超寬帶通信的信道模型研究

超寬帶通信的信道模型研究

uwb的主要作用uwb（超級(jí)wideban）通信，也稱為超級(jí)帶寬通信，是一種使用非常寬的頻帶來接收數(shù)據(jù)的技術(shù)。它的最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以超過每秒100Mbit,甚至千兆比特,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)低功耗。高傳輸速度依賴于寬頻帶,UWB使用幾千兆赫茲帶寬;而低功耗的原因在于可以使用簡(jiǎn)單的傳輸方式,即脈沖位置調(diào)制的方式來收發(fā)數(shù)據(jù);超寬帶脈沖持續(xù)時(shí)間非常短,為納秒、亞納秒量級(jí)。對(duì)于UWB,人們寄希望于兩大用途:一是近距離的高速無線傳輸,二是雷達(dá)用途。本文主要就UWB在近距離通信特別是室內(nèi)通信信道模型進(jìn)行敘述。1多徑模型的基礎(chǔ)目前UWB通信在業(yè)界已經(jīng)成為研究熱點(diǎn),被認(rèn)為適合于無線個(gè)域網(wǎng)的應(yīng)用。為評(píng)估各種超寬帶通信實(shí)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(gè)比較精確的信道模型。但由于超寬帶信號(hào)的特殊性,如持續(xù)時(shí)間納秒量級(jí)、很寬的帶寬等。因此它的信道特性會(huì)有一些與窄帶連續(xù)波通信系統(tǒng)不同的特點(diǎn)。但信道描述還是會(huì)借鑒原有這方面的概念。在這里主要考慮的信道模型是路徑損耗模型和多徑模型。路徑損耗模型包括穿透障礙損耗、視距(LOS:Lion-Of-Sigh)和非視距(NLOS:None-Line-Of-Sight)傳播損耗。信道模型對(duì)信道鏈路估算、傳播范圍的規(guī)劃和評(píng)估物理層方案都是必需的。多徑模型一般有統(tǒng)計(jì)模型和確定性模型兩種,根據(jù)這類模型可以生成具體的信道實(shí)現(xiàn),以對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真和評(píng)估。多徑模型通常包括的參數(shù)有:多徑到達(dá)時(shí)間,平均延遲擴(kuò)展,最大延遲擴(kuò)展,平均多徑強(qiáng)度模型,各徑幅度特性,信道時(shí)變特性,信道的線性或非線性作用造成的扭曲等。在Intel的模型中,主要對(duì)它的Saleh-Valenzula(S-V)模型進(jìn)行描述,其中包括信道的脈沖響應(yīng),也即多徑模型;而AT&T提出的模型中給出了損耗模型和多徑模型。由于測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境以及建模方法等的差異。他們各自所建立的信道模型也就存在較大差異。通過這些模型可以得到對(duì)超寬帶信道較為深入的理解,也可以根據(jù)實(shí)際情況,參照這些模型對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真和評(píng)估。2雙指數(shù)模型的原理Intel的室內(nèi)模型中給出了UWB多徑成簇(cluster)到達(dá)的特點(diǎn)(其他的室內(nèi)無線信道的成簇現(xiàn)象在文獻(xiàn)里也可以看到),而在每簇中又有不同的徑,各徑同樣受到不同的衰減,Intel的測(cè)量數(shù)據(jù)充分體現(xiàn)了這個(gè)特點(diǎn)。正是基于這些特點(diǎn),Intel模型采用了雙指數(shù)模型,它具有充分的靈活性,可以較好的描述LOS和NLOS信道。在Intel信道模型中有Saleh-Valenzula(S-V)模型和△-K模型等,這里主要簡(jiǎn)單介紹S-V模型。S-V模型使用兩個(gè)泊松(Poisson)過程(雙指數(shù)模型),第一個(gè)泊松過程描述簇的到達(dá)而第二個(gè)描述每個(gè)簇里徑的到達(dá)。定義:Tl——第l簇里的到達(dá)時(shí)間;τk,l——第l簇里的第k徑相對(duì)于第一徑的延遲;Λ——簇的到達(dá)率;λ——徑的到達(dá)率。顯然有τ0l=Tl.簇和徑的到達(dá)時(shí)間為p(Tl|Tl?1)=Λexp[?Λ(Tl?Tl?1)]?l>0?p(τk,l|τ(k?1),l)=λexp[?λ(τk,l?τ(k?1)?l)]?k>0?(1)p(Τl|Τl-1)=Λexp[-Λ(Τl-Τl-1)]?l>0?p(τk,l|τ(k-1),l)=λexp[-λ(τk,l-τ(k-1)?l)]?k>0?(1)其中第l簇里第k徑的幅度為βk,l,它服從瑞利(Rayleigh)分布。相應(yīng)的信道脈沖響應(yīng)如圖1所示,雙指數(shù)模型如圖2所示。根據(jù)超寬帶多徑信號(hào)成簇到達(dá)的特點(diǎn),Intel還提出了一個(gè)與S-V模型很相近的改進(jìn)信道模型,該信道各徑的幅度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,能更好擬合測(cè)量結(jié)果,路徑損耗模型采用窄帶系統(tǒng)自由空間的傳播模型,多徑信道的脈沖響應(yīng)為h(t)=∑l=0L∑k=0Kαk,lδ(t?Tl?τk,l)?(2)h(t)=∑l=0L∑k=0Καk,lδ(t-Τl-τk,l)?(2)式中αk,l——多徑的增益系數(shù);Tl——第l簇的到達(dá)時(shí)間;τk,l——第k徑相對(duì)于Tl的延遲;L——多徑信道的簇?cái)?shù);K——每簇中的徑數(shù);δ(t)——Deracdelat函數(shù)。改進(jìn)后的信道模型與Intel的測(cè)量數(shù)據(jù)能很好的擬合。測(cè)量數(shù)據(jù)包括LOS和NLOS信道,天線距離1～20m,而且驗(yàn)證結(jié)果表明,由此模型產(chǎn)生的信道實(shí)現(xiàn)的平均延遲、均方根(RMS)延遲和平均路徑數(shù)目均與實(shí)際測(cè)量數(shù)目吻合的很好。圖3是根據(jù)Intel信道模型所產(chǎn)生的一個(gè)信道實(shí)現(xiàn)。3los多徑信道模型AT&T實(shí)驗(yàn)室對(duì)室內(nèi)UWB信道進(jìn)行了掃頻測(cè)量試驗(yàn),其中心頻率為5GHz,總帶寬1.25GHz.在1.25GHz的頻帶上共有401個(gè)測(cè)量點(diǎn),相鄰兩個(gè)頻點(diǎn)間的頻差為3.125MHz,發(fā)射的探測(cè)信號(hào)周期為400ms.測(cè)試房間有23個(gè),共712個(gè)點(diǎn),發(fā)射和接受天線相距1～5m之間。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn),同時(shí)記錄兩個(gè)相距38英寸的接受天線收到的信號(hào),記錄長(zhǎng)度為2min,試驗(yàn)中還進(jìn)行了穿透1～4層墻壁的試驗(yàn)。共得到1.25GHz處300,000個(gè)復(fù)頻率響應(yīng)數(shù)值。對(duì)測(cè)量得到的復(fù)頻率響應(yīng)進(jìn)行離散傅立葉變換(IDFT)就可以得到超寬帶信道的時(shí)域脈沖響應(yīng)。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析,AT&T得出了如下一些重要結(jié)論:(1)對(duì)于LOS情形,包括一個(gè)時(shí)延為τ0的很強(qiáng)的徑,然后是一段快速下降的區(qū)域,接著是一個(gè)隨著τ指數(shù)下降的區(qū)域。這說明對(duì)于這種情況下,信道包括一個(gè)處在τ=0處的Deracdelta函數(shù)和一個(gè)隨著τ指數(shù)下降的區(qū)域。(2)最先到達(dá)的幾個(gè)徑并不總是最強(qiáng)的。一般的,首先是幾個(gè)比較弱的徑,隨后是一個(gè)短的的低谷,接著是一段隨著τ指數(shù)下降的區(qū)域。均方根延遲τRMS和平均延遲τm為正態(tài)分布變量。均值為4.7ns和8.5ns,在LSO和NLOS情形下,其標(biāo)準(zhǔn)差各為2.3ns和3.5ns.在LOS和NLOS情形下,τRMS各呈d0.27和d0.4的增長(zhǎng)趨勢(shì)。(3)對(duì)23個(gè)房子的平均τRMS和平均路徑損耗的分析表明,當(dāng)平均路徑損耗增大時(shí),τRMS的均值也跟著增大。這主要是因?yàn)棣覴MS值主要是由時(shí)延大、損耗大的路徑?jīng)Q定的。通過對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析,LOS多徑信道模型為P|dB={0,τ=0(C+ατ+S)μ(τ?0.8ns),τ>0,(3)Ρ|dB={0,τ=0(C+ατ+S)μ(τ-0.8ns),τ>0,(3)C為均值,α為均斜率,這兩個(gè)參數(shù)都是在對(duì)數(shù)尺度上進(jìn)行最小均方回歸而得到的。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),有關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性為:C服從正態(tài)分布N(-6.38,1.98)dB,α服從正態(tài)分布N(6.86,0.923)dB,S的均值大約為-0.41,其標(biāo)準(zhǔn)差以dB為單位時(shí)服從正態(tài)分布N(6.86,0.923)dB.NLOS多徑信道通常比較弱,時(shí)延較長(zhǎng),其強(qiáng)度具有指數(shù)下降的規(guī)律,其模型為Prel()|dB=ατ+S,Ρrel()|dB=ατ+S,其中α為分貝-延遲常數(shù),在這種情形下,認(rèn)為第一徑是最強(qiáng)的徑。路徑損耗模型為PL(d)=GrGlGt/Pˉˉˉr=(1/MN)∑l=1N∑l=1N|H(fi,tj;d)|2,(4)ΡL(d)=GrGlGt/Ρˉr=(1/ΜΝ)∑l=1Ν∑l=1Ν|Η(fi,tj;d)|2,(4)其中PˉˉˉΡˉr為平均接受功率,Pt為發(fā)射功率。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小均方擬合分析,發(fā)現(xiàn)路徑損耗(PL)和路徑長(zhǎng)度d之間的典型關(guān)系為PL(d)=[PL0+10γlog10(d/d0)]+S?d>d0(5)ΡL(d)=[ΡL0+10γlog10(d/d0)]+S?d>d0(5)其中d0是參照距離為1m,方括號(hào)里的部分是對(duì)路徑損耗的最后擬合,即選擇PL0和γ使得樣本均方誤差SˉˉSˉ2達(dá)到最小,S是上述回歸的剩余項(xiàng),在信道模型中假設(shè)它是一個(gè)Gaussian隨機(jī)變量,均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為σdB.4其他公司的研究超寬帶信道模型約有9種,各個(gè)模型存在較大的差別,但幾乎所有測(cè)試結(jié)果都表