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wideban）通信，也稱為超級帶寬通信，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,同時可以實現(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)時間非常短,為納秒、亞納秒量級。對于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,被認為適合于無線個域網(wǎng)的應(yīng)用。為評估各種超寬帶通信實現(xiàn)方案的性能以及標準化工作,通常需要根據(jù)其工作環(huán)境建立一個比較精確的信道模型。但由于超寬帶信號的特殊性,如持續(xù)時間納秒量級、很寬的帶寬等。因此它的信道特性會有一些與窄帶連續(xù)波通信系統(tǒng)不同的特點。但信道描述還是會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。信道模型對信道鏈路估算、傳播范圍的規(guī)劃和評估物理層方案都是必需的。多徑模型一般有統(tǒng)計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現(xiàn),以對系統(tǒng)性能進行仿真和評估。多徑模型通常包括的參數(shù)有:多徑到達時間,平均延遲擴展,最大延遲擴展,平均多徑強度模型,各徑幅度特性,信道時變特性,信道的線性或非線性作用造成的扭曲等。在Intel的模型中,主要對它的Saleh-Valenzula(S-V)模型進行描述,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。由于測量方法、測量環(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超寬帶信道較為深入的理解,也可以根據(jù)實際情況,參照這些模型對系統(tǒng)性能進行仿真和評估。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)到達的特點(其他的室內(nèi)無線信道的成簇現(xiàn)象在文獻里也可以看到),而在每簇中又有不同的徑,各徑同樣受到不同的衰減,Intel的測量數(shù)據(jù)充分體現(xiàn)了這個特點。正是基于這些特點,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,這里主要簡單介紹S-V模型。S-V模型使用兩個泊松(Poisson)過程(雙指數(shù)模型),第一個泊松過程描述簇的到達而第二個描述每個簇里徑的到達。定義:Tl——第l簇里的到達時間;τk,l——第l簇里的第k徑相對于第一徑的延遲;Λ——簇的到達率;λ——徑的到達率。顯然有τ0l=Tl.簇和徑的到達時間為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)超寬帶多徑信號成簇到達的特點,Intel還提出了一個與S-V模型很相近的改進信道模型,該信道各徑的幅度服從對數(shù)正態(tài)分布,能更好擬合測量結(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簇的到達時間;τk,l——第k徑相對于Tl的延遲;L——多徑信道的簇數(shù);K——每簇中的徑數(shù);δ(t)——Deracdelat函數(shù)。改進后的信道模型與Intel的測量數(shù)據(jù)能很好的擬合。測量數(shù)據(jù)包括LOS和NLOS信道,天線距離1～20m,而且驗證結(jié)果表明,由此模型產(chǎn)生的信道實現(xiàn)的平均延遲、均方根(RMS)延遲和平均路徑數(shù)目均與實際測量數(shù)目吻合的很好。圖3是根據(jù)Intel信道模型所產(chǎn)生的一個信道實現(xiàn)。3los多徑信道模型AT&T實驗室對室內(nèi)UWB信道進行了掃頻測量試驗,其中心頻率為5GHz,總帶寬1.25GHz.在1.25GHz的頻帶上共有401個測量點,相鄰兩個頻點間的頻差為3.125MHz,發(fā)射的探測信號周期為400ms.測試房間有23個,共712個點,發(fā)射和接受天線相距1～5m之間。在每個測量點,同時記錄兩個相距38英寸的接受天線收到的信號,記錄長度為2min,試驗中還進行了穿透1～4層墻壁的試驗。共得到1.25GHz處300,000個復(fù)頻率響應(yīng)數(shù)值。對測量得到的復(fù)頻率響應(yīng)進行離散傅立葉變換(IDFT)就可以得到超寬帶信道的時域脈沖響應(yīng)。通過對測量數(shù)據(jù)的分析,AT&T得出了如下一些重要結(jié)論:(1)對于LOS情形,包括一個時延為τ0的很強的徑,然后是一段快速下降的區(qū)域,接著是一個隨著τ指數(shù)下降的區(qū)域。這說明對于這種情況下,信道包括一個處在τ=0處的Deracdelta函數(shù)和一個隨著τ指數(shù)下降的區(qū)域。(2)最先到達的幾個徑并不總是最強的。一般的,首先是幾個比較弱的徑,隨后是一個短的的低谷,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,其標準差各為2.3ns和3.5ns.在LOS和NLOS情形下,τRMS各呈d0.27和d0.4的增長趨勢。(3)對23個房子的平均τRMS和平均路徑損耗的分析表明,當(dāng)平均路徑損耗增大時,τRMS的均值也跟著增大。這主要是因為τRMS值主要是由時延大、損耗大的路徑?jīng)Q定的。通過對數(shù)據(jù)的進一步分析,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,這兩個參數(shù)都是在對數(shù)尺度上進行最小均方回歸而得到的。根據(jù)實測數(shù)據(jù),有關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計特性為: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,其標準差以dB為單位時服從正態(tài)分布N(6.86,0.923)dB.NLOS多徑信道通常比較弱,時延較長,其強度具有指數(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,認為第一徑是最強的徑。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。通過對測量數(shù)據(jù)進行最小均方擬合分析,發(fā)現(xiàn)路徑損耗(PL)和路徑長度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,方括號里的部分是對路徑損耗的最后擬合,即選擇PL0和γ使得樣本均方誤差SˉˉSˉ2達到最小,S是上述回歸的剩余項,在信道模型中假設(shè)它是一個Gaussian隨機變量,均值為0,標準差為σdB.4其他公司的研究超寬帶信道模型約有9種,各個模型存在較大的差別,但幾乎所有測試結(jié)果都表