超寬帶信道研究

1、超寬帶傳播信道摘 要：對于UWB設計以及通信與信息理論的調查研究的必要條件是要理解UWB的傳播信道。本文研究調查了關于UWB傳播信道的基本內容，并提出了不同與傳統(tǒng)傳播信道的地方。如果相對寬帶太大，這個傳播過程會發(fā)生頻變，因此路徑會丟失后者被屏蔽，同時著名的非相關散射模型將不再適用。如果絕對寬帶太大，脈沖響應的形狀以及衰落信號的數(shù)據(jù)會發(fā)生改變。本文也描述了測量UWB信道和提取通道參數(shù)的方法。本文對信道適用和UWB其他領域的研究的相關性也進行了說明。I.引文在電子通信技術上的一個新趨勢可增加寬帶的占線率通過雇用信號。新趨勢的發(fā)生基于兩方面，一方面是對信息率的不斷需求，例如語音通對速率的需求是10K

2、B/S，而新的應用程序，像視頻點播需求的速率是10MB/S，甚至更多。另一方面，一些多址計劃，像CDMA的傳輸需要更大的寬帶信號，為了更好地實現(xiàn)他的優(yōu)勢，像信號變弱的堅固性等，我們需要提高多址的容量以及對信號干擾的免疫力。UWB電子設備通過占用500MHz或者更高的寬帶，把他推向一個限值。因此，UWB系統(tǒng)能夠充分利用寬帶的優(yōu)勢。學術研究社群和工業(yè)研究社群對UWB通信產生了濃厚的興趣，尤其是近15年，之所以產生興趣是因為以下因素：理論上的突破，尤其是20世紀90年代，win 和Scholtz 發(fā)明了調試脈沖設備。新的通信法規(guī)，特別是聯(lián)邦通信委員會2002年在美國的決定，使得UWB電子設備可以在微

3、波測距領域的無證運行。由于數(shù)碼和模擬電路上的發(fā)展使得UWB信號的生成和處理成為可能且價格合理新應用技術的發(fā)展需要UWB信號所提供的獨特特征，極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，精確測距和定位，隱藏高數(shù)據(jù)速率通信基于這些應用技術在UWB技術不斷發(fā)展，產生了5000多篇關于這個主題的研究論文，同時形成了一些新的通信標準。與其他人通信系統(tǒng)一樣，UWB通信的極值是由系統(tǒng)所運行的傳輸信道決定的。更甚，可以說任何一個實用化的系統(tǒng)的性能都是由信道所決定的，其設計，測試，以及精密的鏈接都是基于我們對傳輸信道的理解。然而，以下三個問題對于UWB信道的研究者經常會被問到：對于傳輸信道我們?yōu)槭裁床荒苁褂矛F(xiàn)有的見解和模型呢？畢竟，在

4、無線傳輸領域已有數(shù)千篇論文發(fā)表。此問題的答案的關鍵在于UWB傳輸信道的表現(xiàn)形式從根本上是不同于傳統(tǒng)的信道。這些不同點在于UWB傳輸信道擁有很大的絕對和相對寬帶。為什么UWB傳輸信道不同于傳統(tǒng)的信道呢？畢竟，信道并不依賴與系統(tǒng)的運行。此問題的第一個答案是：原則上，它是正確的?？墒?，傳輸?shù)难芯渴且婚T相關性的藝術。無線電的傳輸是一個極其復雜的過程，并且它幾乎是不可能被發(fā)現(xiàn)的，無論在實踐上還是理論上都不能用通用的描述和模型表現(xiàn)出來。恰恰這個模型是集中于相應的具體系統(tǒng)的效果上。例如，UWB信道的脈沖響應能夠被稀疏。這個效應是信道道的一個基本性能，與空間散射對象的位置有關。然而，在窄頻帶他就被忽視，系統(tǒng)里

5、的帶通濾波器會弄臟信號。所以脈沖響應的稀疏是不與系統(tǒng)相應的。另一方面，在UWB里，濾波器是很寬的，因此，這個效應仍然保留了有關的信號處理。為什么我們這么麻煩呢？只要建立一個系統(tǒng)去試驗就OK了。這在任何情況下都比基于模型去測量，建模傳輸信道和模擬系統(tǒng)性能更加精確。（1）重新設計一個恒量場的循環(huán)是一個極其昂貴的建立通信系統(tǒng)的方法。尤其是對于標準化的系統(tǒng)，這樣的方法是絕對不可能的。即使，當測試結果顯示在一個給定的環(huán)境下系統(tǒng)不能良好的運行，這也不能馬上解釋為什么會發(fā)生這個問題。另外，對信道和它與系統(tǒng)的相互作用有詳細理解才能吧見解轉化為可能的解決對策。本文的一個關鍵之處在于指出了信道特征和系統(tǒng)設計之間的

6、相互作用的關系，并且把傳播工作和其他研究領域聯(lián)系到了一起。對于UWB傳播信道的研究已經有很多年了。20世紀初以來，對于短電磁脈沖與標準對象的理論研究已初見成效。然而，這種理論研究直到本世紀才應用到典型的無線場景模擬中。甚者，UWB傳播信道的測量工作在20世紀90年代末才完成，首篇關于UWB傳播信道模型的研究論文在2001年才發(fā)表。盡管在近10年，人類做了大量的研究，但是關于已建立的模型參數(shù)化的測量基礎仍然有一點模糊。論文的剩余部分安排如下:第二部分涵蓋了UWB信道的一些傳播現(xiàn)象。第三部分描述了如何測量UWB信道。第四五部分分別闡述了大范圍的UWB信道特征和小范圍UWB信道特征。關于確定性信道預

7、測和統(tǒng)計性信道模型的綜述。II 基本的UWB傳播A 多徑傳播在無線電傳播里一個基本的傳播機制是多徑傳播。事實上，信號可以從TX到RX之間傳播通過不同的路徑和交互作用。為了更好地理解這個現(xiàn)象，要描述這個通過天線從電磁場發(fā)射出來的UWB信號，它可以發(fā)射道不同的方向（在傳統(tǒng)的傳播里，UWB信號是一些窄頻的均勻平面波，但是也有可能是其他結構）。在空間里傳播的UWB信號可能發(fā)生反射，或者折射，當遇到物體時也可能發(fā)生散射，如圖1。每一種交互流程都能改變它的方向，并且有些作用（像折射）可能把UWB信號分裂成許多新的信號。UWB信號會有不同的路徑。例如，它在到達RX接受天線時，與某個物體發(fā)生相互作用，就會又產

8、生不同的路徑，因此稱為多徑分量（MPC）。根據(jù) MPC 采用的路徑，它出現(xiàn)某些延遲 ，衰減和色散。在傳統(tǒng)的傳播研究中，人類認為它與外部環(huán)境發(fā)生作用只改變他的方向，因此，到達接收機的信號是衰減和延遲路徑傳輸?shù)目偤托盘?，信道的脈沖響應 h(t)如下式、 (1)和分別是第n條路徑時刻t的信道增益和信道時延。當TX、 RX、 和相互作用的對象可以移動，(1)中的參數(shù)為時間變量，值得注意的是，它可以被解釋在兩個方面：i）一個純粹的數(shù)學方法，在這里我們讓N趨于無窮（每一波的權力變得無限小的），從而使信道沖激響應可以代表信道任意功能; ii）在一個物理方式，這個公式代表的只有有限數(shù)量的平面波，每一波對應的來

9、自其他對象的反射波。在這種情況下，僅僅是一個近似描述，而忽略漫散射，部分衍射等的帶來的影響。方程（1）也有可能會忽視另一些對UWB信道很重要的效應。在MPCS和對象之間的所有交互作用都有頻率相依性的，例如，如果鋼化玻璃的反射系數(shù)從0.9到0.65之間變化，而頻率也會在7.5到10.5GHZ之間變化。因此，單個的多路徑分量的沖激響應是不是一個Dirac函數(shù)，而是一個失真的脈沖，它的失真取決于多路徑分量方從發(fā)射器到接收器之間產生的的相互作用， 因此，信道的沖激響應公式如下： (2) 其中表示卷積討論到目前為止，只有討論傳播信道，但忽略了系統(tǒng)操作的特征，為了進一步討論，我們必須記住每一個系統(tǒng)包括UW

10、B，他都有一個有線寬帶B。因為，脈沖響應(1)和（2）與系統(tǒng)濾波器的脈沖響應是卷積。一個簡單而直觀的圖像把時間軸分割成長度為1/B的可分割延遲Bins。所有的脈沖匯集到一個bin時，不能被分割，因此就形成了疊加。匯集到同一個延遲bin的多徑分量相互作用會導致小范圍的衰減。換句話說，MPCS疊加為construction way，還是destructive way 依賴于MPCS的相對運行時間。短距離移動的TX 或RX可以把destructive 轉化為construction add-up，反之亦然。如果大量同樣強的信號聚集到一個bin上，中央極限定律將變?yōu)榭尚械?，符合振幅的概率密度函?shù)將會變

11、成復雜的高斯函數(shù)。這樣反復運轉將意味著，絕對振幅的概率密度函數(shù)將服從瑞利分布，并且接收功率的概率密度函數(shù)將變成單向指數(shù)。圖2：大約50 ns的延遲的多徑分量信號的振幅累積分布函數(shù)室外場景（加油站）實線：累積概率分布函數(shù)。虛線線：萊斯適合。虛線：瑞利適合。下面是我們制作的關于UWB-ABS和UWB-REL的區(qū)別的圖示。假設一個系統(tǒng)的頻寬范圍是fcB/2 到fc+B/2，B是絕對頻寬，B/fc是相對頻寬，fc是載波頻率。UWB-ABS系統(tǒng)是指B500MHZ的系統(tǒng)，UWB-REL系統(tǒng)指的是B/fc20%的系統(tǒng)，但同時也許記住，一個系統(tǒng)也可能是UWB-ABS和UWB-REL的共存體。圖3 是UWB-A

12、BS和UWB-REL系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄頻寬系統(tǒng)關于信號脈沖響應，系統(tǒng)濾波器響應和復合脈沖響應這三種響應的對比圖，同樣也顯示了脈沖效應的傅里葉轉換。因此，作為系統(tǒng)帶寬的增加，下面情況下可以區(qū)分如圖3窄帶系統(tǒng)：這些系統(tǒng)有這樣的窄的帶寬，所有的多徑分量落入單一的解析的延遲bin。換句話說，最大過量的延遲<1/ B;請參閱圖3底部寬帶系統(tǒng)：帶寬是足夠大的，一些延遲段包含多個多徑分量，導致每個單獨的段產生衰減。平均小規(guī)模以上的脈沖響應的幅值的平方衰落給出的功率延遲分布（PDP）。 最常見的模型為PDP為一單指數(shù)衰減（參見文獻 18 ，CH 7）的沖激響應時，如（1）所述。UWB- ABS：當系統(tǒng)絕對帶

13、寬變得非常大，新現(xiàn)象發(fā)生。i）多徑分量落入每個的延遲段的數(shù)量減少，因此衰落統(tǒng)計數(shù)據(jù)不一定是瑞利分布了。圖2示出一個例子，100 MHz和7.5 GHz的帶寬信號的一組反射衰落統(tǒng)計。ii)每一個可分辨延時包含了多徑分量，因此，延遲段包含多徑分量的穿插空延遲段。由此產生的PDP被稱為“稀疏”。 這些現(xiàn)象的發(fā)生所需的帶寬取決于對環(huán)境與需要不重合于500 MHz的帶寬，形成了“官方的”在很寬的頻帶和超寬的邊界帶系統(tǒng)。UWBABS信道的脈沖響應大約是所描述的（1）。UWB- REL：在這些系統(tǒng)中脈沖失真的持續(xù)時間（支持）變得比寬帶WB要大。因此，脈沖失真變得明顯，必須考慮到信道累積描述;換句話說， （2

14、）可以使用。圖3示出的上半部分中，每個單獨的脈沖的脈沖響應是扭曲的，并由系統(tǒng)過濾器過濾沒有不會改變這個顯著的事實。當考慮到傳遞函數(shù)，我們還發(fā)現(xiàn)， UWB -REL系統(tǒng)表現(xiàn)出頻率依賴于大尺度衰落和路徑增益。這種現(xiàn)象可以被事實解釋即頻率成分顯著不同的頻率表現(xiàn)不同的環(huán)境中，一個對象的影響取決于以波長為單位的變量大小。例如，一個信號在100 MHz的范圍內可以很容易圍繞汽車衍射，而信號分量在5 GHz范圍內衍射被阻止。路徑增益的頻率依賴性的結果就是廣義平穩(wěn)非相關散射（ WSSUS ）模型不適用; WSSUS要求的衰落統(tǒng)計（包括的平均功率）是獨立的絕對頻率。另一個在UWB -REL系統(tǒng)中一個有趣的效果，

15、多徑分量的延遲改變了超過1/B，就像TX或RX移動在好幾個波長范圍，這是該區(qū)域從該小尺度衰落的統(tǒng)計資料中提取的。因此，信道統(tǒng)計不必固定在這個地區(qū)的另一原因是WSSUS假設的故障。B 路徑增益和大范圍衰減（large-scale fading）在無線電傳播里，另外兩個傳播現(xiàn)象就是路徑增益和大范圍衰減。所謂的大尺度衰落指的是,TX（RX）在大于10距離范圍里移動時所發(fā)出的一個MPC的強度。large-scale fading變分是由于障礙物使得MPC減弱而引起的，Sarge-scale fading變分是由于不同的MPCS的相互作用而引起的。這個陰影的效應是區(qū)域內接收電平顯示的隨機變分。對于窄波頻

16、寬的測量顯示，接收功率光電傳輸方程接近于對數(shù)的正態(tài)分布。最近測量數(shù)據(jù)顯示，UWB信道的接收功率光電傳輸方程同樣接近于對數(shù)的正態(tài)分布。 路徑增益描述的是接收功率和發(fā)射功率的比值。本文我們討論路徑增益。因為一個Gain真好用接收功率與發(fā)射功率的一個比值來定義。因為接收功率不可能大于發(fā)射功率，所以一個增益是小于一個單位1。我們也注意到，它是共同的寫入的接收功率的路徑增益對數(shù)刻度上，用分貝（dB） ：Gpr=10 logeGpr。然而，我們強調的是平均衰落的接收功率超過上必須做線性度（而不是在分貝） 。 圖4示出小尺度衰落大尺度衰落和路徑增益之間的區(qū)別。路徑增益，以及發(fā)送功率和允許的最低接收功率（依賴

17、于實際的系統(tǒng)設計） ，在很大程度上決定一個系統(tǒng)的覆蓋范圍，即， TX之間的距離和RX通信令人滿意。然而，一個額外的安全邊緣是很有必要的，因為即使之間的距離TX和RX是常數(shù)。衰落的接收信號質量與位置有很大的關系?，F(xiàn)在，假設一個RX需要一個令人滿意的接收功率，然后，在衰落環(huán)境下，平均接收功率為Pt + mf，衰落余量是實際接收的選擇功率大于Pth的一定范圍（通常95）的所有位置。顯然，由于衰減,較強的信號變化, 有必要有較大的衰落余量。在UWB系統(tǒng)，衰落余量通常是非常?。旱谝?，衰落在每個解析的延遲段比在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中是不太明顯的。其次，更大數(shù)量的多徑分量提供了高度的多樣性的概率，所有這些多路徑分量的

18、同時衰落是非常小的。圖4：接收功率的變化：路徑損耗，大尺度衰落和小尺度衰落。C.UWB通信系統(tǒng)（UWB communication system）在下面的章節(jié)中，我們將廣泛討論UWB信道對UWB系統(tǒng)的影響。因此，我們給本節(jié)中的一個非常簡短的總結UWB傳輸技術和相關聯(lián)的收發(fā)器。我們可以區(qū)分兩大類傳輸系統(tǒng)：時域（包括跳時沖動無線電和直接序列CDMA）和頻域技術（包括正交頻分復用（OFDM），多頻帶的技術，和頻率跳頻 ）。隨著頻率調節(jié)器的任務，此單元（以及本文的其余部分）只涉及與基于載波（也被稱為通帶）系統(tǒng)的純基帶系統(tǒng)所建議的，例如，在1 - 3中不被處理。傳輸?shù)臅r域技術中每個代表符號由一個或多個非

19、常短的脈沖組成，每個脈沖占據(jù)整個分配給系統(tǒng)的帶寬。最簡單的時間域系統(tǒng)是一個每個脈沖代表一個數(shù)據(jù)符號。脈沖的持續(xù)時間確定系統(tǒng)間距時的帶寬，這種脈沖之間有確定的數(shù)據(jù)速率。這種系統(tǒng)足以點出一些對系統(tǒng)設計 UWB 信道的關鍵因素。這類接收機傳輸方案基于 Rake 接收機 ，即每一分路匹配濾波相關器 ；每個相關器是負責接收脈沖每一個多徑分量。在一個單一的脈沖發(fā)射器的情況下，每個相關器只是“門”，其MPC到達，脈沖持續(xù)時間后“大門關”，因此， 從波相關器的輸出可使用建設性加起來的相位調整方式。時域信道特性極大地影響多路徑分量的可分辨的數(shù)目，那些多路徑分量是什么時候到達的并不重要。一種Rake接收機需要為每

20、一個希望接收到的MPC提供相關器，因此在大量的多路徑分量的情況下，接收器需要一個大的相關器的數(shù)目（這增加了成本和能源消耗），或忽略了一些到達的MPCs的，從而降低了總有用接收功率。在頻域技術中可用帶寬B被分為若干窄的頻帶，符號被發(fā)送在無論是在平行或連續(xù)在不同的頻帶上。最流行的技術是正交頻分復用，子頻帶被隔開且非常緊密聯(lián)系在一起。OFDM系統(tǒng)只要該延遲是小于保護間隔，通常有一個邊緣多徑分量作用是補償延遲的時間間隔。出于這個原因，時延擴展或延遲窗口（多少能量到達多少延遲）是最重要的的參數(shù);解析MPCs數(shù)目起著代表系統(tǒng)性能次要的作用。III .信道測量A.時域測量與頻域測量的特點B.校準和天線問題c

21、.定向測量和參數(shù)提取IV .大尺度特征A.距離依賴的路徑增益B.路徑增益的頻率依賴性V.小規(guī)模特性A.衰減B延遲色散C.角色散和偏振多天線UWB系統(tǒng)需要分析描述和測量角度分散UWB傳播信道，這是公知的。從輸入多輸出的文獻，天線在TX和RX陣列到最高容量都與天線單元的信號相關。這個在UWB的空間相關性的測量數(shù)據(jù)中已報道報道。在一般情況下，在論文中表明相關系數(shù)在0.5以下為3和8厘米的天線之間的間距。對于更詳細的視圖，特別是對于信息論考慮和OFDM系統(tǒng)的分析，有趣的是，考慮相關行為在頻域中即定義一個頻率相關相關性，是有效的頻帶寬度，圍繞的頻率f的相關性。一方面取決于信號的角度擴展（較大的角度擴散，

22、較低的相關性）和另一方面上元件的間距單位在所考慮的頻率f的波長（較大的間距，較低的相關性）。因此，在UWB-REL系統(tǒng)的有效元件間距增大隨著頻率的增加。在同一時間，最近的測量表示的角擴展隨著中心頻率的減少?？梢允墙忉尩氖?，一些多用途儲值卡，尤其是那些涉及衍射，弱（LOS）在較高的頻率。同時也觀察到的相關系數(shù)減少帶寬。測量值的角度價差，平均超過所有頻率（或來自時域測量）和各種辦公室和住宅環(huán)境。典型的角價差30-40的順序。其他調查也探討了如何的脈沖響應變化時，TX和RX使用定向天線。值得注意的是，角擴展增加的延遲。多天線系統(tǒng)可以利用天線元件，不僅具有不同的空間位置上，但也與不同的偏振。因為不同偏

23、振衰落是約不相關的。容量增益這樣的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)與強烈地依賴于的信道的交叉極化鑒別。表示兩個正交偏振的相關系數(shù)G0.1，但平均電功率合作和交叉偏振分量不同一些5分貝。給出了更詳細的極化模型。極化概念，是特別復雜，UWB信道因為交叉極化的兩個信道和天線可以是頻率相關的。D.時空變化有兩個可能的時間方差來源：TX或RX（或兩者）和或運動的運動環(huán)境中的對象。如果只對TX / RX移動，然后隨時間的變化相關的角功率分布MPCs和天線圖案的。如果是多用途儲值卡的方向，我們可以很容易地計算TX / RX的移動的效果。每個MPC經歷之間的角度確定的相移MPC和TX / RX的移動的方向。會有更有趣的情況發(fā)生

24、，對象是通過（準）LOS方向移動，從而遮蔽關閉最顯著的功率貢獻。這導致一個隨時間變化的衰減;注意，衰減可以是由人體10 dB或更多雖。因為多用途儲值卡提供可供選擇的從TX到RX的能量的方法，所以多徑傳播的效果降低總接收功率。E.特殊環(huán)境 上面所討論的信道是用于個人區(qū)域網(wǎng)路（PAN）。在通信之間發(fā)生裝置，通常是在約1-30米的距離。UWB是很有前途的身體區(qū)域網(wǎng)絡（禁令），位于用戶身體上的裝置所談論彼此。這樣的安排是特別有前途醫(yī)療應用。大量的測量活動參數(shù)配件堡等，導致以下重要的見解。 1、對數(shù)正態(tài)分布是最合適的描述小尺度衰落（變化的在不同的位置內的接 收功率平穩(wěn)的地區(qū)）禁止。 2、之間的強相關性的

25、衰落相鄰延遲箱存在。 3、由于運動的懷抱其中人的設備被安裝，按對數(shù)正態(tài)分布或M分布是一 個合適的描述為小規(guī)模褪色。 4、多用途儲值卡的傳播通過地面反射墻壁上傳播的多用途儲值卡反射之間 的傳播是很重要的正面和背面的軀干上的天線，并導致延遲到一個顯著增加蔓延開來。BAN渠道的進一步調查中可以找到 如果使用小天線，該天線被集成在電路板，無線UWB鏈路可以取代目前用電纜連接，從而簡化了自動化一卡的安裝和集成到電腦中。脈沖響應致密，結果取決于很少在內部的電腦外殼的位置的TX和RX。有趣的是另一種特殊情況，UWB汽車內傳播和船舶的。反射之間的傳播是很重要的正面和背面的軀干上的天線。VI射線追蹤和統(tǒng)計信道模

26、型A.光線追蹤 對于系統(tǒng)部署，在一個特定的位置，它往往是必要知道通道的行為。這樣的位點特異性無論是測量信道的描述需要在該位置，或麥克斯韋方程（或溶液根據(jù)特定的邊界）的近似的位置的條件。射線追蹤或射線發(fā)射，使用高頻近似麥克斯韋方程網(wǎng)站專用通道，是行之有效的工具在蜂窩網(wǎng)絡中的上下文建模。換句話說，出射光線追蹤（相當于均勻平面波）從發(fā)射機和計算的相互作用這些射線與環(huán)境。通常，窄帶光線追蹤假定每個互動導致的衰減，以及作為一個變化的方向的射線（例如，當它被反射在墻壁上）的路徑的射線也決定了它的運行，因此它有會延遲的特點（延遲，運行方向），所有的光線都決定的脈沖響應。由于傳播路徑的頻率選擇性的跟蹤進程，UWB-REL渠道帶來了更多的挑戰(zhàn)射線（反射，衍射，等）。一種可能的解決方案，執(zhí)行傳統(tǒng)的射線追蹤在不同的頻率然后結合的結果。另一種方法計算出失真的功能，(t)在不同的光線（這取決于它們去的通過的相互作用過