超寬帶通信室內(nèi)非視距環(huán)境信道模型仿真分析

祁秀珍，張 靜，楊?？郏Z俊鵬，楊 寧，林 曉，楊 瓊

(中國人民解放軍 63628部隊(duì)，北京 101601)

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超寬帶通信室內(nèi)非視距環(huán)境信道模型仿真分析

祁秀珍，張 靜，楊?？郏Z俊鵬，楊 寧，林 曉，楊 瓊

(中國人民解放軍 63628部隊(duì)，北京 101601)

通過對超寬帶信號傳播特性和信道特點(diǎn)研究，建立了非視距環(huán)境下相對精確信道模型。分析了超寬帶信號室內(nèi)傳播規(guī)律，在仿真分析NLOS信道模型的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)其不能較好地體現(xiàn)出信道典型特點(diǎn)，因此對NLOS信道模型進(jìn)行修正。仿真結(jié)果表明，修正后NLOS信道模型能更好地?cái)M合實(shí)測數(shù)據(jù)，并能更好地體現(xiàn)信道特點(diǎn)和多徑分量成簇到達(dá)特性。

繁殖性能；信道測量；信道模型

近年來，超寬帶(UWB)通信技術(shù)以低功耗、高速率、結(jié)構(gòu)簡單、共享頻譜以及抗干擾強(qiáng)等特性，成為通信領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，是未來室內(nèi)短距離短信的最佳方案[1-5]。

在通信經(jīng)歷窄帶、寬帶以后到超寬帶，系統(tǒng)傳輸速率越來越高，通信系統(tǒng)也出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)，如用沖擊脈沖形式傳輸信號，而無需傳統(tǒng)的載波傳輸。UWB信道也出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)，如信號傳輸基于成簇方式的多徑到達(dá)，頻域上可達(dá)到GHz的范圍，頻率選擇性衰落更加嚴(yán)重。為使UWB通信技術(shù)早日形成標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)其具體應(yīng)用環(huán)境建立準(zhǔn)確信道模型，因而研究UWB信道特性，對于UWB通信技術(shù)至關(guān)重要。

1 UWB脈沖室內(nèi)環(huán)境傳播特性

UWB通信技術(shù)主要應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，例如家庭多媒體系統(tǒng)，其特點(diǎn)是傳輸距離短，約4 m以內(nèi)，結(jié)構(gòu)分為視距和非視距兩種情況。一般室內(nèi)均為非視距結(jié)構(gòu)，有沙發(fā)、桌椅、墻壁、門窗等室內(nèi)物品的存在，對電磁波的傳播會(huì)產(chǎn)生阻礙作用，通常會(huì)發(fā)生直射、反射、散射、透射、衍射等。UWB室內(nèi)傳播的主要特點(diǎn)[6-7]是：發(fā)射機(jī)接收機(jī)之間存在經(jīng)過反射、衍射和透射等方式的多條傳播路徑，發(fā)射信號傳播后會(huì)會(huì)經(jīng)歷不同的時(shí)延和衰減，接收信號是許多多徑能量的疊加。目前普遍認(rèn)可的是多徑成簇到達(dá)[8]方式，即多徑信號是以簇的形式傳播，到達(dá)時(shí)間服從泊松分布，平均功率呈指數(shù)衰減。

2 UWB室內(nèi)信道模型仿真分析

若考慮信道中傳播信號的所有多徑，信道模型難以用簡單模型表達(dá)，考慮到時(shí)變性、空間相關(guān)性等情況會(huì)變得復(fù)雜。2003年7月，IEEE802.15.3a信道模型研究小組結(jié)合了多種實(shí)驗(yàn)測量和理論研究的信道模型，考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和距離，發(fā)布了UWB室內(nèi)4種實(shí)測信道模型的最終報(bào)告，即：CM1，LOS(0～4 m)；CM2，NLOS(0～4 m)；CM3，NLOS(4～10 m)；CM4，NLOS(4～10 m，極端NLOS環(huán)境)，用這一模型評估各物理層的性能。

UWB通信應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境典型特點(diǎn)是短距離和非視距結(jié)構(gòu)。圖1和圖2是在NLOS(3 m)信道下沖擊響應(yīng)和功率延遲分布(PDP)仿真圖。從圖中可看出，離散時(shí)間多徑?jīng)_擊響應(yīng)是由多個(gè)族依次到來并有相互疊加成分，從圖2的功率延遲分布PDP中表現(xiàn)的非常明顯，簇的功率呈指數(shù)衰減，強(qiáng)徑周圍有諸多弱徑，可能是傳播機(jī)理不同而導(dǎo)致的，如反射的衰減比透射小。仿真較好地體現(xiàn)了多徑成簇到達(dá)特性，但未能體現(xiàn)出NLOS情況下即信號傳播遇到障礙物的典型結(jié)果，即最強(qiáng)多徑不是出現(xiàn)在第一條路徑上，而是出現(xiàn)在第一條路徑后的多徑，因?yàn)樽顝?qiáng)多徑應(yīng)該是通過反射或衍射等衰減小的方式到達(dá)接收機(jī)，其路徑比透射方式的長所以經(jīng)歷時(shí)間長，顯而易見第一個(gè)多徑是通過障礙物透射到達(dá)接收機(jī)的，一般穿透障礙物的衰減大于反射或衍射的衰減。

圖1 室內(nèi)NLOS(3 m)信道離散沖擊響應(yīng)

圖2 室內(nèi)NLOS(3 m)信道功率延遲分布

3 室內(nèi)NLOS信道模型簡單修正

理論分析表明，NLOS環(huán)境下典型特點(diǎn)透射信號衰減大于反射或衍射的信號衰減，文獻(xiàn)[9～12]的相關(guān)測量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一特點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]在一個(gè)鋼架磚墻建筑物內(nèi)實(shí)際測量了室內(nèi)信道。圖3是在NLOS(非視距)環(huán)境下接收到的多徑分量。

圖3 室內(nèi)NLOS信道實(shí)測沖擊響應(yīng)

室內(nèi)短距離NLOS信道模型與實(shí)際測量模型不能很好地?cái)M合，也與理論研究并不相符。多徑成簇到達(dá)要求，簇和徑要呈雙指數(shù)衰減，最先到達(dá)的透射信號衰減大不是最強(qiáng)徑，后續(xù)到達(dá)的反射或衍射信號衰減相對小才是最強(qiáng)多徑。根據(jù)文獻(xiàn)[9～12]，對室內(nèi)短距離NLOS信道模型進(jìn)行修正。

圖4是修正后NLOS信道模型信道沖擊響應(yīng)，圖5是修正后NLOS信道模型PDP。圖1和圖4與實(shí)測圖3相比，修正后NLOS信道沖擊響應(yīng)更接近實(shí)際測量結(jié)果，更能反映非視距信道特點(diǎn)。如圖5所示，多徑信號明顯分為多徑成簇到達(dá)，簇與簇內(nèi)多徑呈現(xiàn)雙指數(shù)衰減，簇與簇之間區(qū)分的并不明顯，前面先到達(dá)的多徑是透射方式傳播衰減相對大而不是最強(qiáng)的徑，后面到達(dá)是反射等方式傳播衰減相對小的才是最強(qiáng)多徑，文獻(xiàn)[9～10,12]分別在信道測量實(shí)驗(yàn)中，對這方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述。在室內(nèi)NLOS環(huán)境下，圖5比圖2更符合實(shí)際信道測量和信號傳播方式的理論分析。

圖4 修正后室內(nèi)NLOS(3m)信道離散沖擊響應(yīng)

圖5 室內(nèi)修正后NLOS(3 m)信道功率延遲分布

4 結(jié)束語

UWB通信作為短距離高速率的主要備選方案，適用于家庭多媒體系統(tǒng)，如電腦、電視、音響、手機(jī)、WiFi之間的通信。通過室內(nèi)典型環(huán)境信道特點(diǎn)及信號傳播理論分析，對室內(nèi)短距離NLOS信道模型進(jìn)行簡單修正。仿真結(jié)果表明，修正后模型對UWB通信在室內(nèi)環(huán)境下建立準(zhǔn)確信道模型具有較大的參考價(jià)值，也為UWB通信方案中接收機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論參考。

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Analysis and Simulation of the Indoor NLOS Channel Model of UWB

QI Xiuzhen, ZHANG Jing, YANG Niukou, YAN Junpeng, YANG Ning, LIN Xiao, YANG Qiong

(Unit 63628, PLA, Beijing 101601, China)

A relatively accurate channel model of UWB signal channel in the non line-of-sight environment is built. The indoor UWB signal transmission pattern is analyzed, and the simulation analysis of NLOS channels model shows that it fails to reflect the typical channel characteristics, thus the need to modify the NLOS channel model. The simulation results show that the revised NLOS channels model can better fit the measured data, and can better reflect the characteristics of channel and multipath component clusters arriving feature.

propagation properties; channel measurement; channel model

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.018

2016- 01- 26

楊?？?1984-)，男，碩士，工程師。研究方向：超寬帶通信。

TN911.5

A

1007-7820(2016)12-062-03