【正文】 14 第 三 章 超寬帶室內(nèi)信道模型 為評估各種 UWB 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。3。這一模型將時(shí)間長度劃分為許多長度為 ? 的微小時(shí)間段，在一個(gè)時(shí)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(dá)率。 第 3 章 超寬帶室內(nèi)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(chǔ)上，將兩態(tài)馬爾可夫模型和修正的泊松模型相結(jié)合。 第 3 章 超寬帶室內(nèi)信道模型 18 這個(gè)模型由五個(gè)參數(shù)描述： ? 狀態(tài) 1 的平均到達(dá)率 K 狀態(tài) 2 的平均到達(dá)率的縮放比例 ? 微小的時(shí)間間隔 ? 包絡(luò)指數(shù)衰減因數(shù) ? 對數(shù)正態(tài)分布路徑能量的標(biāo)準(zhǔn)方差 本章小結(jié) 在廣泛閱讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本章對超寬帶室內(nèi)小尺度信道模型進(jìn)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(dá)出早期到達(dá)的多徑成分居顯著地位的 UWB 室內(nèi) LOS 信道環(huán)境。 信道的沖激響應(yīng) 這種多徑傳輸可以方便的在數(shù)學(xué)上表示為信道的離散沖激響應(yīng)，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(shí)和發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離為變量的函數(shù) ； mT 是最小的可分辨時(shí)間 。相位在 )2,0[ ? 內(nèi)均勻分布。 lk,? 為第 l 個(gè)簇中第 k 個(gè)到達(dá)射線 的多徑增益，其相位為 ,kl? 。每一簇內(nèi)后續(xù)射線到達(dá)的時(shí)間也服從泊松分布，其具有固定到達(dá)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(chǎn)生新的特征。有時(shí)，式 （ ） 也可以表示多徑強(qiáng)度分布。之后又提出了修正的 K? 模型。如果第 1?k 個(gè)微小時(shí)間段 ? 內(nèi)處于狀態(tài) 1，且第 1?k 個(gè)微小時(shí)間段 ? 內(nèi)，有路徑到達(dá)，則在第 k 個(gè)微小時(shí)間段 ? 內(nèi)轉(zhuǎn)到狀態(tài) 2；在以后的若干個(gè)微小時(shí)間段 ? 內(nèi)將持續(xù)狀態(tài) 2，直到第 ik? 個(gè)微小時(shí)間段沒有路徑到達(dá)，狀態(tài)又轉(zhuǎn)回到狀態(tài) 1。 在泊松模型的基礎(chǔ)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(nèi) LOS 信道測量實(shí)驗(yàn)分析得出。經(jīng)過大量的測量，已經(jīng)建立了許多 UWB 信道模型，為進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。然而，當(dāng)門限下降到一點(diǎn)程度時(shí)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(yùn)算 )()()( _ tRatRtR ssMsrsrsr ??? （ 25） 并更新 )(tRsr ；尋找 )(tRsr 極大值，如此值大于門限則轉(zhuǎn)至步驟 （ 3） ，如小于門限則轉(zhuǎn)至步驟 （ 5） 。 Clean 算法的實(shí)現(xiàn) Clean 算法首先通過實(shí)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(jù)處理過程 設(shè)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(yùn)算， )(tTx 和 )(tRx 分別是發(fā)射和接收天線的時(shí)域沖激響應(yīng)， )(th 是信道沖激響應(yīng)， )(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(diǎn)，在一個(gè)本地點(diǎn)周圍的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)再選擇若干測量點(diǎn)，這就構(gòu)成一個(gè)測量點(diǎn)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(shí)域?qū)邮招盘栠M(jìn)行采樣，通過一定的后期處理就可以得到信道沖激響應(yīng)。在室外傳輸環(huán)境中，多徑信號基本不會疊加；在室內(nèi)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(guān)信道參數(shù)方面進(jìn)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(jù)2~8GHz 頻段測試數(shù)據(jù)提出的修正 SV 模型是最具代表性的 UWB 信道模型，其時(shí)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(jié)果。 第 1 章 緒論 3 圖 11 無線連接的桌面設(shè)備 （ 2）智能交通系統(tǒng)。 UWB 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與主要應(yīng)用 UWB 信號由于帶寬很寬和信號的持續(xù)時(shí)間為 ns 量級等特點(diǎn)，所以和其他通信技術(shù)相比較， UWB 技術(shù)有很 多的優(yōu)點(diǎn)。超寬帶技術(shù)出現(xiàn)之后的應(yīng)用長期僅限于軍事、災(zāi)害救援搜索、雷達(dá)定位及測距等領(lǐng)域。而室內(nèi) LOS 半確定模型（雙簇模型）在 LOS 環(huán)境下能夠很好的擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。保密的論文（設(shè)計(jì)）在解密后適用本規(guī)定。據(jù)我所知， 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。為保證 UWB 信號在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，必須要求我們?zhǔn)確掌握其信道特性，本文正是在此認(rèn)識上完成 UWB 室內(nèi)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(jù)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(shù)在民用領(lǐng)域的限制。 表 11 UWB 技術(shù)與其他通信技術(shù)的比較 傳輸速率（ Mbit/s） 功耗 （ mW） 傳輸距離 （ m） 頻段 （ GHz） 藍(lán)牙 ? 1 1100 100 11 200 100 54 40800 20 5 54 65 50 UWB ? 480 ? 1 ? 10 UWB 技術(shù)的主要應(yīng)用 如下： （ 1）短距離（ 10m以內(nèi)）高速無線多媒體智能局域網(wǎng)和個(gè)域網(wǎng)。用做安全通信、救援應(yīng)急通信、精確測距和定位、透地探測雷達(dá)、穿墻成像、和入侵檢測、醫(yī)用成像、貯藏罐內(nèi)容探測等。這充分反映了 UWB 信號的抗衰落特征。為改進(jìn)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(xué)室內(nèi)時(shí)域?qū)崪y信道 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過理論統(tǒng)計(jì)分析，對現(xiàn)有的 SV/IEEE 模型進(jìn)行了修正，提出了相應(yīng)的 LOS 和 NLOS 環(huán)境多徑傳播模型。這使得多徑信號在時(shí)間軸上呈現(xiàn)所謂色散現(xiàn)象，而不會產(chǎn)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(shí)域極為短暫的時(shí)間（通常是納秒量級）內(nèi)將信號輻射出去，使得超寬帶信號表現(xiàn)為具有較強(qiáng)的穿透障礙物傳播能力。 （ 3） 擴(kuò)頻法。 計(jì) 算 機(jī)（ 用 于 保 存 數(shù) 據(jù) ）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(shè) 置 時(shí) 間 零 點(diǎn)根 據(jù) 系 統(tǒng) 時(shí) 間 分辨 率 設(shè) 置 時(shí) 間 片寬 度 計(jì) 算 每 個(gè) 時(shí)間 片 對 應(yīng) 的 幅 度值實(shí) 測 信 道 沖 激 響 應(yīng) h ( t )觸發(fā)信號發(fā)生器測 量 系 統(tǒng)后 期 數(shù) 據(jù) 處 理（ 使 用 M a t l a b ）傳 輸 信 道 圖 21 時(shí)域測量系統(tǒng)及后期數(shù)據(jù)處理過程 （ 3）測量過程 室內(nèi)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(diǎn)矩陣的形狀沒有特殊要求，也可以選擇圓陣，且測量點(diǎn)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(yīng)的自由空間信號波長。利用模板信號與接收信號間的相關(guān)特性，提取時(shí)域?qū)崪y接收信號中的多徑分量，獲得信道沖激響應(yīng)。模板信號的獲取與實(shí)際測量的關(guān)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(gè)確定值 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 UWB 信道的基本理論。 因此，這個(gè)模型涉及三個(gè)參數(shù)為： 1． ? 平均路徑到達(dá)率 2． ? 衰減指數(shù) 3． ? 路徑幅度的標(biāo)準(zhǔn)方差 單一的泊松模型并沒有反應(yīng)出路徑成簇到達(dá)以及早期到達(dá)的路徑的能量居顯著地位的特征，但卻表達(dá)出了多徑到達(dá)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(diǎn)。 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(dá)率為 2? ，多徑到達(dá)時(shí)間為： ? ? Mkp kkkk ???? ?? ,)(e x p)/( 1221 ?????? （ ） 比較弱的多經(jīng)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(dá)的成批性。具體的數(shù)學(xué)表示如下： 狀態(tài) 1： !)( 111 keknpkk ?? ??? （ ） 狀態(tài) 2： !)( 22 keknp kkl?? ??? （ ） 其中， )( knp l ? 第 l 個(gè)微小時(shí)間段內(nèi)有 k 個(gè)路徑到達(dá)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(shí)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(jī)翻轉(zhuǎn)， 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(yīng)的時(shí)域脈沖波形的持續(xù)時(shí)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(dá)接收機(jī)，而是以簇 （ Cluster） 的形式，分成一簇一簇的到達(dá)。為了與在 UWB 測量實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)更吻合， IEEE 工作組對 SV 模型進(jìn)行了一些修改。令 1??? ll TT ，可得簇到達(dá)的時(shí)間間隔是獨(dú)立指數(shù)分布隨機(jī)變量： ? ? 0,)(e x p)/( 11 ?????? ?? lTTTTp llll （ ） 同理可得，在簇的先后到達(dá)多徑信號的時(shí)間 間隔概率密度為 ? ? 0,)(e x p)/( ),1(,),1(, ?????? ?? kp