60_GHz与300_GH...频段航天器舱内通信信道特性_杨俊.pdf

杨俊，石磊，姚博，等.60 GHz 与 300 GHz 频段航天器舱内通信信道特性J.电波科学学报，2023，38（1）：79-86.DOI:10.12265/j.cjors.2022146YANG J,SHI L,YAO B,et al.Channel characterization for spacecraft capsule communication at 60 GHz and 300 GHzJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：79-86.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.202214660 GHz 与 300 GHz 频段航天器舱内通信信道特性杨俊石磊*姚博刘彦斐（西安电子科技大学空间科学与技术学院,西安 710126）摘要 太赫兹(THz)技术有望在航天器舱体轻质化和舱内高容量传输需求方面发挥重要作用.本文构建了典型航天器舱内毫米波 60 GHz 与太赫兹 300 GHz 频段信道三维仿真模型，基于射线追踪法获取了两种典型发射机部署位置下的无线信道特性，提取并分析了路径损耗指数、阴影衰落因子、莱斯 K 因子、均方根时延扩展和角度扩展等关键信道参数，研究了发射机的部署位置对特定频段舱内信道的影响.结果表明：相同环境下，频率越高、路径损耗与莱斯 K 因子越大而时延扩展越小；相同频率下，发射机部署于舱内角落的信道特性优于部署于舱内上壁中央.本文所研究的无线信道特性将为未来复杂舱内环境下的太赫兹通信系统设计和部署提供启示.关键词航天器；舱体模型；太赫兹通信；射线追踪(RT)；信道特征中图分类号V242.1文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0079-08DOI 10.12265/j.cjors.2022146Channel characterization for spacecraft capsulecommunication at 60 GHz and 300 GHzYANG JunSHI Lei*YAO BoLIU Yanfei（School of Aerospace Science and Technology of Xidian University,Xian 710126,China）AbstractTerahertz(THz)technology is anticipated to be crucial to spacecraft capsule weight reduction and therequirement for high-capacity transmission inside the capsule.In the millimeter-wave 60 GHz and terahertz 300 GHzbands,the typical spacecraft cabin channel is modelled in three dimensions in this article.Using the ray-tracingtechnique,the radio channel characteristics of the deployment places of the two representative transmitters aredetermined.It was looked into how the channel in a particular frequency band cabin would change depending on wherethe transmitter would be deployed.The results demonstrated that,in the same environment,the higher the frequency is,the higher the path loss and the Rice factor K are and the lower the delay expansion is.At the same frequency,thechannel characteristics are better when the transmitter is placed in the corner in the cabin as opposed to its upper-wallcenter.The radio channel characteristics examined in this research will provide ideas for how terahertz communicationsystems will be designed and implemented in complicated cabin environments in the future.Keywordsspacecraft；cabin models；terahertz communication；ray tracing(RT)；channel characteristics 引言近年来，随着人类对宇宙的不断探索，空间科学与应用技术正在迅速发展，航天器所承载的功能趋于多样化，所需传输的数据量也日益增长.传统的无人或载人航天器主要通过数据总线完成内部信息交互，数据量的增长必然导致数据总线数量、体积和重量的增加.寻求航天器内高速无线通信方式替换传 收稿日期：2022-06-30资助项目：国家自然科学基金（61871302，62101406 和 62001340）；陕西省创新能力支持计划（2022TD-37）通信作者：石磊 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 统数据电缆总线，实现航天器舱内无线传输系统设计，是当今航天领域需迫切突破的前沿技术1-2.然而，与传统无线通信系统应用环境不同，航天器密闭舱体四周为金属材质，内部空间狭小，舱内各点之间的无线信道环境异常复杂，多径传输效应显著3.太赫兹波具有通信速率高、定向性好、抗干扰能力强、安全性高等特性，适合应用于短距离密闭舱内场景，在航天领域拥有广阔的应用前景.当前航天器几乎都是通过有线电缆实现舱内数据信息交互，2000 年开始将无线技术应用到航天器上才逐渐引起研究者们的兴趣4.2004 年西班牙国家航天局发射了首颗采用星内光无线通信链路(opti-cal wireless links for intra-satellite communication,OWLS)技 术 的 NANOSAT-01 在 轨 实 验 卫 星，之 前 在NANOSAT-01 平台上进行了 OWLS 太空飞行验证试验5，证实了 OWLS 技术太空应用的可行性.2010 年中国空间技术研究院联合清华大学提出了应用蓝牙无线传感器搭建航天器舱内无线通信网络的方案6.2011 年欧洲航天局在金星快车模型内部进行了射频超宽带(ultra wideband,UWB)信道响应实验7.2010年到 2013 年日本东京电机大学开展了 UWB 技术应用于卫星内无线通信的研究8.太赫兹频段被认为是未来无线通信的下一个前沿，2020 年搭载太赫兹通信载荷的“电子科技大学号”成功发射，太赫兹通信设备在卫星平台上进行适应性试验，这也是我国航天领域太赫兹空间通信设备的首次卫星搭载试验，为未来太赫兹通信的空间应用奠定了基础.目前国内外太赫兹舱内通信系统研究尚处于起步阶段，太赫兹航天器舱内通信技术具有极大潜力和应用前景.但舱内太赫兹信道特性仍有待明确，太赫兹无线系统的设计仍有待实现.目前地面室内外场景下太赫兹信道测量和建模方面已有大量研究9-11，但航天器舱内密闭金属材质构成的特殊传播环境差异巨大，具有更强的多径衰落，因此针对此类特殊传播环境需要深入分析.本文针对典型飞行器舱体内部太赫兹频段无线通信独特的信道特性问题，基于射线追踪(ray tracing,RT)技术获取舱内场景无线信道特性，分析比较了60 GHz 和 300 GHz 频段时发射机位于舱内角落与上壁中央两种不同位置下传播环境无线信道特征，以及发射机部署对特定频段舱内信道的影响.1 舱内仿真场景建模为研究航天器舱内 60 GHz 与 300 GHz 频段无线信道特性及发射机部署位置对特定频段舱内信道特性影响，首先进行航天器舱内场景的三维建模，并采用 RT 法12得到设定频段的信道传播路径信息，跟踪各路径在特定场景和参数配置下的传播过程.1.1 传播场景模型以天和核心舱为原型(如图 1)进行建模，模型长 8.3 m、宽 3.8 m、高 3.1 m.模型内部金属舱壁四处放置大小相同的多个尼龙材质包裹，舱壁一侧放置四块大小相同玻璃材质的显示器.传播场景如图 1所示，模型中以主视图(如图 2 所示)左下角为坐标原点.图 1 航天器舱内物体布局Fig.1 Layout of objects in the spacecraft cabin xyz显示器坐标原点图 2 传播场景主视图Fig.2 Main view of the propagation scene rr舱内场景中金属及玻璃材质的相对介电常数实部 和虚部13 通过模拟退火算法拟合测量数据来校准，尼龙材质的相对介电常数来自对尼龙材料的准确预测14.所需材料具体的电磁特性如表 1，其中tan 为损耗角正切.表 1 60 GHz 和 300 GHz 下材料电磁参数Tab.1 Electromagnetic parameters of the materialat 60 GHz and 300 GHz材料60 GHz300 GHzrrtan rrtan 金属1.0001071071.000107107玻璃4.0600.1450.0364.2000.3420.081尼龙3.0050.0270.0092.9890.0460.015 1.2 参数设置RT 法基于几何光学理论(geometrical optics,GO)和均匀绕射理论(uniform theory of diffraction,UTD)可以得到特定场景的确定性信道模型，将从发射机 80电波科学学报第 38 卷到达接收机的电磁波近似为光学射线，可以准确表征无线信道中的多径分量.本文采用 CloudRT12 高性能 RT 模拟器进行航天器舱内场景的信道仿真，可以准确追踪每一条射线的时、空、幅、频、相信息，该软件全面支持电波传播中的直射、反射、散射等传播机制，利用高性能计算平台的硬件加速能力可快速对舱内复杂场景进行仿真评估.图 3 展示了发射机部署于舱内角落与舱内上壁中央时某一快照(snapshot)时刻的几何传播模型，红线为视距(light-of-sight,LoS)路径，蓝线为反射路径，黄线为散射路径，红色圆点为两个典型发射机的部署位置，红色箭头为接收机舱内移动方向.快照指的是无线信道在某一时刻的特性，通过分析所有快照上的无线信道特性，可以达到对整个覆盖区域无线信道特性刻画的目的.(a)舱内角落(a)Corner in the cabin(b)舱内上壁中央(b)Center of upper wall in the cabinzyzyxx图 3 两种发射机位置下某一快照时刻的传播模型Fig.3 Model of propagation for a snapshotat two transmitter points 仿真中使用理想全向天线，不考虑天线方向图的影响，为消除系统的影响，发射功率为 0 dBm.由于太赫兹波损耗严重，300 GHz 频段下米级光程差将产生大于 40 dB 的功率损耗15，因此 300 GHz 频段只考虑一阶反射次数，而 60 GHz 频段最大反射次数设为2.考虑两种典型天线部署位置(如图 3 所