张振远
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/9/22