超寬帶室內(nèi)LOS環(huán)境信道模型研究

楊?？?，周 杰

（南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇南京210044）

0 引言

近年來，超寬帶無線技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強、低損耗以及設(shè)備簡單等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。UWB信道不同于一般的無線衰落信道。它的可分離的不同多徑到達時間之差可短至ns級;從頻域上看，它的脈沖橫跨了幾GHz的頻域范圍，所經(jīng)歷的頻率選擇性衰落要比一般的窄帶信號嚴(yán)重的多;從時域上看，會導(dǎo)致接收波形的嚴(yán)重失真，而且時延擴展極大。因此，建立一個可以表征信道傳播特性的精確信道模型是進行UWB無線通信系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)性能評估的先決條件。

自FCC 2002年批準(zhǔn)了超寬帶技術(shù)可以用于民用領(lǐng)域，世界許多著名的大公司、研究機構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化組織都積極投入到超寬帶技術(shù)的研究、開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作之中。為評估超寬帶通信方案的性能和開展各種標(biāo)準(zhǔn)化工作，需要根據(jù)其具體的應(yīng)用環(huán)境建立精確的信道模型。然而，無線信道環(huán)境非常復(fù)雜，以及超寬帶技術(shù)特殊性，如脈沖持續(xù)時間納秒級等，建立精確的信道模型非常困難。

1 超寬帶室內(nèi)多徑信道模型

UWB通信系統(tǒng)的信道測量和建模[7，8]是最近幾年的研究熱點。UWB室內(nèi)多徑信道模型主要描述UWB信號經(jīng)短距離傳輸后經(jīng)多個路徑以微小的時間間隔到達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時間內(nèi)的快速變化，則對傳輸技術(shù)的選擇和接收機的設(shè)計至關(guān)重要。目前普遍認(rèn)可的UWB室內(nèi)傳輸特性描述的較好的是基于分族方式的S-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一步的信道模型，得到了普遍認(rèn)可，即S-V模型。描述如下:多徑信號不是按著固定的速率均勻到達接收機，而是以族的形式到達。族和族內(nèi)多徑的到達時間服從泊松隨機過程分布。先后到達的多徑信號增益統(tǒng)計獨立，多徑信號的平均功率隨族和族內(nèi)多徑呈雙指數(shù)衰減，其幅度呈瑞利分布。相位在[0，2]內(nèi)均勻分布。但是，在與實測數(shù)據(jù)的擬合中發(fā)現(xiàn)，S-V模型可以很好的擬合NLOS環(huán)境下實測數(shù)據(jù)，但不能很好的擬合LOS環(huán)境下實測數(shù)據(jù)。

相對于傳統(tǒng)的無線信道模型，UWB的信道產(chǎn)生新的特征。在每個可分辨的延遲時間內(nèi)，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衰落特征。因此IEEE802.15.3工作組建議的信道模型利用Lognormal分布而不是Rayleigh分布來描述多徑增益幅度，相位是等概率的取0或。

IEEE802.15.3a信道模型的離散時間信道沖擊響應(yīng):

信道模型的仿真輸入?yún)?shù):

Λ:簇到達率;

λ:徑到達率;

Γ:簇衰減因子;

γ:徑衰減因子;

σ1:簇對數(shù)正態(tài)衰減項的標(biāo)準(zhǔn)差;

σ2:徑對數(shù)正態(tài)衰減項的標(biāo)準(zhǔn)差;

σ:總的多徑實現(xiàn)的對數(shù)陰影衰減項的標(biāo)準(zhǔn)差。

基于發(fā)射機和接收機的平均距離和是否LOS環(huán)境，IEEE802.15.3a給出了4種不同的實測信道:

CM-1:LOS（0-4m）;CM-2:NLOS（0-4m）;

CM-3:NLOS（4-10m）;CM-4:NLOS（4-10m），代表了極端的NLOS多徑信道環(huán)境。

圖1和圖2分別是在Matlab6.5仿真CM-1信道環(huán)境（3m）的離散時間沖擊響應(yīng)和功率延遲分布。

圖1 CM-1信道環(huán)境（3m）的離散時間沖擊響應(yīng)

圖2 CM-1信道環(huán)境（3m）的功率延遲分布

S-V模型和IEEE802.15.3a模型是一個適合仿真研究使用的完整的多徑模型，但在實際應(yīng)用中存在如下不足:首先，其能夠精確的反應(yīng)室內(nèi)NLOS環(huán)境的傳播規(guī)律，但室內(nèi)LOS環(huán)境的性能不足;其次，模型輸入?yún)?shù)獲取困難的問題;再次，利用該模型生成的信道沖擊響應(yīng)中可能存在與實測數(shù)據(jù)不符的過多的隨機到達的族。

2 超寬帶室內(nèi)LOS信道模型研究

許多文獻指出，超寬帶室內(nèi)傳播是按簇形式到達，簇的到達時間是服從泊松分布，簇內(nèi)多徑的到達時間也是服從泊松分布，簇的個數(shù)M=2;3;4是等概率的。后續(xù)大量室內(nèi)信道測量數(shù)據(jù)表明[3-5]，在室內(nèi)LOS環(huán)境下，一般只有2個族，即使有第3個族，它的功率增益也是特別的小，對整個信號能量沒有太大的影響，因此，在室內(nèi)LOS環(huán)境下，把簇的個數(shù)定為2個，能更好地符合信號傳播規(guī)律。

超寬帶室內(nèi)LOS傳播具有下述特點[6]:確定性，即直射多徑信號一定最先到達接收天線;規(guī)律性，即較早到達接收天線的多徑信號在信道中經(jīng)歷了較少的能量損耗。通過對南加州大學(xué)的實驗數(shù)據(jù)的分析認(rèn)為:①第1簇的首徑增益可以用自由空間的路徑損耗近似得到;②第2簇的首徑可由室內(nèi)各墻體的一次反射信號確定。由此提出一種具有2個確定的簇、每個簇內(nèi)具有隨機到達的多徑射線的超寬帶室內(nèi)LOS環(huán)境信道模型。即第1個簇是由收發(fā)信機的相對位置確定，第2簇為經(jīng)室內(nèi)6個主要反射面（天板、地板、四壁）一次反射較早到達接收機的多徑射線。每個簇內(nèi)的后續(xù)多徑射線的到達時間為具有固定到達率的泊松過程，其多徑增益服從對數(shù)正態(tài)分布。相位分布是等概率的取0或。

新兩族模型的離散時間信道沖擊響應(yīng):

圖3和圖4分別是在Matlab6.5仿真新兩族模型室內(nèi)LOS環(huán)境（3m）的離散時間沖擊響應(yīng)和功率延遲分布。

圖3 新兩族信道模型離散時間沖擊響應(yīng)

圖4 新兩族信道模型功率延遲分布

3 新模型與IEEE802.15.3a模型性能比較

圖1和圖3是在同一室內(nèi)LOS環(huán)境下仿真的IEEE802.15.3a模型和新兩族模型的離散時間沖擊響應(yīng)。可以發(fā)現(xiàn)，圖1比圖3的信號衰減緩慢。通過上面分析室內(nèi)LOS環(huán)境信號傳播規(guī)律表明，信號衰減應(yīng)該很快，所以新兩族模型比IEEE802.15.3a模型更能反映室內(nèi)LOS環(huán)境信號傳播規(guī)律。圖2和圖4是這2個模型的PDP，可以看出0～5ns是功率較大的第1族，5～15ns是功率次大的第2族，15ns以后的就是信道持續(xù)時間功率非常小的多徑分量，2個模型的PDP基本一致。新模型與IEEE模型的模型輸出參數(shù)與實測數(shù)據(jù)比較如表1所示。

表1 模型與實測數(shù)據(jù)比較

平均附加時延τm是信道沖擊響應(yīng)功率延遲分布的一階矩，它描述了多徑信號的離散程度。RMS時延擴展τrms是信道沖擊響應(yīng)功率延遲分布的二階矩，它描述了附加時延的標(biāo)準(zhǔn)差。這2個參數(shù)是多徑測量的重要參數(shù)，對于UWB系統(tǒng)設(shè)計中數(shù)據(jù)傳輸速率和接收機設(shè)計具有重大意義?？梢园l(fā)現(xiàn)，新兩族模型與IEEE802.15.3a信道模型相比，τm減少0.7ns，τrms減少0.2ns，更加接近實測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

主要分析了室內(nèi)LOS環(huán)境下信號傳播規(guī)律，多徑分量成簇到達。仿真分析了IEEE802.15.3a信道模型，此模型中簇的出現(xiàn)個數(shù)M=2，3，4是等概率出現(xiàn)的，存在模型代表的類型不完整，即在NLOS環(huán)境下，能很好的擬合實測數(shù)據(jù)，但在室內(nèi)LOS環(huán)境下卻不能很好地擬合。在室內(nèi)LOS環(huán)境下，提出把簇的個數(shù)定義為2個，建立了新兩族模型。通過模型仿真，并與IEEE802.15.3a信道模型進行比較，結(jié)合南加州大學(xué)的室內(nèi)實測數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)新模型在不改變其他信道參數(shù)的情況下，能減少平均附加時延τm（0.7ns）和RMS時延擴展τrms（0.2ns），更加接近實測數(shù)據(jù)，同時對UWB系統(tǒng)設(shè)計時提高數(shù)據(jù)速率，物理層方案和接收機設(shè)計具有重大參考價值。

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