【正文】 14 第 三 章 超寬帶室內信道模型 為評估各種 UWB 通信實現(xiàn)方案的性能以及標準化工作，通常需要根據其工作環(huán)境建立一個比較精確的信道模型。3。這一模型將時間長度劃分為許多長度為 ? 的微小時間段，在一個時間片中的徑的數(shù)目 v 的平均值為 ???][vE ，其中 ? 稱為這一泊松過程的到達率。 第 3 章 超寬帶室內信道模型 17 修正的 K?? 模型 修正的 K?? 模型是在 K?? 模型的基礎上，將兩態(tài)馬爾可夫模型和修正的泊松模型相結合。 第 3 章 超寬帶室內信道模型 18 這個模型由五個參數(shù)描述： ? 狀態(tài) 1 的平均到達率 K 狀態(tài) 2 的平均到達率的縮放比例 ? 微小的時間間隔 ? 包絡指數(shù)衰減因數(shù) ? 對數(shù)正態(tài)分布路徑能量的標準方差 本章小結 在廣泛閱讀相關文獻的基礎上，本章對超寬帶室內小尺度信道模型進行了詳盡的介紹，從最開始的單一的泊松模型到修正的泊松模型，相對單一的泊松模型而言，修正的泊松模型能更好的表達出早期到達的多徑成分居顯著地位的 UWB 室內 LOS 信道環(huán)境。 信道的沖激響應 這種多徑傳輸可以方便的在數(shù)學上表示為信道的離散沖激響應，如下式 ??? ??10 )()(Ll ml lTtth ?? （ ） 其中 ， l? 是路徑 l 的幅度衰減因子，它是以傳輸延時和發(fā)射機和接收機之間距離為變量的函數(shù) ； mT 是最小的可分辨時間 。相位在 )2,0[ ? 內均勻分布。 lk,? 為第 l 個簇中第 k 個到達射線 的多徑增益，其相位為 ,kl? 。每一簇內后續(xù)射線到達的時間也服從泊松分布，其具有固定到達率 ? （常數(shù)）。相對于傳統(tǒng)的無線信道模型， UWB 比較寬的帶寬能夠產生新的特征。有時，式 （ ） 也可以表示多徑強度分布。之后又提出了修正的 K? 模型。如果第 1?k 個微小時間段 ? 內處于狀態(tài) 1，且第 1?k 個微小時間段 ? 內，有路徑到達，則在第 k 個微小時間段 ? 內轉到狀態(tài) 2；在以后的若干個微小時間段 ? 內將持續(xù)狀態(tài) 2，直到第 ik? 個微小時間段沒有路徑到達，狀態(tài)又轉回到狀態(tài) 1。 在泊松模型的基礎上， Suzuki 提出了 K?? 模型，可以更好的描述多徑成簇分布的現(xiàn)象。這些特性可從許多室內 LOS 信道測量實驗分析得出。經過大量的測量，已經建立了許多 UWB 信道模型，為進行系統(tǒng)設計提供了重要依據。然而，當門限下降到一點程度時會出現(xiàn)主要多徑前 20ns 的區(qū)域出現(xiàn)小增益多徑信號。 （ 4） 在 Msr_? 位置做如下運算 )()()( _ tRatRtR ssMsrsrsr ??? （ 25） 并更新 )(tRsr ；尋找 )(tRsr 極大值，如此值大于門限則轉至步驟 （ 3） ，如小于門限則轉至步驟 （ 5） 。 Clean 算法的實現(xiàn) Clean 算法首先通過實測的方法， 獲得 模板信號 )(ts 為 )()()()()( tntRthtTts xx ???? （ ） 其中， )(tn 是模板測量中的加性高斯白噪聲。 后期數(shù)據處理過程 設脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號波形為 )(tp ，抽樣示波器得到的接收信號波形 為 )()()()()()( tntRthtTtptr xx ????? （ ） 其中， ? 代表卷積運算， )(tTx 和 )(tRx 分別是發(fā)射和接收天線的時域沖激響應， )(th 是信道沖激響應， )(tn 是 加性高斯白噪聲。每次選擇的同心圓上接收天線位置稱為本地點，在一個本地點周圍的一個小區(qū)域內再選擇若干測量點，這就構成一個測量點矩陣。脈沖發(fā)生器和數(shù)字抽樣示波器均由觸發(fā)信號發(fā)生器發(fā)出的信號觸發(fā)。測量系統(tǒng)發(fā)射端發(fā)射窄脈沖（納秒或亞納秒級），在接收端由抽樣示波器在時域對接收信號進行采樣，通過一定的后期處理就可以得到信道沖激響應。在室外傳輸環(huán)境中，多徑信號基本不會疊加；在室內傳輸環(huán)境中，會有少量多徑信號疊加或完全不疊加。其次，對 UWB 信道與傳統(tǒng)窄帶信道在相關信道參數(shù)方面進行了比較，充分反映了超寬帶信號的抗衰落特性。 Intel 公司的 Jeff Foerster 等人根據2~8GHz 頻段測試數(shù)據提出的修正 SV 模型是最具代表性的 UWB 信道模型，其時間分辨率為 ，多徑衰落分布服從對數(shù)正態(tài)（ LogNormal） 分布。下表 12 中列出了典型的超寬帶信道與傳統(tǒng)窄帶信道參數(shù)的比較結果。 第 1 章 緒論 3 圖 11 無線連接的桌面設備 （ 2）智能交通系統(tǒng)。 UWB 技術的優(yōu)點與主要應用 UWB 信號由于帶寬很寬和信號的持續(xù)時間為 ns 量級等特點，所以和其他通信技術相比較， UWB 技術有很 多的優(yōu)點。超寬帶技術出現(xiàn)之后的應用長期僅限于軍事、災害救援搜索、雷達定位及測距等領域。而室內 LOS 半確定模型（雙簇模型）在 LOS 環(huán)境下能夠很好的擬合實驗數(shù)據。保密的論文（設計）在解密后適用本規(guī)定。據我所知， 除文中已經注明引用的內容外，本論文（設計）不包含其他個人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。為保證 UWB 信號在室內復雜環(huán)境傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，必須要求我們準確掌握其信道特性，本文正是在此認識上完成 UWB 室內信道模型的研究和 MATLAB 仿真分析。然而，人們對無線通信系統(tǒng)的要求仍在不斷提高，希望其提供的數(shù)據傳輸速率更高、成本更低、功耗更小。 20xx 年，美國聯(lián)邦通信委員會 （ FCC） 發(fā)布了超寬帶無線通信的初步規(guī)范，正式解除了超寬帶技術在民用領域的限制。 表 11 UWB 技術與其他通信技術的比較 傳輸速率（ Mbit/s） 功耗 （ mW） 傳輸距離 （ m） 頻段 （ GHz） 藍牙 ? 1 1100 100 11 200 100 54 40800 20 5 54 65 50 UWB ? 480 ? 1 ? 10 UWB 技術的主要應用 如下： （ 1）短距離（ 10m以內）高速無線多媒體智能局域網和個域網。用做安全通信、救援應急通信、精確測距和定位、透地探測雷達、穿墻成像、和入侵檢測、醫(yī)用成像、貯藏罐內容探測等。這充分反映了 UWB 信號的抗衰落特征。為改進現(xiàn)有超寬帶信道模型中存在的上述問題，在美國南加州大學室內時域實測信道 數(shù)據的基礎上，通過理論統(tǒng)計分析，對現(xiàn)有的 SV/IEEE 模型進行了修正，提出了相應的 LOS 和 NLOS 環(huán)境多徑傳播模型。這使得多徑信號在時間軸上呈現(xiàn)所謂色散現(xiàn)象，而不會產生所謂的瑞利多徑衰落現(xiàn)象。然而，超寬帶無線通信系統(tǒng)在時域極為短暫的時間（通常是納秒量級）內將信號輻射出去，使得超寬帶信號表現(xiàn)為具有較強的穿透障礙物傳播能力。 （ 3） 擴頻法。 計 算 機（ 用 于 保 存 數(shù) 據 ）數(shù) 字 抽 樣示 波 器低 噪 放接 收 天 線發(fā) 射 天 線功 放脈 沖 發(fā) 生 器利 用 C l e a n 算 法去 卷 積設 置 時 間 零 點根 據 系 統(tǒng) 時 間 分辨 率 設 置 時 間 片寬 度 計 算 每 個 時間 片 對 應 的 幅 度值實 測 信 道 沖 激 響 應 h ( t )觸發(fā)信號發(fā)生器測 量 系 統(tǒng)后 期 數(shù) 據 處 理（ 使 用 M a t l a b ）傳 輸 信 道 圖 21 時域測量系統(tǒng)及后期數(shù)據處理過程 （ 3）測量過程 室內超寬帶信道測量宜采用入下的測量過程： ① 固定發(fā)射天線，移動接收天線。測量點矩陣的形狀沒有特殊要求，也可以選擇圓陣，且測量點間隔一般要求大于測量系統(tǒng)發(fā)射信號脈沖頻譜頻率最大值或平均值對應的自由空間信號波長。利用模板信號與接收信號間的相關特性，提取時域實測接收信號中的多徑分量，獲得信道沖激響應。模板信號的獲取與實際測量的關系如圖 23 所示。 門限通常分為 絕對門限和相對門限兩類， 絕對門限 由測量系統(tǒng)噪聲決定，定義為測量系統(tǒng)噪聲以上的某個確定值 。 本章小結 本章主要介紹了 UWB 信道的基本理論。 因此，這個模型涉及三個參數(shù)為： 1． ? 平均路徑到達率 2． ? 衰減指數(shù) 3． ? 路徑幅度的標準方差 單一的泊松模型并沒有反應出路徑成簇到達以及早期到達的路徑的能量居顯著地位的特征，但卻表達出了多徑到達的次數(shù)服從泊松分布和多徑增益服從對數(shù)正態(tài)分布的特點。 隨后到來的比較弱的多徑成份也遵循指數(shù)分布，但是它們的平均到達率為 2? ，多徑到達時間為： ? ? Mkp kkkk ???? ?? ,)(e x p)/( 1221 ?????? （ ） 比較弱的多經成份的平均能量分布服從參數(shù)為 ? 的傳統(tǒng)指 數(shù)衰落分布，這一組多徑成份第一徑的平均能量 WdB 比居顯著地位的多徑的平均能量要弱，緊隨其后到來的多徑成份也要以其為參考。這里 K 表示的是路徑到達的成批性。具體的數(shù)學表示如下： 狀態(tài) 1： !)( 111 keknpkk ?? ??? （ ） 狀態(tài) 2： !)( 22 keknp kkl?? ??? （ ） 其中， )( knp l ? 第 l 個微小時間段內有 k 個路徑到達的概率 ?? cT dtt)(11 ?? 狀態(tài) 1 的泊松參數(shù) （ ） 111 )( ??? KdttcT?? ? 狀態(tài) 2 的泊松參數(shù) （ ） 多徑的幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，隨時間延遲呈指數(shù)衰減，表示為： 20/)( ,10 kk Xkk P ??? ?? （ ） 其中： 20 )10ln (10ln /)(10)ln (10 220 ???? ???? kk （ ） ),0( 21, ?? NX k ? （ ） 式中： kP 信號隨機翻轉， 1??kp 是等概率發(fā)生的。 由于超寬帶信號帶寬通常大于 500MHz，其對應的時域脈沖波形的持續(xù)時間在納秒級，因此超寬帶信道的多徑分辨率通常在納秒級。 SV 模型的物理描述如下：多徑信道不是按著固定的速率均勻到達接收機，而是以簇 （ Cluster） 的形式，分成一簇一簇的到達。為了與在 UWB 測量實驗中得到的數(shù)據更吻合， IEEE 工作組對 SV 模型進行了一些修改。令 1??? ll TT ，可得簇到達的時間間隔是獨立指數(shù)分布隨機變量： ? ? 0,)(e x p)/( 11 ?????? ?? lTTTTp llll （ ） 同理可得，在簇的先后到達多徑信號的時間 間隔概率密度為 ? ? 0,)(e x p)/( ),1(,),1(, ?????? ?? kp