超寬帶室內(nèi)LOS環(huán)境信道模型研究

楊牛扣，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(qiáng)、低損耗以及設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為短距離無線通信極具競(jìng)爭(zhēng)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(dá)時(shí)間之差可短至ns級(jí);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(hào)嚴(yán)重的多;從時(shí)域上看，會(huì)導(dǎo)致接收波形的嚴(yán)重失真，而且時(shí)延擴(kuò)展極大。因此，建立一個(gè)可以表征信道傳播特性的精確信道模型是進(jìn)行UWB無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能評(píng)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(jī)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(píng)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(shí)間納秒級(jí)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(cè)量和建模[7，8]是最近幾年的研究熱點(diǎn)。UWB室內(nèi)多徑信道模型主要描述UWB信號(hào)經(jīng)短距離傳輸后經(jīng)多個(gè)路徑以微小的時(shí)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(hào)能量在短時(shí)間內(nèi)的快速變化，則對(duì)傳輸技術(shù)的選擇和接收機(jī)的設(shè)計(jì)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(duì)寬帶信號(hào)的研究中提出了進(jìn)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(hào)不是按著固定的速率均勻到達(dá)接收機(jī)，而是以族的形式到達(dá)。族和族內(nèi)多徑的到達(dá)時(shí)間服從泊松隨機(jī)過程分布。先后到達(dá)的多徑信號(hào)增益統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，多徑信號(hào)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但不能很好的擬合LOS環(huán)境下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

相對(duì)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(gè)可分辨的延遲時(shí)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(jì)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(shí)間信道沖擊響應(yīng):

信道模型的仿真輸入?yún)?shù):

Λ:簇到達(dá)率;

λ:徑到達(dá)率;

Γ:簇衰減因子;

γ:徑衰減因子;

σ1:簇對(duì)數(shù)正態(tài)衰減項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)差;

σ2:徑對(duì)數(shù)正態(tài)衰減項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)差;

σ:總的多徑實(shí)現(xiàn)的對(duì)數(shù)陰影衰減項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)差。

基于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的平均距離和是否LOS環(huán)境，IEEE802.15.3a給出了4種不同的實(shí)測(cè)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(shí)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(shí)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(gè)適合仿真研究使用的完整的多徑模型，但在實(shí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不符的過多的隨機(jī)到達(dá)的族。

2 超寬帶室內(nèi)LOS信道模型研究

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

超寬帶室內(nèi)LOS傳播具有下述特點(diǎn)[6]:確定性，即直射多徑信號(hào)一定最先到達(dá)接收天線;規(guī)律性，即較早到達(dá)接收天線的多徑信號(hào)在信道中經(jīng)歷了較少的能量損耗。通過對(duì)南加州大學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(hào)確定。由此提出一種具有2個(gè)確定的簇、每個(gè)簇內(nèi)具有隨機(jī)到達(dá)的多徑射線的超寬帶室內(nèi)LOS環(huán)境信道模型。即第1個(gè)簇是由收發(fā)信機(jī)的相對(duì)位置確定，第2簇為經(jīng)室內(nèi)6個(gè)主要反射面（天板、地板、四壁）一次反射較早到達(dá)接收機(jī)的多徑射線。每個(gè)簇內(nèi)的后續(xù)多徑射線的到達(dá)時(shí)間為具有固定到達(dá)率的泊松過程，其多徑增益服從對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間沖擊響應(yīng)。可以發(fā)現(xiàn)，圖1比圖3的信號(hào)衰減緩慢。通過上面分析室內(nèi)LOS環(huán)境信號(hào)傳播規(guī)律表明，信號(hào)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(hào)傳播規(guī)律。圖2和圖4是這2個(gè)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(shí)間功率非常小的多徑分量，2個(gè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較如表1所示。

表1 模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

平均附加時(shí)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(hào)的離散程度。RMS時(shí)延擴(kuò)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(shí)延的標(biāo)準(zhǔn)差。這2個(gè)參數(shù)是多徑測(cè)量的重要參數(shù)，對(duì)于UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)傳輸速率和接收機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

主要分析了室內(nèi)LOS環(huán)境下信號(hào)傳播規(guī)律，多徑分量成簇到達(dá)。仿真分析了IEEE802.15.3a信道模型，此模型中簇的出現(xiàn)個(gè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但在室內(nèi)LOS環(huán)境下卻不能很好地?cái)M合。在室內(nèi)LOS環(huán)境下，提出把簇的個(gè)數(shù)定義為2個(gè)，建立了新兩族模型。通過模型仿真，并與IEEE802.15.3a信道模型進(jìn)行比較，結(jié)合南加州大學(xué)的室內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)延τm（0.7ns）和RMS時(shí)延擴(kuò)展τrms（0.2ns），更加接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提高數(shù)據(jù)速率，物理層方案和接收機(jī)設(shè)計(jì)具有重大參考價(jià)值。

[1]LIU K，SHEN X，ZHANG R，et al.Performance analysis of distributed reservation protocol for UWB-based WPAN[J].IEEE Transactions onVehicular Technology，2009，58（2）:902-913.

[2]CHONG C，YONG S.UWB direct chaoticcommunication technology for low rate WPAN applications[J].IEEETransactions onVehicular Technology，2008，57（3）:1527-1536.

[3]WANG YANG，XU Hong-guang，ZHANG Qin-yu，et al.UWB channel modeling for indoor Line-of-Sight Environment[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2007，14（6）:866-870.

[4]WANG YANG，ZHANGNai-tong，ZHAGN Qin-yu，etal.Characterizing ultra-wide band indoor line-of-sitewirelesschannel[J].Journal of System Engineering and Electronics，2007，18（4）:673-678.

[5]WANG YANG，ZHANG JIE，ZHANG Qin-yu，et al.Evaluation of an ultra-wide bandwidth wireless indoornon-line-ofsight channels[J].Wireless Communication and Mobile Computing，2009（9）:169-179.

[6]汪洋，張乃通，唐珣，等.UWB室內(nèi)視距環(huán)境多徑傳播模型[J].通信學(xué)報(bào)，2006，26（10）:24-28.

[7]彭麗，孫彥景，錢建生，等.超寬帶室內(nèi)修正S-V信道模型的仿真與分析[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（3）:582-585.

[8]李波，張春業(yè)，趙同明.超寬帶室內(nèi)參考信道模型研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（4）:59-62.