基于UWB的室內(nèi)信道模型畢業(yè)論文

摘要

超寬帶（UWB：Ultra-Wideband）脈沖無線傳輸技術(shù)是國際上最近二、三十年正在蓬勃興起的一種無線通信的革命性傳輸技術(shù)。UWB技術(shù)具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗多徑干擾能力強(qiáng)、功耗和成本低等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為無線通信領(lǐng)域研究開發(fā)的一個熱點(diǎn)，并被視為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。為保證UWB信號在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，必須要求我們?zhǔn)確掌握其信道特性，本文正是在此認(rèn)識上完成UWB室內(nèi)信道模型的研究和MATLAB仿真分析。

本主要對UWB室內(nèi)信道模型進(jìn)行了探討和仿真研究。文中首先簡要介紹了超寬帶的基本概念及特點(diǎn)，并對UWB信道的基本理論做了簡要的介紹。在信道基本理論的介紹中重點(diǎn)介紹了時域測量技術(shù)及建模過程中的后期數(shù)據(jù)處理方法—CLEAN算法，以便于信道建模的仿真分析。針對UWB室內(nèi)信道的特點(diǎn)，分析了現(xiàn)有的各種UWB室內(nèi)信道模型，并且對IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了MATLAB仿真分析，并且與南加州大學(xué)UWB實驗室實際信道測量得出的信道指標(biāo)進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明S-V模型和IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)模型能夠較好的擬合室內(nèi)NLOS信道環(huán)境，但對室內(nèi)LOS信道環(huán)境的性能尚顯不足。而室內(nèi)LOS半確定模型（雙簇模型）在LOS環(huán)境下能夠很好的擬合實驗數(shù)據(jù)。

最后對本文所做的工作和結(jié)論進(jìn)行了匯總，指出不足之處及改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞超寬帶UWB信道模型S-V模型MATLAB

ABSTRACT

TheUltraWidebandtechnologyisonekindofrevolutionarywirelesscommunicationtechnologyemergedinrecently20or30yearsintheworld.Fortheadvantageofhightransmissionspeed,limitpowerwastageandlowcost,UWBtechnologyhasbecameahotspotgraduallyinwirelesscommunicationresearchandwasconsideredakeytechnologyofnextwirelesscommunicationgeneration.Inordertoinsurethevalidityandthereliabilityofthesignalstransmittedinthecomplexindoorenvironment,theaccuratecharacteristicofUWBindoorchannelshouldbemastered.Thisarticleisin

thisunderstanding

tocompletethe

UWB

indoorchannel

model

andtheMATLAB

simulation.

The

principal

ofthe

UWB

indoorchannel

modelis

discussedand

simulation.

Thepaper

firstbrieflyintroduces

thebasicconcepts

ofUWB

andcharacteristics,andgivesabrief

introduction

forthebasictheoryof

UWB

channel.

Thebasictheoryof

thechannel

focuseson

theintroduction

of

time-domain

measurement

andmodeling

intheprocessof

postdataprocessingmethod-CLEAN

algorithmfor

modelingandsimulationanalysis

inthe

channel.

Forthe

UWB

indoorchannel

characteristics

ofvariousexisting

UWB

indoorchannel

modeland

themodel

for

the

IEEE802.15.3astandard

MATLAB

simulationanalysis,and

theUniversity

ofSouthernCaliforniaLaboratoryof

theactual

UWB

channelmeasurement

indicators

derivedfrom

thechannel

comparison,

simulationresults

showthatthe

S-V

modelandthe

IEEE802.15.3a

standard

modelcan

fit

theindoor

NLOS

channelenvironment,

but

ontheindoor

LOS

channelenvironment

ofinsufficientperformance.

LOS

half

todetermine

theindoor

model(two-clustermodel)inthe

LOSenvironment,agood

fit

to

experimental

data.

Finally,thepaper

workand

thisarticle

summarizes

conclusions,pointingoutdeficienciesand

improvement.

KeywordsUltraWidebandUWB

ChannelmodelS-V

modelMATLAB

目錄

TOC\o"1-2"\h\z\u

目錄

I

第一章緒論

1

1.1超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)概述

1

1.2UWB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與主要應(yīng)用

2

1.3UWB信道與傳統(tǒng)信道的比較

3

1.4UWB信道模型的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

4

1.5本章小結(jié)

5

第二章ＵＷＢ信道的基本理論

6

2.1UWB信號的傳播特性

6

2.2信道測量技術(shù)

7

2.3后期數(shù)據(jù)處理方法——Clean算法

9

2.4Clean算法門限選擇

12

2.5本章小結(jié)

13

第三章超寬帶室內(nèi)信道模型

14

3.1簡單的泊松模型

14

3.2修正的泊松模型

14

3.3模型

15

3.4修正的模型

17

3.5本章小結(jié)

18

第四章超寬帶室內(nèi)多徑傳播參考模型

19

4.1UWB多徑傳播模型

19

4.2S-V模型

19

4.3修正的S-V模型

22

4.4本章小結(jié)

31

第五章超寬帶室內(nèi)視距環(huán)境多徑傳播模型

32

5.1超寬帶室內(nèi)視距環(huán)境多徑傳播模型

32

5.2室內(nèi)LOS半確定多徑模型

33

5.3本章小結(jié)

35

第六章總結(jié)與展望

37

6.1結(jié)論

37

6.2展望

37

參考文獻(xiàn)

38

第一章緒論

近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，各種無線通信系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，使可利用的頻譜資源日趨飽和。然而，人們對無線通信系統(tǒng)的要求仍在不斷提高，希望其提供的數(shù)據(jù)傳輸速率更高、成本更低、功耗更小。在這樣的背景下，超寬帶（UWB，UltraWideband）技術(shù)引起了人們的重視，已逐漸成為無線通信領(lǐng)域研究、開發(fā)的一個熱點(diǎn)，并被視為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于UWB技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)，UWB技術(shù)通信系統(tǒng)獲得了業(yè)界、媒體與學(xué)術(shù)界的極大重視，使其成為無線個人局域網(wǎng)絡(luò)WPAN（WirelessPersonalAreaNetwork）的主要技術(shù)之一。

1.1超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)概述

超寬帶（UWB，UltraWideband）技術(shù)最早可以追溯到100年前波波夫和馬克尼發(fā)明的越洋無線電報的時代。現(xiàn)代意義上的超寬帶無線電，又稱為沖激無線電（ImpulseRadio，IR）技術(shù)，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代。超寬帶技術(shù)出現(xiàn)之后的應(yīng)用長期僅限于軍事、災(zāi)害救援搜索、雷達(dá)定位及測距等領(lǐng)域。由于超寬帶系統(tǒng)能夠與其他窄帶系統(tǒng)共享頻帶，從80年代開始，隨著頻帶資源的緊張以及對于高速通信的需求，超寬帶技術(shù)開始應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。超寬帶技術(shù)在歷史上還有一些其他的名稱，如沖擊雷達(dá)（ImpulseRadar）、基帶脈沖、無載波技術(shù)等，這是因為在早期超寬帶信號通常是不用正弦載波調(diào)制的窄脈沖，上述名稱反映了當(dāng)時超寬帶信號的這個典型特點(diǎn)。

2002年，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）發(fā)布了超寬帶無線通信的初步規(guī)范，正式解除了超寬帶技術(shù)在民用領(lǐng)域的限制。這是超寬帶技術(shù)真正走向商業(yè)化的一個里程碑，也極大地激發(fā)了相關(guān)學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

FCC對于超寬帶信號的定義為任何相對帶寬（信號帶寬與中心頻率之比）大于20%或絕對帶寬大于500MHz，并滿足FCC功率譜密度限制要求的信號。這里中心頻率和相對帶寬表達(dá)式如下：

（1.1）

（1.2）

式中，

QUOTE

為能量功率譜密度的上限頻率，GHz；

QUOTE

為能量功率譜密度的下限頻率，GHz。

這些特性讓UWB系統(tǒng)明顯不同于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶無線電系統(tǒng)以往的無線電系統(tǒng)的相對帶寬不會超過1%或帶寬小于20MHz，例如2.4GHz的IEEE802.11無線局域網(wǎng)絡(luò)等。

1.2UWB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與主要應(yīng)用

UWB信號由于帶寬很寬和信號的持續(xù)時間為ns量級等特點(diǎn)，所以和其他通信技術(shù)相比較，UWB技術(shù)有很多的優(yōu)點(diǎn)。具體如下：

潛在的支持高數(shù)據(jù)速率或系統(tǒng)容量的能力

定位精度高，探測能力強(qiáng)

共享頻譜資源

穿透能力強(qiáng)

低截獲、抗干擾、保密性好

低成本、低功耗

表1-1列出UWB技術(shù)與其它無線局域網(wǎng)技術(shù)的比較。從圖中可以看出，現(xiàn)有的無線技術(shù)——802.11b和藍(lán)牙——大部分可以實現(xiàn)UWB的功能，只是在速度上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到UWB的傳輸速度。

表1-1UWB技術(shù)與其他通信技術(shù)的比較

傳輸速率（Mbit/s）

功耗

（mW）

傳輸距離

（m）

頻段

（GHz）

藍(lán)牙

1

1-100

100

2.402-2.48

IEEE.802.11b

11

200

100

2.4

IEEE.802.11a

54

40-800

20

5

IEEE.802.11g

54

65

50

2.4

UWB

480

1

10

3.1-10.6

UWB技術(shù)的主要應(yīng)用如下：

（1）短距離（10m以內(nèi)）高速無線多媒體智能局域網(wǎng)和個域網(wǎng)。UWB過去的應(yīng)用主要是在軍事領(lǐng)域，近些年來，隨著技術(shù)的開放，UWB應(yīng)用遍及個人電腦，消費(fèi)電子產(chǎn)品以及移動通信領(lǐng)域，可以將家庭，辦公室，或者汽車中的電子設(shè)備連接起來，使得設(shè)備之間的互通更便捷。在家辦公室中，各種計算機(jī)、外設(shè)和數(shù)字多媒體設(shè)備根據(jù)需要，利用UWB技術(shù)，在小范圍內(nèi)動態(tài)地組成分布式自組織（AdHoc）網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同工作，連接，傳送高速多媒體數(shù)據(jù)，并可通過寬帶網(wǎng)關(guān)，接入高速互聯(lián)網(wǎng)或其帶網(wǎng)絡(luò)。這一領(lǐng)域?qū)⑷诤嫌嬎銠C(jī)、通信和消費(fèi)娛樂業(yè)，被視為具有超過電話的最大市場發(fā)展?jié)摿ΑＨ缦聢D1-1所示的無線連接的桌面設(shè)備。

圖1-1無線連接的桌面設(shè)備

（2）智能交通系統(tǒng)。UWB系統(tǒng)同時具有無線通信和定位的功能，可以應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中，為車輛防撞、電子牌照、電子駕照、智能收費(fèi)、智能網(wǎng)絡(luò)、測速、監(jiān)視等提供高性能、低成本的解決方案。

（3）軍事、公安、消防、醫(yī)療、救援、測量、勘探和科研等領(lǐng)域。用做安全通信、救援應(yīng)急通信、精確測距和定位、透地探測雷達(dá)、穿墻成像、和入侵檢測、醫(yī)用成像、貯藏罐內(nèi)容探測等。

（4）傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能環(huán)境。這種環(huán)境包括生活環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境、辦公環(huán)境等，主要用于對各種對象（人和物）進(jìn)行檢測、識別、控制和通信。

1.3UWB信道與傳統(tǒng)信道的比較

傳統(tǒng)的窄帶和寬帶帶寬小于20MHz，它的小尺度衰落分布服從Rayleigh分布或Rician分布。在UWB系統(tǒng)中，UWB信號的傳播具有獨(dú)特的特征：傳輸?shù)男盘柕膸捴辽僖笥?00MHz，系統(tǒng)具有很高的多徑分辨率，多徑的數(shù)目則相對減少。下表1-2中列出了典型的超寬帶信道與傳統(tǒng)窄帶信道參數(shù)的比較結(jié)果。

根據(jù)文獻(xiàn)報道的若干信道測量結(jié)果，表1-2列出了UWB信道的主要特征參數(shù)并與傳統(tǒng)窄帶信道進(jìn)行了比較。由表1-2可見，UWB信道的均方根時延擴(kuò)展遠(yuǎn)小于窄帶信道；由于UWB信號多徑分辨率極高，多徑信號衰落分布不再服從Rayleigh分布，而演化為Nakagami、對數(shù)正態(tài)等分布；信號衰落范圍只有5dB左右，遠(yuǎn)小于窄帶信道；陰影衰落比窄帶信道明顯改善。這充分反映了UWB信號的抗衰落特征。

表1-2典型UWB信道與傳統(tǒng)窄帶信道參數(shù)比較

信道參數(shù)

傳播環(huán)境

UWB信道

窄帶信道

均方根時延擴(kuò)展（ns）

LOS

4-12

10-100

均方根時延擴(kuò)展（ns）

NLOS

8-19

<200

衰落分布

LOS

Nakagami、對數(shù)正態(tài)等分布

Rice

衰落分布

NLOS

Nakagami、對數(shù)正態(tài)等分布

Rayleigh

路徑損耗指數(shù)（dB）

LOS

1.5-2

1-3

路徑損耗指數(shù)（dB）

NLOS

2.4-4

2.1-6

陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差（dB）

LOS

1.1-2.1

6-12

陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差（dB）

NLOS

2-5.9

6-12

衰落范圍（dB）

5

25

1.4UWB信道模型的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代中期開始，美國南加州大學(xué)的M.Z.Win、R.A.Scholtz等人率先開始研究UWB脈沖在典型室內(nèi)環(huán)境中的傳播特征。2001年，D.Cassioli、M.Z.Win等人首先提出了一種基于時域窄脈沖測量方法得到的統(tǒng)計抽頭延時線模型（STDL），其時間分辨率為2ns，反映典型室內(nèi)環(huán)境1GHz頻段的信道傳播特征，多徑衰落服從納卡伽米（Nakagami）分布。UWB技術(shù)向民用領(lǐng)域的開放極大地促進(jìn)了UWB信道測量和建模工作的開展，測量頻率范圍延伸至11GHz甚至更高，測試環(huán)境涵蓋了家庭、辦公室、實驗室、工廠等。根據(jù)測試結(jié)果，先后提出了頻域自回歸(AR)模型、

QUOTE

模型和修正的Saleh-Valenzuela（S-V）模型等一系列反映UWB特征的多徑信道模型。Intel公司的JeffFoerster等人根據(jù)2~8GHz頻段測試數(shù)據(jù)提出的修正S-V模型是最具代表性的UWB信道模型，其時間分辨率為0.167ns，多徑衰落分布服從對數(shù)正態(tài)（Log-Normal）分布。該模型被IEEE確定為IEEE802.15.3a的標(biāo)準(zhǔn)信道。但同時IEEE也提出了S-V模型是一個參考模型，它還不能代表所有的信道環(huán)境，因此還需要對UWB信道模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究。為改進(jìn)現(xiàn)有超寬帶信道模型中存在的上述問題，在美國南加州大學(xué)室內(nèi)時域?qū)崪y信道數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過理論統(tǒng)計分析，對現(xiàn)有的S-V/IEEE802.15.3a模型進(jìn)行了修正，提出了相應(yīng)的LOS和NLOS環(huán)境多徑傳播模型。

我國UWB無線技術(shù)的研發(fā)尚處在起步階段，在信道測量及模型建立方面更是空白。國家自然科學(xué)基金和“863”計劃己開始支持這方面的研究和開發(fā)工作，并已取得了初步進(jìn)展。我國應(yīng)該提出有自主知識產(chǎn)權(quán)的UWB技術(shù)的理論和技術(shù)成果，以此為支撐制定自主的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，推動我國UWB產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，以便在激烈的國際市場競爭中取得應(yīng)有的地位。

1.5本章小結(jié)

本章主要對超寬帶技術(shù)的基本概念進(jìn)行了介紹，并對超寬帶技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用做了闡述，比較了超寬帶技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)以及IEEE802.11系列在傳輸速率等方面的性能，更體現(xiàn)出了超寬帶技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。其次，對UWB信道與傳統(tǒng)窄帶信道在相關(guān)信道參數(shù)方面進(jìn)行了比較，充分反映了超寬帶信號的抗衰落特性。最后介紹了UWB信道模型的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

第二章ＵＷＢ信道的基本理論

由于超寬帶信號的射頻帶寬達(dá)到GHz量級，其信號傳播特性也與窄帶或?qū)拵нB續(xù)波信號（簡稱傳統(tǒng)連續(xù)波信號）有明顯不同，表現(xiàn)為：

第一，信道的時間分辨率達(dá)到納秒量級，換算到空間域，相當(dāng)于信道可以分辨波程差為幾厘米的多徑分量。這使得多徑信號在時間軸上呈現(xiàn)所謂色散現(xiàn)象，而不會產(chǎn)生所謂的瑞利多徑衰落現(xiàn)象。

第二，超寬帶無線通信系統(tǒng)在時域極為的短暫的時間（通常是納秒級）內(nèi)將信號能量輻射出去，這使得超寬帶信號表現(xiàn)為具有較強(qiáng)的穿透障礙物傳播能力。

由于超寬帶信號傳播所具有的上述兩個特殊性質(zhì)，使得對超寬帶信道的測量、數(shù)據(jù)處理分析以及信道建模均與傳統(tǒng)方法有所不同。

2.1UWB信號的傳播特性

2.1.1超寬帶信號傳播的弱衰落性

在傳統(tǒng)基于連續(xù)波的窄帶或?qū)拵到y(tǒng)（信號帶寬通常小于20MHz）中，由于傳輸中信道的隨機(jī)調(diào)制特性，使接受多徑信號在幅度和相位上發(fā)生隨機(jī)的變化，接受端信號進(jìn)行相干疊加，這種疊加可以是建設(shè)性或破壞性的，從而導(dǎo)致信號的幅度產(chǎn)生劇烈的波動，也就是所謂的多徑衰落。

在基于脈沖的超寬帶系統(tǒng)中，由于信號帶寬通常大于500MHz，時域脈沖信號寬度在納秒級，所以通?；诿}沖的超寬帶系統(tǒng)的接受多徑信號是在時間軸上的分離排列的，即呈現(xiàn)所謂的色散現(xiàn)象。在室外傳輸環(huán)境中，多徑信號基本不會疊加；在室內(nèi)傳輸環(huán)境中，會有少量多徑信號疊加或完全不疊加。這就決定了基于脈沖的超寬帶系統(tǒng)接收信號幅度不會由于大量具有隨機(jī)幅度和相位的多徑信號疊加而產(chǎn)生劇烈的波動，即不會產(chǎn)生所謂的瑞利多徑衰落現(xiàn)象。

2.1.2超寬帶信號的強(qiáng)透射性

在現(xiàn)有常用頻段（如微波頻段），傳統(tǒng)連續(xù)波信號受障礙物遮擋，信號衰減明顯，相應(yīng)的透射信號由于強(qiáng)度較弱，常被忽略。然而，超寬帶無線通信系統(tǒng)在時域極為短暫的時間（通常是納秒量級）內(nèi)將信號輻射出去，使得超寬帶信號表現(xiàn)為具有較強(qiáng)的穿透障礙物傳播能力。

由于超寬帶信號所具有的較強(qiáng)的穿透障礙物傳播能力，使得其成為更加適合作為室內(nèi)環(huán)境下，穿透多墻壁和多障礙物，在封閉多隔斷的有限空間下實現(xiàn)高速無線通信的信號形式。

2.2信道測量技術(shù)

2.2.1概述

獲得信道沖激響應(yīng)是研究信道傳播特性的核心問題，這主要是由于：（1）信道沖激響應(yīng)包含所有信道信息，輸入信號與信道沖激響應(yīng)的卷積就是經(jīng)過信道傳輸后的接收信號；（2）由信道沖激響應(yīng)計算得出的各種統(tǒng)計量，如平均附加時延、RMS（RootMeanSquare）時延擴(kuò)展、平均多徑數(shù)目、功率延遲分布等，不但能夠更好地了解在各種不同信道下信號的傳播特性，還可以用于優(yōu)化接收機(jī)的設(shè)計；（3）在對實測信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分析和建模的基礎(chǔ)上建立的數(shù)學(xué)解析模型（即信道模型）可以對實際信道進(jìn)行模擬，通過計算機(jī)仿真或解析分析計算，可以準(zhǔn)確地預(yù)測信號經(jīng)過信道后的特性，繼而可以準(zhǔn)確分析接收機(jī)在相應(yīng)信道下的性能，提高接收機(jī)的設(shè)計效率。獲得信道沖激響應(yīng)最直接和準(zhǔn)確的途徑就是對實際信道進(jìn)行測量，因此可以說信道測量是研究信道傳輸特性的基礎(chǔ)和著眼點(diǎn)。

當(dāng)前主要的信道測量方法共有三種：

（1）時域法。測量系統(tǒng)發(fā)射端發(fā)射窄脈沖（納秒或亞納秒級），在接收端由抽樣示波器在時域?qū)邮招盘栠M(jìn)行采樣，通過一定的后期處理就可以得到信道沖激響應(yīng)。

（2）頻域法。測量系統(tǒng)通過發(fā)射點(diǎn)掃頻信號得到某一頻段上的信道的頻率響應(yīng)，經(jīng)傅里葉反變換可得到信道沖激響應(yīng)。

（3）擴(kuò)頻法。測量系統(tǒng)利用PN序列調(diào)制發(fā)射載波，接手機(jī)采用一個寬帶混頻器和一個窄帶接收機(jī)通過對PN序列的滑動相關(guān)檢測信號。室內(nèi)傳輸環(huán)境（如辦公室、住宅），多徑信號的時延通常小于幾十納秒，擴(kuò)頻法限制了測量系統(tǒng)的帶寬，在室內(nèi)環(huán)境下很難分辨具有較小時延的多徑信號，所以當(dāng)前對室內(nèi)超寬帶信道基本都采用時域法或頻域法。

2.2.2時域測量技術(shù)

（1）時域測量采用的設(shè)備

脈沖發(fā)生器、數(shù)字抽樣示波器、觸發(fā)信號發(fā)生器、超寬帶天線（通常為TEM定向天線或雙錐全向天線）、寬帶功放和寬帶低噪放等。

（2）信道時域測量過程

發(fā)射端由脈沖發(fā)生器發(fā)射窄脈沖（納秒或亞納秒級），脈沖信號經(jīng)功率發(fā)大器、發(fā)射天線后進(jìn)入信道，接收信號經(jīng)接收天線、低噪放后直接送數(shù)字抽樣示波器，并轉(zhuǎn)存到計算機(jī)中。脈沖發(fā)生器和數(shù)字抽樣示波器均由觸發(fā)信號發(fā)生器發(fā)出的信號觸發(fā)。后期處理中使用的Matlab軟件利用Clean算法對接收信號進(jìn)行去卷積，再通過對數(shù)據(jù)格式的處理就可以得到信道沖擊響應(yīng)

QUOTE

。時域測量系統(tǒng)及后期數(shù)據(jù)處理的具體過程如圖2-1所示。

圖2-1時域測量系統(tǒng)及后期數(shù)據(jù)處理過程

（3）測量過程

室內(nèi)超寬帶信道測量宜采用入下的測量過程：

固定發(fā)射天線，移動接收天線。把接收天線固定在環(huán)境中預(yù)制的待測量位置，把接收天線放置在一個可以自由移動的支架上，這樣可以方便地改變接收天線的位置。

路徑損耗特性測量。應(yīng)以發(fā)射天線為圓心，以距離間隔為1m作同心圓，將接收天線放置在同心圓周的不同位置，如圖1-2所示，通過對不同同心圓上實測數(shù)據(jù)的分析可以給出室內(nèi)信道路徑損耗特性，測量距離一般選擇在1～15m的范圍內(nèi)。

多徑傳播特性的測量。每次選擇的同心圓上接收天線位置稱為本地點(diǎn)，在一個本地點(diǎn)周圍的一個小區(qū)域內(nèi)再選擇若干測量點(diǎn)，這就構(gòu)成一個測量點(diǎn)矩陣。測量點(diǎn)矩陣的主要作用是為后期數(shù)據(jù)處理提供計算平均值（空域平均）所需的多次測量數(shù)據(jù)。

測量點(diǎn)矩陣可按圖2-2方式配置，例如每個本地點(diǎn)設(shè)置7?7個測量點(diǎn)，測量點(diǎn)間隔為15cm。測量點(diǎn)矩陣的形狀沒有特殊要求，也可以選擇圓陣，且測量點(diǎn)間隔一般要求大于測量系統(tǒng)發(fā)射信號脈沖頻譜頻率最大值或平均值對應(yīng)的自由空間信號波長。

1m

90cm

90cm

實際測量位置

接收天線位置矩陣

發(fā)射天線

15cm

圖2-2收發(fā)天線的位置配置圖

2.3后期數(shù)據(jù)處理方法——Clean算法

2.3.1概述

在時域測量的后期處理數(shù)據(jù)中，普遍應(yīng)用Clean算法。Clean算法是一種時域去卷積方法。接收信號可以看作模板脈沖與信道沖擊響應(yīng)作卷積的計算結(jié)果，Clean算法就是使用模板脈沖對接收信號進(jìn)行去卷積，然后得到信道沖激響應(yīng)。Clean算法是一個迭代過程，按照多徑幅度從高到低的次序，每次只找到一條多徑，當(dāng)多徑幅度低于某個門限值時迭代過程截止，得到多徑分布結(jié)果就是信道沖激響應(yīng)。

2.3.2后期數(shù)據(jù)處理過程

設(shè)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號波形為

QUOTE

，抽樣示波器得到的接收信號波形

QUOTE

為

QUOTE

（2.1）

其中，

QUOTE

代表卷積運(yùn)算，

QUOTE

和

QUOTE

分別是發(fā)射和接收天線的時域沖激響應(yīng)，

QUOTE

是信道沖激響應(yīng)，

QUOTE

是加性高斯白噪聲。

時域信道測量的后期數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)就是從接收信號

QUOTE

中提取信道沖激響應(yīng)

QUOTE

。根據(jù)前面的描述，時域信道測量的后期數(shù)據(jù)處理主要包括以下過程：

（1）利用Clean算法對接收信號進(jìn)行去卷積。利用模板信號與接收信號間的相關(guān)特性，提取時域?qū)崪y接收信號中的多徑分量，獲得信道沖激響應(yīng)。

（2）設(shè)置時間零點(diǎn)。確定去卷積后的信道沖激響應(yīng)的時間起點(diǎn)，并設(shè)置為時間零點(diǎn)，以確定后續(xù)到達(dá)多徑分量的到達(dá)時間。

（3）確定系統(tǒng)分辨率，并重新計算多徑增益。直接用Clean算法處理得到的信道沖激響應(yīng)中的多徑分量的時間間隔遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的實際時間分辨率，需要按照系統(tǒng)的時間分辨率分成相等的時間片（Bin）；將每個時間片內(nèi)的所有多徑幅度相加作為此時間片多徑分量增益。

2.3.3Clean算法的實現(xiàn)

Clean算法首先通過實測的方法，獲得模板信號

QUOTE

為

（2.2）

其中，

QUOTE

是模板測量中的加性高斯白噪聲。繼而通過迭代算法利用模板信號從接收信號

QUOTE

中去掉

QUOTE

、

QUOTE

和

QUOTE

的影響，計算信道沖激響應(yīng)

QUOTE

的近似值。

模板信號

QUOTE

的獲得方法是：在暗室中將收發(fā)天線對齊，在滿足遠(yuǎn)場要求的距離進(jìn)行測量，并從接收信號中直接分離出完整的最強(qiáng)脈沖信號作為模板信號

QUOTE

。模板信號的獲取與實際測量的關(guān)系如圖2-3所示。

圖2-3模板信號的截獲與實際測量的關(guān)系

南加州時域?qū)崪y數(shù)據(jù)中專門給出一組收發(fā)天線相距1m、最大輻射方向夾角為0°（即收發(fā)天線正對）的實測數(shù)據(jù)，如圖2-4所示，用做提取模板信號使用。從其中提取具有最大幅度完整的脈沖信號作為時域單模板Clean算法去卷積處理的模板信號。

圖2-4模板信號

在得到接收信號及模板脈沖后，單模Clean算法迭代步驟如下：

（1）計算模板信號

QUOTE

的自相關(guān)函數(shù)

QUOTE

QUOTE

（2-3）

（2）計算接收信號和模板脈沖的自相關(guān)函數(shù)

QUOTE

QUOTE

（2-4）

（3）尋找互相關(guān)函數(shù)

QUOTE

中的幅度極大值，取其時延

QUOTE

，用此極大值除

QUOTE

的最大值，得到幅度值

QUOTE

保存數(shù)據(jù)

QUOTE

和

QUOTE

。

（4）在

QUOTE

位置做如下運(yùn)算

（2-5）

并更新

QUOTE

；尋找

QUOTE

極大值，如此值大于門限則轉(zhuǎn)至步驟（3），如小于門限則轉(zhuǎn)至步驟（5）。

（5）得到的信道沖激響應(yīng)（2-6）所示，其中N為多徑總數(shù)。

QUOTE

（2-6）

2.4Clean算法門限選擇

由Clean算法步驟（4）可知，判斷迭代過程是否截止的唯一標(biāo)準(zhǔn)就是門限，所以門限的選擇對Clean算法性能至關(guān)重要。

門限通常分為絕對門限和相對門限兩類，絕對門限由測量系統(tǒng)噪聲決定，定義為測量系統(tǒng)噪聲以上的某個確定值;相對門限由信道沖激響應(yīng)中最大多徑增益確定，定義為相對于最大增益衰減的某個確定值。通常數(shù)據(jù)處理中均選擇相對門限作為Clean算法的截止門限。

在使用相對門限對實測數(shù)據(jù)處理中，當(dāng)逐漸降低門限值時，恢復(fù)接收信號的能量誤差逐漸變少，其他各項信道指標(biāo)統(tǒng)計量逐漸變大。如果只保證恢復(fù)接收信號能量誤差最小，則應(yīng)該將門限一直降低。然而，當(dāng)門限下降到一點(diǎn)程度時會出現(xiàn)主要多徑前20ns的區(qū)域出現(xiàn)小增益多徑信號。因此，應(yīng)用相對門限時，門限值選取除保證恢復(fù)接收信號的能量誤差小于特定值之外，還應(yīng)該保證在噪聲區(qū)無多徑分量。

經(jīng)過實驗驗證，認(rèn)為滿足如下兩個準(zhǔn)則的Clean算法門限為最優(yōu)門限：

（1）噪聲區(qū)無多徑分量；

（2）恢復(fù)接收信號的能量誤差小于30%。

2.5本章小結(jié)

本章主要介紹了UWB信道的基本理論。首先，簡單介紹了超寬帶信號的傳播特性，即超寬帶信號的傳播的弱衰落性和強(qiáng)透射性；其次，重點(diǎn)介紹了超寬帶信道的測量技術(shù)，并以時域測量技術(shù)為重點(diǎn)，介紹了時域測量的測量過程；最后系統(tǒng)的講述了時域測量案例中的后期數(shù)據(jù)處理方法-Clean算法，對Clean算法的原理及門限選擇都做了詳細(xì)的講述。為以后建立UWB信道模型及仿真做了充足的準(zhǔn)備。

第三章超寬帶室內(nèi)信道模型

為評估各種UWB通信實現(xiàn)方案的性能以及標(biāo)準(zhǔn)化工作，通常需要根據(jù)其工作環(huán)境建立一個比較精確的信道模型。大量的實驗數(shù)據(jù)表明在UWB中多徑的到達(dá)呈現(xiàn)出成簇到達(dá)的特性，UWB信道多徑模型應(yīng)該體現(xiàn)出這些新的特性，因此UWB信道的建模成為一個難點(diǎn)。經(jīng)過大量的測量，已經(jīng)建立了許多UWB信道模型，為進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計提供了重要依據(jù)。

3.1簡單的泊松模型

簡單的泊松模型是最早引入的UWB模型。假設(shè)在脈沖響應(yīng)中只有一簇多徑存在，到達(dá)的多徑看成為到達(dá)率為泊松過程，路徑是按指數(shù)衰減的，時間衰減常數(shù)為

QUOTE

，路徑的幅度服從標(biāo)準(zhǔn)方差為

QUOTE

的對數(shù)正態(tài)分布。

因此，這個模型涉及三個參數(shù)為：

1．平均路徑到達(dá)率

2．衰減指數(shù)

3．路徑幅度的標(biāo)準(zhǔn)方差

單一的泊松模型并沒有反應(yīng)出路徑成簇到達(dá)以及早期到達(dá)的路徑的能量居顯著地位的特征，但卻表達(dá)出了多徑到達(dá)的次數(shù)服從泊松分布和多徑增益服從對數(shù)正態(tài)分布的特點(diǎn)。

3.2修正的泊松模型

相對單一的泊松模型而言，修正的泊松模型能更好的表達(dá)出早期到達(dá)的多徑成分居顯著地位的UWB室內(nèi)LOS信道環(huán)境。

在LOS環(huán)境下，最先到達(dá)的多徑幅度比后到達(dá)的多徑幅度要強(qiáng)，強(qiáng)度居顯著地位的多徑數(shù)目是隨機(jī)的，且是等概率出現(xiàn)的。這些特性可從許多室內(nèi)LOS信道測量實驗分析得出。

在此模型中，居顯著地位的多徑成分到達(dá)的時間服從指數(shù)分布：

QUOTE

（3.1）

式中：

QUOTE

是居顯著地位路徑的平均到達(dá)率，是第個多徑到達(dá)時間

每個居于顯著地位的多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，多徑的幅度為：

（3.2）

式中：

QUOTE

信號隨機(jī)翻轉(zhuǎn)

（3.3）

（3.4）

設(shè)最先到達(dá)的多徑延遲

QUOTE

，它由反射引起的信號符號翻轉(zhuǎn)為正極性，即

QUOTE

，因為在LOS條件下直射的路徑可以假設(shè)為符號沒有經(jīng)過翻轉(zhuǎn)。當(dāng)時，

QUOTE

是等概率發(fā)生的。

隨后到來的比較弱的多徑成份也遵循指數(shù)分布，但是它們的平均到達(dá)率為，多徑到達(dá)時間為：

（3.5）

比較弱的多經(jīng)成份的平均能量分布服從參數(shù)為的傳統(tǒng)指數(shù)衰落分布，這一組多徑成份第一徑的平均能量WdB比居顯著地位的多徑的平均能量要弱，緊隨其后到來的多徑成份也要以其為參考。它們的多徑幅度仍然服從對數(shù)正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)方差為。

（3.6）

（3.7）

3.3模型

多徑到達(dá)的一個簡單、常用模型是泊松過程模型。這一模型將時間長度劃分為許多長度為的微小時間段，在一個時間片中的徑的數(shù)目的平均值為

QUOTE

，其中稱為這一泊松過程的到達(dá)率。則在時間片中，有個徑的概率為：

QUOTE

（3.8）

多徑成份成簇到達(dá)的現(xiàn)象是實際物理環(huán)境中散射體群集的直接結(jié)果，也是在UWB信道中觀察到的特性，而且，在信道的測試中發(fā)現(xiàn)若在某一時間間隔內(nèi)有沒有路徑到達(dá)，則下一時間間隔內(nèi)路徑到達(dá)的概率表現(xiàn)出增加或減少，因此可分辨路徑的到達(dá)時間呈非均勻分布。

在泊松模型的基礎(chǔ)上，Suzuki提出了模型，可以更好的描述多徑成簇分布的現(xiàn)象。模型作為室內(nèi)寬帶信道的模型，同Saleh-Valenzuela模型一樣也是假設(shè)UWB信道中多徑成分成簇到達(dá)。

在這個模型中，將時間軸劃分為許多長度為的微小時間段，如果在第個時間段內(nèi)有一徑到達(dá)，則第個時間段的到達(dá)率為

QUOTE

。這里表示的是路徑到達(dá)的成批性。當(dāng)時，模型成為泊松模型；當(dāng)

QUOTE

時，信道出現(xiàn)分簇的現(xiàn)象；當(dāng)

QUOTE

時，多徑的出現(xiàn)比較均勻。

QUOTE

定義為:

（3.9）

式中：是第個微小時間段的占據(jù)率

在用

QUOTE

模型擬合UWB信道的實測數(shù)據(jù)時，第個微小時間段上的沖激響應(yīng)的幅度可以用對數(shù)正態(tài)分布近似，且隨時間延遲呈指數(shù)衰減，即：

（3.10）

也就是：

QUOTE

，且多徑的能量為：

（3.11）

QUOTE

（3.12）

式中：第1徑的平均功率

第徑的時間延遲

包絡(luò)衰減因子

雖然

QUOTE

模型提供了描述UWB信道多徑按簇到達(dá)現(xiàn)象的方法，但在很多的情況下并不能很好的擬合UWB信道中的實測數(shù)據(jù)。

3.4修正的

QUOTE

模型

修正的

QUOTE

模型是在

QUOTE

模型的基礎(chǔ)上，將兩態(tài)馬爾可夫模型和修正的泊松模型相結(jié)合。這個模型有兩個狀態(tài)，狀態(tài)1的平均的到達(dá)率為

QUOTE

，狀態(tài)2的平均路徑到達(dá)率為。如果第個微小時間段內(nèi)處于狀態(tài)1，且第

QUOTE

個微小時間段

QUOTE

內(nèi)，有路徑到達(dá)，則在第個微小時間段內(nèi)轉(zhuǎn)到狀態(tài)2；在以后的若干個微小時間段內(nèi)將持續(xù)狀態(tài)2，直到第

QUOTE

個微小時間段沒有路徑到達(dá)，狀態(tài)又轉(zhuǎn)回到狀態(tài)1。的值由測試決定，但迄今還沒有試驗測試在特定的UWB系統(tǒng)中的取值，一般情況下，取典型值2或2.5，時，信道出現(xiàn)成簇的現(xiàn)象。

在每一個馬氏狀態(tài)下，每個微小時間段內(nèi)到達(dá)的多徑數(shù)量由泊松分布確定，到達(dá)多徑的數(shù)量服從修正的兩狀態(tài)泊松過程，到達(dá)時間服從基于此狀態(tài)的指數(shù)分布。具體的數(shù)學(xué)表示如下：

狀態(tài)1：（3.13）

狀態(tài)2：（3.14）

其中，

QUOTE

第個微小時間段內(nèi)有

QUOTE

個路徑到達(dá)的概率

狀態(tài)1的泊松參數(shù)（3.15）

狀態(tài)2的泊松參數(shù)（3.16）

多徑的幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，隨時間延遲呈指數(shù)衰減，表示為：

（3.17）

其中：

QUOTE

（3.18）

QUOTE

（3.19）

式中：信號隨機(jī)翻轉(zhuǎn)，

QUOTE

是等概率發(fā)生的。

在修正

QUOTE

模型中，將時間軸分成許多時間間隔，每一個時間間隔內(nèi)的路徑的到達(dá)率依賴于前一個時間間隔內(nèi)是否有路徑到達(dá)。這里時間間隔

QUOTE

與采樣頻率有關(guān)。

這個模型由五個參數(shù)描述：

QUOTE

狀態(tài)1的平均到達(dá)率

QUOTE

狀態(tài)2的平均到達(dá)率的縮放比例

QUOTE

微小的時間間隔

QUOTE

包絡(luò)指數(shù)衰減因數(shù)

QUOTE

對數(shù)正態(tài)分布路徑能量的標(biāo)準(zhǔn)方差

3.5本章小結(jié)

在廣泛閱讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本章對超寬帶室內(nèi)小尺度信道模型進(jìn)行了詳盡的介紹，從最開始的單一的泊松模型到修正的泊松模型，相對單一的泊松模型而言，修正的泊松模型能更好的表達(dá)出早期到達(dá)的多徑成分居顯著地位的UWB室內(nèi)LOS信道環(huán)境。而在泊松模型的基礎(chǔ)上，又提出了

QUOTE

模型，可以更好的描述多徑成簇分布的現(xiàn)象。之后又提出了修正的

QUOTE

模型。對各個模型的原理和信道參數(shù)進(jìn)行了介紹，為介紹超寬帶室內(nèi)多徑的標(biāo)準(zhǔn)模型-IEEE802.15.3a做了理論準(zhǔn)備。

第四章超寬帶室內(nèi)多徑傳播參考模型

4.1UWB多徑傳播模型

多徑傳播模型主要描述無線信號經(jīng)短距離（幾個波長）或短時間（秒級）傳輸后經(jīng)兩個或多個路徑以微小的時間間隔到達(dá)接收天線的傳播特性，由于其能清晰地描述接收信號能量在短距離或短時間內(nèi)的快速變化，則對傳輸技術(shù)的選擇和接收機(jī)的設(shè)計至關(guān)重要。

由于超寬帶信號帶寬通常大于500MHz，其對應(yīng)的時域脈沖波形的持續(xù)時間在納秒級，因此超寬帶信道的多徑分辨率通常在納秒級。只要多徑信號的波程差大于30cm，則此多徑信號在超寬帶信道中即可被分辨。由于室內(nèi)環(huán)境中天花板、墻壁、門、家具、陳設(shè)品、人等均能造成信號的多徑傳播，同時超寬帶脈沖信號又具有較高的多徑分辨率，這就導(dǎo)致超寬帶信號在室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生所謂密集多徑傳播的現(xiàn)象。

4.1.1信道的沖激響應(yīng)

這種多徑傳輸可以方便的在數(shù)學(xué)上表示為信道的離散沖激響應(yīng)，如下式

（4.1）

其中，

QUOTE

是路徑

QUOTE

的幅度衰減因子，它是以傳輸延時和發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離為變量的函數(shù)；

QUOTE

是最小的可分辨時間;

QUOTE

是可以分辨的多徑分量的數(shù)目。有時，式（4.1）也可以表示多徑強(qiáng)度分布。

4.1.2室內(nèi)多徑信道的主要參數(shù)

根據(jù)Foerster和Hashemi的研究結(jié)果，用來表征室內(nèi)多徑信道的主要參數(shù)為：（1）可分辨多徑分量的數(shù)目；（2）多徑時延；（3）多徑強(qiáng)度分布；（4）多徑幅度衰落分布；（5）多徑到達(dá)時間。

4.2S-V模型

該模型首先由Turin于1972年提出，后來Saleh和Valenzuela在對寬帶信號的研究中提出了進(jìn)一步規(guī)范化的信道模型，得到了普遍認(rèn)可，即S-V模型。S-V模型的物理描述如下：多徑信道不是按著固定的速率均勻到達(dá)接收機(jī)，而是以簇（Cluster）的形式，分成一簇一簇的到達(dá)。簇和簇內(nèi)射線的到達(dá)時間服從泊松隨機(jī)過程分布。先后到達(dá)的多徑信號增益統(tǒng)計獨(dú)立，多徑信號的平均功率（幅度的均方值）隨簇和簇內(nèi)射線成雙指數(shù)衰減，其幅度呈瑞利分布。相位在內(nèi)均勻分布。

Salen-Valenzula模型（簡稱S-V模型）是室內(nèi)離散信道脈沖響應(yīng)最普遍的統(tǒng)計模型，盡管它主要用來刻畫NLOS（Non-Line-of-Sight，非視距）信道環(huán)境的，但仍然也可以大致的描述LOS環(huán)境下的信道情況，是一種描述多徑按簇分布現(xiàn)象的模型，在多數(shù)情況下，可以較好的擬合UWB信道中的實測數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)的無線信道模型，UWB比較寬的帶寬能夠產(chǎn)生新的特征。比如：在每個可分辨的延遲時間內(nèi)（分辨路徑為3cm），只有極少的多徑成分重疊，因此中心極限定理不再適用，幅度衰落統(tǒng)計不再表現(xiàn)為Rayleigh衰落的特征。甚至有可能在多徑延遲內(nèi)沒有多徑成份出現(xiàn)。為了與在UWB測量實驗中得到的數(shù)據(jù)更吻合，IEEE工作組對S-V模型進(jìn)行了一些修改。具體的說，用對數(shù)正態(tài)分布表示多徑增益幅度，用另外一個對數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量表示總多徑增益的波動。

圖4-1S-V模型原理圖

4.2.1S-V模型的信道沖激響應(yīng)

S-V模型的信道沖激響應(yīng)可以表示為

QUOTE

（4.2）

其中，為第個到達(dá)簇的到達(dá)時間，為第個簇中第個到達(dá)射線的到達(dá)時間，

QUOTE

為第一個到達(dá)簇的到達(dá)時間，

QUOTE

為第個簇中第一條射線到達(dá)時間。為第個簇中第

QUOTE

個到達(dá)射線的多徑增益，其相位為

QUOTE

。

4.2.2S-V模型的主要參數(shù)

1．多徑到達(dá)時間分布

S-V模型中簇到達(dá)時間，也就是每一簇中的第一條射線到達(dá)的時間服泊松過程，其具有固定的到達(dá)率（常數(shù)）。每一簇內(nèi)后續(xù)射線到達(dá)的時間也服從泊松分布，其具有固定到達(dá)率（常數(shù)）。通常每一簇中包含大量射線，即

QUOTE

。如果在任一時間長度為的區(qū)間中事件的個數(shù)服從均值為

QUOTE

的泊松分布，設(shè)

QUOTE

為事件發(fā)生的時間間隔，則

QUOTE

的概率分布函數(shù)為

QUOTE

，概率密度函數(shù)為

QUOTE

。令

QUOTE

，可得簇到達(dá)的時間間隔是獨(dú)立指數(shù)分布隨機(jī)變量：

（4.3）

同理可得，在簇的先后到達(dá)多徑信號的時間間隔概率密度為

（4.4）

2．多徑增益分布

是統(tǒng)計獨(dú)立的隨機(jī)變量，其均方值是和的單調(diào)遞減函數(shù)：

（4.5）

是第一個到達(dá)簇的第一條射線的平均功率增益，，是簇和射線的功率延遲（Power-Delay）時間常數(shù)，也稱衰減指數(shù)。

多徑信號的功率增益服從指數(shù)分布，其概率密度函數(shù)為

（4.6）

多徑增益（幅度）服從瑞利分布，其概率密度函數(shù)為

(4.7)

3．多徑相位分布

QUOTE

是統(tǒng)計獨(dú)立的，在

QUOTE

上均勻分布的隨機(jī)變量。

綜上，S-V模型的參數(shù)見表1-3；S-V模型多徑及功率分布見圖4-2。

表1-3S-V信道模型輸入?yún)?shù)

參數(shù)名稱

數(shù)學(xué)表示符號

平均簇到達(dá)率

QUOTE

平均射線到達(dá)率

簇平均功率衰減指數(shù)

QUOTE

射線平均功率衰減指數(shù)

QUOTE

瑞利分布標(biāo)準(zhǔn)差

QUOTE

圖4-2S-V模型多徑及功率分布

4.2.3S-V/IEEE802.15.3a模型的局限性

S-V/IEEE802.15.3a模型是一個適合仿真研究使用的完整的多徑模型，但存在如下問題：首先，S-V/IEEE802.15.3a模型能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)室內(nèi)NLOS環(huán)境的傳播規(guī)律，但室內(nèi)LOS環(huán)境的性能尚顯不足；其次，模型無法準(zhǔn)確預(yù)測特定室內(nèi)環(huán)境的多徑傳播特性；最后，從實測數(shù)據(jù)中擬合“簇到達(dá)率”等模型輸入?yún)?shù)非常困難。

4.3修正的S-V模型

在2002年到2003年間，致力于WPAN的IEEE802.15.3工作組，尤其是它的信道模型子委員會決定采用修正的S-V（Saleh—Valenzuela）模型作為超寬帶信道的推薦模型。IEEE802.15建議的信道模型利用對數(shù)正態(tài)分布而不是瑞利分布來描述多徑增益幅度。每一簇內(nèi)部各路徑之間是獨(dú)立的衰減機(jī)制。在S-V模型中，簇和簇內(nèi)路徑的到達(dá)時間分別用獨(dú)立的泊松過程來描述。信道沖激響應(yīng)的相位是或，因此信道不存在虛部分量。

4.3.1修正的S-V模型

根據(jù)Foerster的建議，離散時間多徑信道沖激可以表示為

（4.8）

其中，

QUOTE

是多徑增益系數(shù)，是第

QUOTE

簇的延遲時間；

QUOTE

是第

QUOTE

條多徑分量相對于第簇到達(dá)時間的延遲。

QUOTE

表示陰影效應(yīng)對數(shù)正態(tài)分布，

QUOTE

指第個實現(xiàn)。

修正的S-V模型用到了下面的定義：

QUOTE

：第

QUOTE

的第一個分量的延遲時間；

QUOTE

：第

QUOTE

簇中第

QUOTE

條路徑相對于第一條路徑到達(dá)時間

QUOTE

的時延；

：簇到達(dá)率；

QUOTE

：束到達(dá)率，即每一簇中路徑的到達(dá)率。

根據(jù)定義有

QUOTE

。簇到達(dá)時間的分布和束到達(dá)時間分布為

（4.9）

（4.10）

修正S-V模型使用兩個泊松過程（雙指數(shù)模型）來描述多徑信道。第一個泊松過程描述簇的的到達(dá)，第二個泊松過程描述的是每個簇里面多徑的

QUOTE

的到達(dá)。

信道系數(shù)定義如下

（4.11）

（4.12）

或者

（4.13）

其中，

QUOTE

，

QUOTE

是相互獨(dú)立的，而且分別對應(yīng)于每一簇和每一束的衰落：

（4.14）

式中，

QUOTE

為第一簇第一條路徑的平均功率；

QUOTE

是等概率的+1和-1，以說明由于發(fā)射導(dǎo)致的信號倒置。

（4.15）

以上等式中，

QUOTE

反映和第

QUOTE

簇有關(guān)的衰減，

QUOTE

對應(yīng)于第

QUOTE

簇中第

QUOTE

路徑相關(guān)的衰減。

4.3.2修正的S-V模型的主要信道參數(shù)

上面的模型以下面的信道參數(shù)作為輸出：

（1）功率延遲分布（PDP）

（2）RMS時延擴(kuò)展（均方根時延擴(kuò)展）

（3）主要多徑數(shù)目

除了簇到達(dá)率

QUOTE

和徑到達(dá)率

QUOTE

外，該模型還把簇衰減因子

QUOTE

和徑衰減因子

QUOTE

作為輸入。另外還有簇對數(shù)正態(tài)陰影衰減項的標(biāo)準(zhǔn)差

QUOTE

、徑對數(shù)正態(tài)衰減項的標(biāo)準(zhǔn)差

QUOTE

、總的多徑實現(xiàn)的對數(shù)正態(tài)陰影衰減項的標(biāo)準(zhǔn)差

QUOTE

分別作為輸入。

1．功率延遲分布（PDP）

信道時延擴(kuò)展的程度可以通過對信道的功率延遲分布（Power-DelayProfile，PDP）的測量得到，PDP描述了發(fā)射功率經(jīng)過多徑信道后能量的分布特性。功率延遲分布函數(shù)

QUOTE

可以通過對測量點(diǎn)周圍一個小區(qū)域?qū)?/p>

QUOTE

做空域平均得到，如下式：

（4.16）

其中，是信道沖激響應(yīng)

2．RMS時延擴(kuò)展

QUOTE

QUOTE

是信道功率延遲分布二階矩均方根值，它描述了平均附加時延的標(biāo)準(zhǔn)差。RMS時延擴(kuò)展是多徑測量的重要參數(shù)之一，它限制了信道的最大傳輸速率，在沒有采用分集或者均衡技術(shù)的條件下，與信道的最大可能數(shù)據(jù)率成反比。其定義如下：

（4.17）

3．主要多徑數(shù)目

峰值限制在10dB以內(nèi)的到達(dá)的多徑分量的個數(shù)（）

QUOTE

。多徑分量的數(shù)量非常重要，因為它對RAKE接收機(jī)的設(shè)計有很大的影響。

4.3.3修正的S-V模型的仿真與分析

基于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的平均距離和是否存在LOS分量，有四種不同的實測信道被推薦。

CM-1：視距（LOS）（0~4m）

CM-2：非視距（NLOS）（0~4m）

CM-3：非視距（NLOS）（4~10m）

CM-4：非視距（NLOS）（4~10m），代表了極端的NLOS多徑信道環(huán)境。

在上述IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，IEEE802.15.3a工作組給出了4組信道模型的信道特征如表1-4所示，根據(jù)表1-4給出了的UWB室內(nèi)探測信道的環(huán)境特征和仿真所需的信道模型參數(shù)，使用MATLAB軟件平臺對信道模型進(jìn)行仿真。

表1-4S-V/IEEE802.15.3a模型信道特性和對應(yīng)的模型參數(shù)

模型參數(shù)

CM-1

CM-2

CM-3

CM-4

0.0223

0.4

0.0667

0.0667

2.5

0.5

2.1

2.1

7.1

5.5

14.00

24.00

4.3

6.7

7.9

12

3.3941

3.3941

3.3941

3.3941

3.3941

3.3941

3.3941

3.3941

3

3

3

3

UWBIEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)信道的仿真可以根據(jù)以下幾步進(jìn)行：

（1）根據(jù)信道帶寬選取多徑分辨率和系統(tǒng)的抽樣率

QUOTE

；

（2）選擇標(biāo)準(zhǔn)信道模型的參數(shù)：

QUOTE

、

QUOTE

、

QUOTE

、

QUOTE

、

QUOTE

、

QUOTE

、

QUOTE

；

（3）根據(jù)簇的到達(dá)和徑的到達(dá)都服從泊松分布可以計算得到第

QUOTE

簇到達(dá)時間

QUOTE

和第

QUOTE

簇第徑到達(dá)時間；

（4）根據(jù)路徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布的特點(diǎn)計算得出每一路徑的幅度，進(jìn)行濾波，然后對信道沖激響應(yīng)進(jìn)行能量歸一化處理。

在這里取多徑分辨率

QUOTE

為0.167ns，和空間上的5cm分辨率對應(yīng)。根據(jù)信道參數(shù)對IEEE典型環(huán)境CM-1~CM-4進(jìn)行Matlab仿真。仿真出的各個信道的沖激響應(yīng)實現(xiàn)見圖4-3，各個信道的功率延遲分布（PDP）見圖4-4。

信道實現(xiàn)

（a）CM-1信道沖激響應(yīng)（b）CM-2信道沖激響應(yīng)

（c）CM-3信道沖激響應(yīng)（d）CM-4信道沖激響應(yīng)

圖4-3IEEE802.15.3a模型的平均沖激響應(yīng)

（1）比較圖（a）和圖（b）可見，在收發(fā)距離不變的情形下，LOS下第一條多徑分量傳輸?shù)哪芰孔罡撸欢鳱LOS下能量最高處出現(xiàn)在第一條路徑之后，這是收發(fā)間障礙物作用的結(jié)果。

（2）而同在NLOS下，圖（c）比圖（b）具有更長的時間彌散，可見收發(fā)間距離越長多徑彌散現(xiàn)象越明顯，所以在圖（d）的極端條件下，其發(fā)射能量的持續(xù)時間比任何情形下都要長。

信道的平均功率延遲分布

CM-1CM-2

CM-3CM-4

圖4-4IEEE802.15.3a模型的信道的平均功率延遲分布

CM-1~CM-4信道的平均附加時延、RMS時延擴(kuò)展、10dB多徑數(shù)以及總能量85%多徑數(shù)的仿真見圖4-5、圖4-6、圖4-7。

信道附加時延的實現(xiàn)

CM-1平均附加時延=5.5nsCM-2平均附加時延=9.2ns

CM-3平均附加時延=14.9CM-4平均附加時延=26.3

圖4-6IEEE802.15.3a模型信道的平均附加時延

信道的RMS時延擴(kuò)展

CM-1平均RMS時延=5nsCM-2平均RMS時延=8ns

CM-3平均RMS時延=14nsCM-4平均RMS時延=25ns

圖4-7IEEE802.15.3a模型信道的平均RMS時延擴(kuò)展

信道可分辨多徑數(shù)目

CM-1

10dB內(nèi)的主要都徑數(shù)目=14.9總能量85%的多徑數(shù)=23.4

CM-2

10dB內(nèi)的主要都徑數(shù)目=22總能量85%的多徑數(shù)=35.7

CM-3

10dB內(nèi)的主要都徑數(shù)目=31.7總能量85%的多徑數(shù)=60.8

CM-4

10dB內(nèi)的主要都徑數(shù)目=43.8總能量85%的多徑數(shù)=115.5

圖4-8IEEE802.15.3a模型信道的10dB內(nèi)多徑數(shù)及總能量85%的多徑數(shù)

IEEE802.15.3a模型在四種信道下的平均附加時延

QUOTE

，RMS時延擴(kuò)展

QUOTE

，10dB多徑數(shù)及總能量85%多徑數(shù)目與實測數(shù)據(jù)的比較見表1-5所示。從表1-5可以看出仿真出的信道特征參數(shù)和實際測量的特征參數(shù)相近。所以IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)信道模型能夠較好的反應(yīng)UWB信道，因此該模型可以在UWB系統(tǒng)的研究中用來仿真UWB物理信道，以評價系統(tǒng)的性能。

UWB標(biāo)準(zhǔn)信道模型的提出，是認(rèn)識UWB室內(nèi)信道特征的重要一步。它不但加速了UWB高速通信物理層標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程，而且為使用IEEE802.15.3a設(shè)備的系統(tǒng)性能分析提供了依據(jù)。但是IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)信道沒有考慮信道的時變的特性，因此需要對UWB信道時變特性進(jìn)一步的研究。

表1-5CM-1

QUOTE

CM-4信道特征的理論仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果比較

信道參數(shù)

CM-1

CM-2

實際測量

理論仿真

實際測量

理論仿真

平均附加時延

QUOTE

5.05

5.5

10.38

9.2

RMS時延擴(kuò)展

QUOTE

5.28

6

8.03

8

10dB多徑數(shù)

—

14.9

—

22.0

總能量85%多徑數(shù)

24

23.4

36.1

35.7

信道參數(shù)

CM-3

CM-4

實際測量

理論仿真

實際測量

理論仿真

平均附加時延

QUOTE

14.18

14.9

—

26.3

RMS時延擴(kuò)展

QUOTE

14.28

14

25

25

10dB多徑數(shù)

35

31.7

—

43.8

總能量85%多徑數(shù)

61.54

60.8

—

115.5

4.4本章小結(jié)

本章詳細(xì)的介紹了超寬帶信道的標(biāo)準(zhǔn)模型—IEEE802.15.3a（修正的S-V模型），并對該模型的信道參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，分別在四種不同的實測信道條件下對信道參數(shù)進(jìn)行了仿真，并且與南加州大學(xué)UWB實驗室實際信道測量得出的信道指標(biāo)進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明S