基于TD-UTD的超寬帶信號(hào)多徑傳播特性研究

李雙德，劉芫健，張曉俊

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于TD-UTD的超寬帶信號(hào)多徑傳播特性研究

李雙德，劉芫健，張曉俊

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

超寬帶信號(hào)傳播特性是超寬帶信道理論的重要組成部分，對(duì)其多徑傳播特性的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。基于時(shí)域一致性繞射方法研究了室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶信號(hào)的多徑傳播特性，仿真結(jié)果與已知文獻(xiàn)的測(cè)量結(jié)果一致性良好，驗(yàn)證了時(shí)域一致性繞射方法在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境預(yù)測(cè)電波傳播特性的正確性和有效性。比較分析了仿真中得到的視距傳播和非視距傳播的路徑損耗、電場(chǎng)強(qiáng)度、接收功率分布等傳播參數(shù)。仿真結(jié)果表明：在視距傳播環(huán)境下，直射路徑最先到達(dá)，且信號(hào)最強(qiáng)，在全部多徑信號(hào)中占絕大部分能量；在非視距傳播環(huán)境下，透射損耗較大，但繞射對(duì)信號(hào)接收功率影響較大，不能忽略。仿真結(jié)果可以為室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下超寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

超寬帶信號(hào)；室內(nèi)環(huán)境；時(shí)域一致性幾何繞射理論；傳播特性

0 引 言

超寬帶(Ultra-WideBand，UWB)是一種在雷達(dá)中被廣泛應(yīng)用的傳輸技術(shù)，近年來(lái)作為無(wú)線通信應(yīng)用在業(yè)界受到了廣泛關(guān)注。UWB與傳統(tǒng)的窄帶通信系統(tǒng)相比，具有傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法比擬的技術(shù)特點(diǎn)[1]：傳輸速率高、空間容量大、多徑分辨能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)等。這些特點(diǎn)都使之成為室內(nèi)短距離無(wú)線通信極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。

目前研究UWB無(wú)線信道傳播的方法主要有兩類：第一類是基于測(cè)量的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)方法，該方法在UWB無(wú)線信道研究領(lǐng)域使用較為廣泛[2-5]。第二類是確定性方法，典型的有時(shí)域有限差分法[6](Finite Difference of Time Domain，F(xiàn)DTD)、拋物方程法[7]和一致性幾何繞射理論(Uniform Theory of Diffraction，UTD)的射線跟蹤方法(Ray Tracing Method，RTM)[8-10]等。

作為UTD的時(shí)域解法，時(shí)域一致性幾何繞射理論(Time Domain Uniform Theory of Diffraction，TD-UTD)[11-12]將射線跟蹤法的適用范圍擴(kuò)展到了瞬態(tài)電磁場(chǎng)，在相關(guān)領(lǐng)域也越來(lái)越受關(guān)注。R.Yao[13]基于TD-UTD方法研究了室內(nèi)帶橫梁環(huán)境中UWB信號(hào)的多徑傳播現(xiàn)象，建立了室內(nèi)傳播的多徑信道模型。F.S.Adana等[14]提出了一種室內(nèi)傳播的TD-UTD模型，并驗(yàn)證了該模型的正確性。H.Y.Xu等[15]基于TD-UTD方法研究了典型辦公室內(nèi)UWB系統(tǒng)中的誤比特率。韓濤等[16]提出了一種簡(jiǎn)化TD-UTD的多重繞射分析方法，研究了室內(nèi)非視距環(huán)境下UWB信號(hào)多重繞射傳播特性。目前，基于TD-UTD方法對(duì)室內(nèi)UWB信號(hào)的傳播特性研究較少。

因此，文中基于TD-UTD方法進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境建模與仿真，通過(guò)仿真結(jié)果與已知文獻(xiàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證了該方法在預(yù)測(cè)室內(nèi)環(huán)境中超寬帶信號(hào)傳播特性方面的正確性和有效性。同時(shí)，研究了室內(nèi)的路徑損耗、電場(chǎng)強(qiáng)度、多普勒頻移和接收功率分布等特性參數(shù)。

1 TD-UTD理論基礎(chǔ)

1.1 時(shí)域多徑模型

在時(shí)域中，接收信號(hào)脈沖的波形與傳播路徑有關(guān)，不同的傳播路徑對(duì)應(yīng)不同的沖激響應(yīng)，因此在接收端得到的脈沖信號(hào)可以表示為[13]：

(1)

直射場(chǎng)沖激響應(yīng)可以寫成如下形式：

(2)

1.2 時(shí)域反射系數(shù)

當(dāng)射線在傳播過(guò)程中遇到墻面等障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射射線可以根據(jù)鏡像法確定其方向矢量，反射場(chǎng)可以表示為[13]：

(3)

1.3 時(shí)域繞射系數(shù)

入射射線通過(guò)墻壁或者家具的棱角處會(huì)發(fā)生繞射，根據(jù)文獻(xiàn)[13]可以確定繞射射線和繞射場(chǎng)的大小，繞射場(chǎng)可以表示為：

(4)

2 仿 真

2.1 仿真環(huán)境

文中根據(jù)文獻(xiàn)[17]針對(duì)室內(nèi)短距離復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行建模與仿真。房間長(zhǎng)9 m，寬6 m，高3 m，如圖1所示。

圖1 室內(nèi)平面圖

發(fā)射、接收天線均采用全向天線，高度均為1.5 m。其中區(qū)域1和區(qū)域2中分別有16個(gè)接收點(diǎn)，點(diǎn)間距離為0.3 m。仿真所用的時(shí)域信號(hào)脈沖表達(dá)式為：

(5)

其中，fmin=3.1GHz;fmax=10.6GHz；sinc(x)=sin(πx)/(πx)；fb=7.5GHz。室內(nèi)建筑水泥材料的相對(duì)介電常數(shù)為5，電導(dǎo)率為0.07S/m；木門的相對(duì)介電常數(shù)為5，電導(dǎo)率為0.01S/m。

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 路徑損耗概率累積分布

圖2是在考慮6次反射、4次透射、1次繞射的情況下，室內(nèi)區(qū)域2的路徑損耗概率累積分布圖。與文獻(xiàn)[17]中實(shí)測(cè)的區(qū)域2的路徑損耗的概率累積分布趨勢(shì)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了TD-UTD方法的正確性和可靠性。從圖中可以看出，區(qū)域2的路徑損耗的大小大致分布在64～80 dB，且當(dāng)路徑損耗的大小達(dá)到68 dB時(shí)，累積概率基本達(dá)到30%，當(dāng)路徑損耗的大小達(dá)到75 dB時(shí)，累積概率基本達(dá)到80%。圖中某些位置的仿真統(tǒng)計(jì)情況和實(shí)際測(cè)量有一些誤差，產(chǎn)生誤差的原因可能是：仿真材質(zhì)的電參數(shù)與實(shí)際介質(zhì)參數(shù)的差別，實(shí)際測(cè)量中人體的阻擋對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響等。

圖2 區(qū)域2的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比

2.2.2 Z方向的電場(chǎng)強(qiáng)度

接收點(diǎn)時(shí)域信號(hào)波形如圖3、圖4所示。

圖3 接收點(diǎn)RX1處的電場(chǎng)強(qiáng)度

圖1中接收點(diǎn)1在直射路徑可到達(dá)區(qū)域，屬于視距傳播，接收點(diǎn)2在只有透射、反射和繞射路徑區(qū)域，

圖4 接收點(diǎn)RX2處的電場(chǎng)強(qiáng)度

屬于非視距傳播。比較圖3、圖4可以看出，在視距傳播環(huán)境中，直射路徑最先到達(dá)，所用時(shí)間大約為10.03 ns，且信號(hào)最強(qiáng)，在全部多徑信號(hào)中占絕大部分能量；沒(méi)有直射路徑時(shí)，透射路徑最先到達(dá)，所用時(shí)間大約為17.38 ns。

2.2.3 接收功率分布

視距接收區(qū)域3和非視距接收區(qū)域4的接收功率分布如圖5、圖6所示。

圖5 視距區(qū)域3的接收功率

圖6 非視距區(qū)域4的接收功率

從圖中可以看出，隨著與發(fā)射機(jī)的距離逐漸增大，路徑損耗也會(huì)增大，導(dǎo)致接收功率逐漸下降。在視距傳播中，直射路徑和反射路徑起主導(dǎo)作用，由于繞射和透射路徑引起的多徑衰落影響小，因此信號(hào)接收功率的深衰落發(fā)生的次數(shù)較少，深衰落主要出現(xiàn)在靠近墻壁的地方。視距傳播環(huán)境中，區(qū)域3的最大接收功率為-28.23 dBm，最小接收功率為-51.31 dBm，平均接收功率為-35.60 dBm。在非視距傳播環(huán)境中，由于沒(méi)有直射路徑，導(dǎo)致接收功率整體下降，繞射對(duì)信號(hào)接收功率影響較大。區(qū)域4的接收功率變化劇烈，這是因?yàn)樵诜且暰鄠鞑ブ卸鄺l反射、繞射、透射路徑相位差較大，相互疊加后會(huì)使接收功率降低。區(qū)域4的最大接收功率為-30.68 dBm，最小接收功率為-58.86 dBm，平均接收功率為-41.95 dBm。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真結(jié)果與已知文獻(xiàn)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比的一致性，驗(yàn)證了TD-UTD方法在研究室內(nèi)短距離環(huán)境超寬帶信號(hào)傳播特性時(shí)的正確性與有效性。在視距傳播環(huán)境中，直射路徑最先到達(dá)且在全部多徑信號(hào)中占絕大部分能量。在非視距傳播環(huán)境中，透射損耗較大，但繞射對(duì)信號(hào)接收功率影響較大，不能忽略。隨著接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的距離逐漸增大，路徑損耗也會(huì)增大，導(dǎo)致接收功率逐漸下降。這些結(jié)果為室內(nèi)超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的優(yōu)化提供了依據(jù)。但是在現(xiàn)實(shí)中還需要考慮一些情況，例如：室內(nèi)墻壁的粗糙度、實(shí)際測(cè)量中人體的阻擋對(duì)信道性能的影響，這將是下一步研究和努力的方向。

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Research on UWB Signal Multipath Propagation Characteristics Based on TD-UTD

LI Shuang-de，LIU Yuan-jian，ZHANG Xiao-jun

(College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The propagation characteristics of Ultra-WideBand (UWB) is the important part of UWB channel theory.The study of multipath propagation characteristics has considerable theoretical and practical interest.The multipath propagation characteristics of UWB signal in the complex indoor environment are studied based on the Time Domain Uniform Theory of Diffraction (TD-UTD).A comparison with measurements taken from the literature has been presented.The agreement between the measured results and simulated results proves the accuracy and validity of the method for the prediction of the propagation characteristics of the electromagnetic wave.Some propagation parameters are analyzed such as the path loss,electric field intensity,the distribution of received power and so on in terms of Line-Of-Sight (LOS) and Non-Line-Of-Sight (NLOS) environment.The simulated results indicate that the direction path is the first to arrive the receiving point and it is the strongest signal in LOS scenarios.Transmission loss is very high,however,diffraction is found to be a significant propagation mechanism in NLOS environment and cannot be ignored.These results provide the theoretical basis for wireless communication network coverage and optimization of UWB signal in indoor complex environment.

UWB signal;indoor environment;TD-UTD;propagation characteristics

2016-04-26

2016-08-02

時(shí)間：2017-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372045)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20123223120003)

李雙德(1990-)，男，博士研究生，通信作者，研究方向?yàn)槭覂?nèi)短距離超寬帶測(cè)量及其傳播特性。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.1019.056.html

TN011

A

1673-629X(2017)02-0151-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.034