【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 徑損耗指數(shù)（ dB） LOS 13 路徑損耗指數(shù)（ dB） NLOS 陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差（ dB） LOS 612 陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差（ dB） NLOS 612 衰落范圍（ dB） 5 25 UWB 信道模型的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì) 90 年代中期開(kāi)始，美國(guó)南加州大學(xué)的 、 等人率先開(kāi)始研究 UWB 脈沖在典型室內(nèi)環(huán)境中的傳播特征。 20xx 年， 、 等人首先提出了一種基于時(shí)域窄脈沖測(cè)量方法得到的統(tǒng)計(jì)抽頭延時(shí)線(xiàn)模型（ STDL） ，其時(shí)間分辨率為2ns，反映典型室內(nèi)環(huán)境 1GHz 頻段的信道傳播特征，多徑衰落服從納卡伽米 （ Nakagami）分布。 UWB 技術(shù)向民用領(lǐng)域的開(kāi)放極大地促進(jìn)了 UWB 信道測(cè)量和建模工作的開(kāi)展，測(cè)量頻率范圍延伸至 11GHz 甚至更高，測(cè)試環(huán)境涵蓋了家庭、辦公室、實(shí)驗(yàn)室、工廠(chǎng)等。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，先后提出了頻域自回歸 (AR)模型、 模型和修正的 SalehValenzuela （ SV） 模型等一系列反映 UWB 特征的多徑信道模型。 Intel 公司的 Jeff Foerster 等人根據(jù)2~8GHz 頻段測(cè)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(duì)數(shù)正態(tài)（ LogNormal） 分布。該模型被 IEEE 確定為 IEEE 的標(biāo)準(zhǔn)信道。但同時(shí) IEEE 也提出了 SV 模型是一個(gè)參考模型，它還不能代表所有的信道環(huán)境，因此還需要對(duì) UWB 信道模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究。為改進(jìn)現(xiàn)有超寬帶信道模型中存在的上述問(wèn)題，在美國(guó)南加州大學(xué)室內(nèi)時(shí)域?qū)崪y(cè)信道 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)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。 我國(guó) UWB 無(wú)線(xiàn)技術(shù)的研發(fā)尚處在起步階段，在信道測(cè)量及模型建立方面更是空白。國(guó)家自然科學(xué)基金和 “863”計(jì)劃己開(kāi)始支持這方面的研究和開(kāi)發(fā)工作，并已取得了初步進(jìn)展。我國(guó)應(yīng)該提出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 UWB 技術(shù)的理論和技術(shù)成果，以此為支撐制定自主 第 1 章 緒論 5 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，推動(dòng)我國(guó) UWB 產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，以便在激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得應(yīng)有的地位。 本章小結(jié) 本章主要對(duì)超寬帶技術(shù)的基本概念 進(jìn)行了介紹，并對(duì)超寬帶技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用做了闡述，比較了超寬帶技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)以及 IEEE 系列在傳輸速率等方面的性能，更體現(xiàn)出了超寬帶技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。其次，對(duì) 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(hào)的抗衰落特性。最后介紹了 UWB信道模型的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 第 2 章 UWB 信道的基本理論 6 第 二 章 ＵＷＢ 信道的基本理 論 由于超寬帶信號(hào)的射頻帶寬達(dá)到 GHz 量級(jí)，其信號(hào)傳播特性也與窄帶或?qū)拵нB續(xù)波信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)傳統(tǒng)連續(xù)波信號(hào)）有明顯不同，表現(xiàn)為： 第一 ，信道的時(shí)間分辨率達(dá)到納秒量級(jí)， 換算到空間域，相當(dāng)于信道可以分辨波程差為幾厘米的多徑分量。這使得多徑信號(hào)在時(shí)間軸上呈現(xiàn)所謂色散現(xiàn)象，而不會(huì)產(chǎn)生所謂的瑞利多徑衰落現(xiàn)象。 第二 ，超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在時(shí)域極為的短暫的時(shí)間（通常是納秒級(jí)）內(nèi)將信號(hào)能量輻射出去，這使得超寬帶信號(hào)表現(xiàn)為具有較強(qiáng)的穿透障礙物傳播能力。 由于超寬帶信號(hào)傳播所具有的上述兩個(gè)特殊性質(zhì)，使得對(duì)超寬帶信道的測(cè)量、數(shù)據(jù)處理分析以及信道建模均與傳統(tǒng)方法有所不同。 UWB 信號(hào)的傳播特性 超寬帶信號(hào)傳播的弱衰落性 在傳統(tǒng)基于連續(xù)波的窄帶或?qū)拵到y(tǒng)（信號(hào) 帶寬通常小于 20MHz）中，由于傳輸中信道的隨機(jī)調(diào)制特性，使接受多徑信號(hào)在幅度和相位上發(fā)生隨機(jī)的變化，接受端信號(hào)進(jìn)行相干疊加，這種疊加可以是建設(shè)性或破壞性的，從而導(dǎo)致信號(hào)的幅度產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，也就是所謂的多徑衰落。 在基于脈沖的超寬帶系統(tǒng)中，由于信號(hào)帶寬通常大于 500MHz，時(shí)域脈沖信號(hào)寬度在納秒級(jí)，所以通常基于脈沖的超寬帶系統(tǒng)的接受多徑信號(hào)是在時(shí)間軸上的分離排列的，即呈現(xiàn)所謂的色散現(xiàn)象。在室外傳輸環(huán)境中，多徑信號(hào)基本不會(huì)疊加；在室內(nèi)傳輸環(huán)境中，會(huì)有少量多徑信號(hào)疊加或完全不疊加。這就決定了基于脈沖的超寬帶系 統(tǒng)接收信號(hào)幅度不會(huì)由于大量具有隨機(jī)幅度和相位的多徑信號(hào)疊加而產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，即不會(huì)產(chǎn)生所謂的瑞利多徑衰落現(xiàn)象。 超寬帶信號(hào)的強(qiáng)透射性 在現(xiàn)有常用頻段（如微波頻段），傳統(tǒng)連續(xù)波信號(hào)受障礙物遮擋，信號(hào)衰減明顯，相應(yīng)的透射信號(hào)由于強(qiáng)度較弱，常被忽略。然而，超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在時(shí)域極為短暫的時(shí)間（通常是納秒量級(jí)）內(nèi)將信號(hào)輻射出去，使得超寬帶信號(hào)表現(xiàn)為具有較強(qiáng)的穿透障礙物傳播能力。 由于超寬帶信號(hào)所具有的較強(qiáng)的穿透障礙物傳播能力，使得其成為更加適合作為室內(nèi) 第 2 章 UWB 信道的基本理論 7 環(huán)境下，穿透多墻壁和多障礙物，在封閉多隔斷的有限空 間下實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線(xiàn)通信的信號(hào)形式。 信道測(cè)量技術(shù) 概述 獲得信道沖激響應(yīng)是研究信道傳播特性的核心問(wèn)題，這主要是由于： （ 1） 信道沖激響應(yīng)包含所有信道信息，輸入信號(hào)與信道沖激響應(yīng)的卷積就是經(jīng)過(guò)信道傳輸后的接收信號(hào)；（ 2） 由信道沖激響應(yīng)計(jì)算得出的各種統(tǒng)計(jì)量，如平均附加時(shí)延、 RMS（ Root Mean Square）時(shí)延擴(kuò)展、平均多徑數(shù)目、功率延遲分布等，不但能夠更好地了解在各種不同信道下信號(hào)的傳播特性，還可以用于優(yōu)化接收機(jī)的設(shè)計(jì)； （ 3） 在對(duì)實(shí)測(cè)信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、分析和建模的基礎(chǔ)上建立的數(shù) 學(xué)解析模型（即信道模型）可以對(duì)實(shí)際信道進(jìn)行模擬，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真或解析分析計(jì)算，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后的特性，繼而可以準(zhǔn)確分析接收機(jī)在相應(yīng)信道下的性能，提高接收機(jī)的設(shè)計(jì)效率。獲得信道沖激響應(yīng)最直接和準(zhǔn)確的途徑就是對(duì)實(shí)際信道進(jìn)行測(cè)量，因此可以說(shuō)信道測(cè)量是研究信道傳輸特性的基礎(chǔ)和著眼點(diǎn)。 當(dāng)前主要的信道測(cè)量方法共有三種： （ 1） 時(shí)域法。測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射端發(fā)射窄脈沖（納秒或亞納秒級(jí)），在接收端由抽樣示波器在時(shí)域?qū)邮招盘?hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)一定的后期處理就可以得到信道沖激響應(yīng)。 （ 2） 頻域法。測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射點(diǎn)掃頻信號(hào) 得到某一頻段上的信道的頻率響應(yīng)，經(jīng)傅里葉反變換可得到信道沖激響應(yīng)。 （ 3） 擴(kuò)頻法。測(cè)量系統(tǒng)利用 PN 序列調(diào)制發(fā)射載波，接手機(jī)采用一個(gè)寬帶混頻器和一個(gè)窄帶接收機(jī)通過(guò)對(duì) PN 序列的滑動(dòng)相關(guān)檢測(cè)信號(hào)。室內(nèi)傳輸環(huán)境（如辦公室、住宅），多徑信號(hào)的時(shí)延通常小于幾十納秒，擴(kuò)頻法限制了測(cè)量系統(tǒng)的帶寬，在室內(nèi)環(huán)境下很難分辨具有較小時(shí)延的多徑信號(hào)，所以當(dāng)前對(duì)室內(nèi)超寬帶信道基本都采用時(shí)域法或頻域法。 時(shí)域測(cè)量技術(shù) （ 1） 時(shí)域測(cè)量采用的設(shè)備 脈沖發(fā)生器、數(shù)字抽樣示波器、觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器、超寬帶天線(xiàn)（通常為 TEM 定向天線(xiàn)或雙錐 全向天線(xiàn)）、寬帶功放和寬帶低噪放等。 （ 2） 信道時(shí)域測(cè)量過(guò)程 發(fā)射端由脈沖發(fā)生器發(fā)射窄脈沖（納秒或亞納秒級(jí)），脈沖信號(hào)經(jīng)功率發(fā)大器、發(fā)射 第 2 章 UWB 信道的基本理論 8 天線(xiàn)后進(jìn)入信道，接收信號(hào)經(jīng)接收天線(xiàn)、低噪放后直接送數(shù)字抽樣示波器，并轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中。脈沖發(fā)生器和數(shù)字抽樣示波器均由觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)觸發(fā)。后期處理中使用的 Matlab 軟件利用 Clean 算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行去卷積，再通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)格式的處理就可以得到信道沖擊響應(yīng) )(th 。時(shí)域測(cè)量系統(tǒng) 及后期數(shù)據(jù)處理的具體過(guò)程如圖 21 所示。 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(xiàn)發(fā) 射 天 線(xiàn)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(duì) 應(yīng) 的 幅 度值實(shí) 測(cè) 信 道 沖 激 響 應(yīng) h ( t )觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器測(cè) 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(cè)量系統(tǒng)及后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程 （ 3）測(cè)量過(guò)程 室內(nèi)超寬帶信道測(cè)量宜采用入下的測(cè)量過(guò)程： ① 固定發(fā)射天線(xiàn)，移動(dòng)接收天線(xiàn)。把接收天線(xiàn)固定在環(huán)境中預(yù)制的待測(cè)量位置，把接收天線(xiàn)放置在一個(gè)可以自由移動(dòng)的支架上，這樣可以方便地改變接收天線(xiàn)的位置。 ② 路徑損耗特性測(cè)量。應(yīng)以發(fā)射天線(xiàn)為圓心，以距離間隔為 1m作同心圓，將接收天線(xiàn)放置在同心圓周的不同位置，如圖 12 所示，通過(guò)對(duì)不同同心圓上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可以給出室內(nèi)信道 路徑損耗特性，測(cè)量距離一般選擇在 1～ 15m的范圍內(nèi)。 第 2 章 UWB 信道的基本理論 9 ③ 多徑傳播特性的測(cè)量。每次選擇的同心圓上接收天線(xiàn)位置稱(chēng)為本地點(diǎn)，在一個(gè)本地點(diǎn)周?chē)囊粋€(gè)小區(qū)域內(nèi)再選擇若干測(cè)量點(diǎn)，這就構(gòu)成一個(gè)測(cè)量點(diǎn)矩陣。測(cè)量點(diǎn)矩陣的主要作用是為后期數(shù)據(jù)處理提供計(jì)算平均值（空域平均）所需的多次測(cè)量數(shù)據(jù)。 測(cè)量點(diǎn)矩陣可按圖 22 方式配置，例如每個(gè)本地點(diǎn)設(shè)置 7?7 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)間隔為15cm。測(cè)量點(diǎn)矩陣的形狀沒(méi)有特殊要求，也可以選擇圓陣，且測(cè)量點(diǎn)間隔一般要求大于測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)脈沖頻譜頻率最大值或平均值對(duì)應(yīng)的自由空間信號(hào)波長(zhǎng)。 圖 22 收發(fā)天線(xiàn)的位置配置圖 后期數(shù)據(jù)處理方法 —— Clean 算法 概述 在時(shí)域測(cè)量的后期處理數(shù)據(jù)中，普遍應(yīng)用 Clean 算法。 Clean 算法是一種時(shí)域去卷積方法。接收信號(hào)可以看作模板脈沖與信道沖擊響應(yīng)作卷積的計(jì)算結(jié)果， Clean 算法就是使用模板脈沖對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行去卷積，然后得到信道沖激響應(yīng)。 Clean 算法是一個(gè)迭代過(guò)程，按照多徑幅度從高到低的次序，每次只找到一條多徑，當(dāng)多徑幅度低于某個(gè)門(mén)限值時(shí)迭代過(guò)程截止，得到多徑分布結(jié)果就是信道沖激響應(yīng)。 后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程 設(shè)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號(hào)波形為 )(tp ，抽樣示波器得到的接收信號(hào)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(xiàn)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。 1m 90cm 90cm 實(shí)際測(cè)量位置 接收天線(xiàn)位置矩陣 發(fā)射天線(xiàn) 15cm 第 2 章 UWB 信道的基本理論