CN117439659B - 一种面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法，涉及无线通信技术领域。本方法主要解决目前低轨卫星信道建模时信道特性考虑不全导致信道模型准确性较低的问题。其实现步骤为：生成大气层和近地端环境基本参数，包括电离层闪烁参数、降雨参数和近地面环境参数；考虑大尺度和近地端小尺度衰落的信道模型，包括电离层闪烁、降雨衰减和基于射线追踪的多径效应建模；计算接收功率相关参数，包括不同近地面场景下的功率时延谱，不同卫星俯仰角和降雨速率下的总接收功率。本发明基于射线追踪法有效建模低轨卫星信道，考虑了大气层中的电离层闪烁和降雨影响，具有较高的准确性，仿真结果对低轨卫星信道分析具有参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，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
随着首批第五代（Fifth Generation, 5G）移动通信***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）***，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***，卫星通信***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***，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。
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***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。
发明内容
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。
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：
S1、生成低轨卫星***参数；所述低轨卫星***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；
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；
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；
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；
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。
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；
卫星-近地面通信链路距离L的计算方法如下：
式中，是卫星俯仰角，是卫星高度，=6371 km是地球半径。
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；
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：
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；
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：
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。
所述降雨参数包括降雨速率（mm/h）。降雨速率为***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。
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。
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。
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：
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：
在进一步的实施例中，步骤S2具体包括：
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：
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：
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：
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。
在进一步的实施例中，步骤S3具体包括：
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。
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。
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：
式中，是电离层闪烁损耗，是降雨损耗，是自由空间路径损耗；
所述自由空间路径损耗的计算如下式：
式中，L表示卫星-近地面通信链路距离；表示工作频率。
所述多径接收功率的计算如下式：
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。
均方根时延扩展的计算方法如下：
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。
因此，总多径接收功率计算方法如下：
总接收功率（dBm），计算方法如下：
功率时延谱（dBm），计算方法如下：
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。
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。
附图说明
图1是面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法的流程示意图。
图2是本发明实施例中近地面场景的收发天线和射线传播示意图。
图3是本发明实施例中城市三维模型示意图。
图4（a）为密集高楼场景的功率时延谱图。
图4（b）为住宅区场景的功率时延谱图。
图5（a）为密集高楼场景的功率时延谱图。
图5（b）为住宅区场景的功率时延谱图。
图6是本发明实施例中计算出的不同降雨速率下的接收功率。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本实施例公开一种面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法的细节，见图1所示：
S1、生成低轨卫星***基本参数；
S101、低轨卫星高度H为550 km，工作频率f分别为2 GHz、28 GHz和40 GHz，发射功
率为30 dBm，地球半径 = 6371 km。
S102、卫星到地面接收端的距离L可由卫星俯仰角、卫星高度H、地球半径计算
得到，如下：
S103、所述大气层信道环境，具体包括：电离层闪烁参数和降雨参数。
电离层闪烁的强度通常用闪烁指数来描述，计算如下：
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：
其中，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的平均值为-1.7。
所述降雨参数，具体包括降雨速率（mm/h）。降雨速率为***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速率。降雨速率设置为0~120 mm/h。
S104、所述近地端信道环境参数主要为城市建筑物场景参数，包括建筑物边缘轮廓尺寸、建筑物高度和建筑物表面反射系数。
所述建筑物边缘轮廓尺寸，具体包括，建筑物的边缘点坐标和建筑物的间距，可根据具体场景数据得出。
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：
用于仿真的城市模型设置为由16栋建筑物构成的城市局部区域，这些建筑物按照排列，见图3所示，每栋建筑物之间有宽度为d的马路，每栋建筑的垂直边缘轮廓相同，
沿x轴方向的长度为a，沿y轴方向的长度为b。
仿真分别设置了密集高楼场景和住宅区场景。其中，密集高楼场景的路宽d = 10
m，沿x轴方向的长度a = 40 m，沿y轴方向的长度b = 25 m，参数 =100。住宅区场景的路宽
d = 10 m，沿x轴方向的长度a = 30 m，沿y轴方向的长度b = 15 m，参数 =30。
建筑物表面反射系数r，取决于建筑物表面材料的介电常数。实例中所有反射平
面均视为混凝土，其介电常数6.2。若入射波与介质表面的夹角为，则符合以下关系：
S2、大尺度部分的衰落信道建模，具体包括：电离层闪烁衰落和降雨衰减；
S201、电离层闪烁损耗（dB）具有如下关系式：
在工作频率为2 GHz时，=6 dB，工作频率为10 GHz以上时，电离层闪烁损耗
可以忽略不计。
S202、模拟晴朗天气到暴雨天气下的不同降雨量情况。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：
降雨衰减计算方法如下：
根据ITU-R P.838，在2 GHz，降雨系数K为0.0000847，为1.0664；在28 GHz，降雨
系数K为0.9679，为0.2051；在40 GHz，降雨系数K为0.8673，为0.4431。
S3、近地端小尺度衰落信道建模，具体包括：多径效应建模；
S301、多径效应建模如图2所示，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=5 m
的圆形平面。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，设置为500 m。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。
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=
1.5 m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。
S4、计算低轨卫星信道大尺度衰落损耗和多径接收功率；
S401、大尺度衰落计算方法如下：
其中，是电离层闪烁损耗，是降雨损耗，是自由空间路径损耗，计
算方法如下：
S402、小尺度衰落，包括多径接收功率，计算方法如下：
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。
均方根时延扩展的计算方法如下：
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。
因此，总多径接收功率计算方法如下：
S5、计算不同场景下的功率时延谱、不同卫星俯仰角的多径接收功率和不同降雨速率的接收功率。根据多径数据集，多径功率时延谱可根据多径接收功率得到。
结合电离层闪烁损耗和降雨损耗，总接收功率为：
改变卫星俯仰角，降雨速率和工作频率，可得到不同影响因素下的总接收功
率。
图4（a）和图4（b）表明，在高楼密集区环境下，接收天线共接收到3条一次反射径，且直射径受到高楼遮挡，此时的均方根时延扩展为1.36 ns，总接收功率为-148.8 dBm；在住宅区环境下，接收天线共接收到12条路径，其中有一条直射径，10条一次反射径以及1条二次反射径，此时的均方根时延扩展为28.02 ns，总接收功率为-135.5 dBm。仿真结果表明，高楼密集区在卫星俯仰角较低时可能会出现直射径遮挡，此时的总接收功率会大幅减小，因此在部署天线位置时，要尽可能避免直射径的遮挡。在住宅区，由于很少出现建筑物遮挡，且接收天线高度较低，来自屋顶的反射时延相对较小，建筑物侧面的反射时延相对较大，有二次反射径存在，此时的均方根时延扩展受到反射径影响较大，总接收功率更大。
图5（a）和图5（b）表明在高楼密集区，卫星俯仰角在0~20°左右的部分，由于建筑物遮挡，接收功率不存在。卫星俯仰角在0~50°左右的部分，由于不存在反射径，仅有直射径，总接收功率平稳上升。当卫星俯仰角大于50°后，由于来自房顶的反射径的影响产生了多径效应，使得总接收功率随着俯仰角的增大出现了较大的抖动，总体呈现上升趋势。结果对比3GPP TR 38.811中密集城市区的卫星-地面接收功率的模型标准，可以看出模型与3GPP模型标准趋势基本一致。由于与标准中参数存在不一致，因此仿真接收功率与标准计算值略有差异。高频段下的接收功率与标准值存在差异，这是由于在L波段（2 GHz），总接收功率仅受到电离层闪烁的影响，电离层闪烁衰落约为6 dB；在Ka波段（28 GHz），总接收功率几乎没有电离层闪烁衰落，但雨衰影响突出，在俯仰角为20°时雨衰大小约为16 dB，俯仰角为75°时雨衰大小为5.7 dB。对比高楼密集区和住宅区的仿真结果可以发现，住宅区的接收功率起伏更大，这是由于住宅区反射路径更多，多径效应影响更强烈导致。
图6表明不同降雨速率下的接收功率与降雨速率和工作频率的关系。在2 GHz下，接收功率几乎不受到雨衰影响，在40 GHz下，接收功率衰减显著。从仿真结果中可以看出，频率越高，接收功率越小，雨衰对低轨卫星通信***毫米波频段的影响较大。为解决雨衰问题，可以用较窄波束宽度的天线降低由于降雨吸收造成的衰减。
综上所述，本发明建立的面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法，考虑了大气层中的电离层闪烁和降雨影响，并对近地面多径效应采用圆发射面阵等效的方法进行建模，具有较高的准确性，适中的复杂度以及更好的普适性，丰富了低轨卫星信道的建模方法，仿真的统计特性对低轨卫星通信***设计具有参考价值。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
Claims (1)
1.一种面向低轨卫星通信的射线追踪信道建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、生成低轨卫星***参数；所述低轨卫星***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；
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；
根据所述基本参数，计算得到卫星-近地面通信链路距离L：
；
式中，是卫星俯仰角，/>是卫星高度，/>是地球半径；
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；
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：
；
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；
所述电离层闪烁参数S与电离层的闪烁频率之间满足如下关系式：
；
式中，为工作频率，n为闪烁指数因子；
所述降雨参数包括降雨速率；所述降雨速率为***中断率预定值时的降雨速率；
所述近地端信道环境参数为城市建筑物场景参数；所述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；
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；
所述建筑物高度符合参数/>的瑞利分布/>：
；
式中，参数表示城市场景内普遍的建筑物高度；
所述建筑物表面反射系数r的表达式如下：
；
式中，表示建筑物表面材料的介电常数；/>表示入射波与介质表面的夹角；
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；
所述电离层闪烁衰落建模，包括根据闪烁指数计算电离层闪烁损耗：
；
式中，表示电离层闪烁损耗，单位为dB；S表示电离层闪烁参数；
所述降雨衰减建模，包括：
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/>：
；
计算由降雨引起的衰落：
；
式中，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；
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；
S301、生成近地面等效发射圆面阵：
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；
圆形平面的中心位于直射径上，并且其到接收天线的距离是固定的；所述圆形平面的法向量v是直射径的向量；所述圆形平面沿着向量v均匀地射出多条具有相同能量的平行射线；
S302、基于射线追踪法生成多径：
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，有效到达接收端的射线将逐一计算，得到准确的传播路径；
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；
所述低轨卫星信道大尺度衰落损耗PL的计算如下式：
；
式中，是电离层闪烁损耗，/>是降雨损耗，/>是自由空间路径损耗；
所述自由空间路径损耗的计算如下式：
；
式中，L表示卫星-近地面通信链路距离；表示工作频率；
所述多径接收功率的计算如下式：
；
式中，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；
S5、根据步骤S4计算得到的大尺度衰落损耗和多径接收功率，计算总接收功率和功率时延谱；
所述总接收功率的计算如下式：
；
式中，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；
所述总多径接收功率的计算如下式：
；
式中，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；
所述功率时延谱的计算如下式：
；
式中，表示多径接收功率；/>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；/>表示工作频率。
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2023
- 2023-12-21 CN CN202311763522.2A patent/CN117439659B/zh active Active
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