（通信与信息系统专业论文）超宽带（uwb）室内信道建模研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 超宽带( u w b ) 技术具有传输速率高、系统容量大、抗多径干扰能力强、 功耗和成本低等优点，己逐渐成为无线通信领域研究开发的一个热点，并被 视为下一代无线通信的关键技术之一。 本文主要致力于u w b 室内信道模型研究。针对u w b 室内信道的特点， 分析了现有的各种u w b 室内信道模型，对每一个信道模型进行了基于 m a t l a b 软件的仿真，并且与南加州大学u w b 实验室实际信道测量得出的信 道指标进行了比较分析，同时根据u w b 室内视距信号( l o s ) 传播环境下的 信道的特点，设计了一种u w b 室内l o s 环境下的信道模型。 本文的研究的主要内容： ( 1 ) 分别研究了各种u w b 室内信道模型，对u w b 多径传播特性进行 了分析。从理论上说明了s v 模型能够较好的表征u w b 多径信道的原因。 ( 2 ) 对目前u w b 室内信道研究领域常见的几种信道模型进行了仿真， 分析了各种模型的优缺点。仿真结果表明s v 模型和i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准模 型能够较好的拟合室内n l o s 信道环境，在平均时延、均方根时延、有效多 径数目等信道指标上都能够较好的拟合南加州大学u w b 实验室的实测数 据，但对室内l o s 信道环境的性能尚显不足。而s v 模型的改进型即两簇模 型在两种信道环境下都能够很好的拟合实测数据。 ( 3 ) 提出了一种基于两簇模型和修正泊松模型的u w b 室内l o s 信道模 型。模型的信道冲激响应具有两个确定的簇，每个簇内具有随机到达的多径 射线。模型将多径增益分为能量较强和能量较弱两部分，在u w b 室内l o s 环境的小尺度多径特性上比s v 模型更好的拟合了u w b 室内l o s 环境测量 数据。 关键词：超宽带；u w b ；信道模型；信道建模 堕玺鎏三誊盔主堡圭兰垒鎏銮 a b s t r a c t f o rt h ea d v a n t a g eo fh i 曲t r a n s i m i s s i o ns p e e d ，g r e a t s y s t e ms t o r a g e ， e x c e l l e n tm u l t i p a t hi m m u n i t yc a p a c i t y , l i m i tp o w e rw a s t a g ea n dl o wc o s l u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a sb e c a m eah o t s p o tg r a d u a l l yi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c ha n dw a sc o n s i d e r e dak e yt e c h n o l o g yo fn e x tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ng e n e r a t i o n t 1 1 i sd i s s e r t a t i o nh a sb e e no ns t u d y i n gt h er e a e a r c ho fu w bi n d o o rc h a n n e l m o d e l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i z a t i o n ，a u t h o rp r e s e n t ss o m en e wi n d o o r c h a n n e lm o d e la n da n a l y z ea n ds i m u l a t et h ew h o l ei n d o o rm o d e l i n gi ne x i s t e n c e a n dc o m p a r ew i t l lt h ed a t ao fm e a s u r e m e n t a tt h es a l t l et i m e a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i z a t i o no fu w bi n d o o rl i g h to fs i g h t ( l o s ) ，a u t h o rd e s i g nan e wu w b i n d o o rl o sc h a n n e lm o d e l t h er e s u l t so f s t u d ya n dm a i ni d e ai nt h ep a p e ra l eg i v e na sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d y i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r a t i o no f t h ew h o l eu w b ，t h er e s u l t i n d i c a t es - vm o d e lc a na c q u i tt h eu w b m u l t i p a t hs p e c i a l i t y ( 2 ) a u t h o rs i m u l a t es e v e r a lu w b i n d o o rm o d e li ne x i s t e n c ea n dg i v et h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fa l lm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t es - v m o d e la n di e e e8 0 2 1 5 3 ac a nb e t t e ri n c a r n a t et h en l o sc h a n n e le n v i r o n m e n t o nt h eh a n do f t h e a v e r a g et i m ed e l a y , t h er m sa n dt h ea m o u n to f m u l t i p a t h ，b u t t h ep e r f o r m a n c eo f i n d o o rl o sc h a n n e le n v i r o n m e n tw a sd e f i c i e n c y ( 3 ) s u g g e s tam o d e lb a s e do nt h es - vm o d e l ，t h ec h a n n e li m p u l s eh a st w o c l u s t e r , t h em u t i p a t hh a sr a n d a ma r r i v a lp r o b a b i l i t y , t h em o d e ld i f f e r e n t i a t e b e t w e e nt h es t r o n gp o w e ra n dt h ei n f i r m n e s sp o w e r 1 1 1 em o d e lc a l lf o r e c a s tt h e i n d o o rl o se n v i r o n m e n ti nt h es m a l ls c a l ec h a n n e 】m o d e l k e yw o r d s ：u l t r a w i d e b a n d ；u w b ；c h a n n e lm o d e l ；c h a n n e lm o d e l i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 日期： 签字) ；壅丝 凸年弓月孑日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可 利用的频谱资源日趋饱和。然而，人们对无线通信系统的要求仍在不断提高， 希望其提供的数据传输速率更高、成本更低、功耗更小。在这样的背景下， 超宽带( u w b ，u i t r a - w i d e b a n d ) 技术引起了人们的重视，己逐渐成为无线通 信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 由于u w b 技术的种种优点，u w b 技术通信系统获得了业界、媒体与学术界 的极大重视，使其成为无线个人局域网络w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 的主要技术之一。 1 1u w b 技术概述 u w b 技术的出现可以追溯到上个世纪6 0 年代，其最初应用在军事雷达 系统。早期的u w b 系统利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信，所以 又称为基带、无载波或脉冲无线电系统。直到1 9 8 9 年美国国防部才使用“超 宽带”这一术语。2 0 0 2 年2 月1 4 日，这项无线技术首次获得了美国联邦通 信委员会( f c c ) 的批准用于民用通信，正式将3 1 1 0 6 g h z 频带以有限功 率向作为室内通信用途的u w b 开放，从而引起了世界各国的广泛关注。 根据最新的美国联邦通讯委员会( f c c ) 的定义【1 1 ，u w b 系统的中心频率 大于2 5 g h z ，并具备至少5 0 0 m h z 的1 0 d b 带宽；频率较低的u w b 系统的 相对带宽必须大于2 0 。这里中心频率和相对带宽表达式如下： 中心频率= ( 厶+ 五) 2 ( 1 - 1 ) 相对带宽2 揣 ( 1 2 ) 式中：厶 能量功率谱密度的上限频率，g h z 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f能量功率谱密度的下限频率，g h z 这些特性让u w b 系统明显不同于传统的窄带和宽带无线电系统，以往 的无线电系统的相对带宽不会超过1 或带宽小于2 0 m h z ，例如2 4g h z 的 i e e e8 0 2 1 l 无线局域网络等。 1 2u w b 技术的优点和主要应用 u w b 信号由于带宽很宽和信号的持续时间为n s 量级等特点，所以和其 他通信技术相比较，u w b 技术具有很多的优点。比如具有高速的数据传输、 系统容量大、抗多径干扰能力强、功耗低、工程简单造价便宜、定位精确等 特点【2 】。此外它还可以通过改变脉冲的幅度、间距和持续时间来传递信息。 表1 1 列出u w b 技术与其它无线局域网技术的比较。从中可以看出，现有 的无线技术8 0 2 1 l b 和蓝牙大部分可以实现u w b 的功能，只是在速 度上还远远未达到u w b 的传输数度。 表1 1u w b 技术与其他通信技术的比较 传输速率 功耗 传输距离频段 ( m ! b i t s )( r o w ) ( m ) ( g h z ) 蓝牙 ll 一1 0 01 0 02 4 0 2 2 4 8 i e e e 8 0 2 1 l b1 l2 0 01 0 02 4 i e e e 8 0 2 1 1 a5 44 0 8 0 02 05 i e e e 8 0 2 1l g5 46 55 02 4 u 、4 8 0 2 0 0 m b p s 警麓襞黯班攀黝 d b md b m 发射天线增益g - r o d b io d b i 壤礤藤嘲侉壤壤蠢 h zh z l m 处路径损耗l t = 2 0 1 0 9 1 0 ( 4zf d c ) d bd b d ( m ) 的路径损耗l 2 = 2 0 1 0 9 l o ( d )2 0 d b ( 1 0 m 处11 2 d b ( 4 m 处) 接收天线增益g r o d b i0 d b i 接收功率p r = p t + g t + g p - l i l 2 d b md b m 黉缓瀚蛾糕蒸畿 h zh z 噪声功率n _ 一1 7 4 + 1 0 1 0 9 l o c q v ) d b md b m 接收噪声系数n f 7 d b7 d b 接收噪声功率p n r = n + n f d b md b m 舞隧翼鹱；躐 d b d b 攮峻搬酾最豢馕噪e 匕崖鳓( 釉 d bd b 链路艇鞲魏姆驻i 麟8 d bd b 壤獯攮錾舔爨锈魔 d b md b m 3 4 本章小结 本章首先从理论上分析了u w b 大尺度信道模型，推导了用窄带系统的 自由空间路径损耗模型来估计u w b 系统的路径损耗的理论依据；然后分析 了包括环境因素的u w b 对数路径损耗模型；最后归纳了i e e e8 0 2 1 5 3 a 标 准模型，给出了基于路径损耗模型的链路余量分析表，明确了有关的各种参 数的计算公式，为各种u w b 方案的性能比较提供了统一的标准。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章u w b 室l q d , 畏度信道模型 为评估各种u w b 通信实现方案的性能以及标准化工作，通常需要根据 其工作环境建立一个比较精确的信道模型。大量的实验数据表明在u w b 中 多径的到达呈现出成簇到达的特性， u w b 信道多径模型应该体现出这些新 的特性，因此u w b 信道的建模成为一个难点。经过大量的测量，已经建立 了许多u w b 信道模型，为进行系统设计提供了重要依据。 4 1u w b 室内l o s 环境与n l o s 环境下的信道冲激响应 对于系统带宽在2 0 m h z 以内，可分辨多径传输路径差在1 5 m 以上的窄 带系统来讲，多径的不同延迟影响着系统的性能。在系统分析中，将时间轴 划分为许多时间间隔，每个时间间隔与系统的带宽成反比。如果在每个时间 间隔内有大量的多径成分到达，且多径成分彼此互相干扰，这时脉冲信号的 幅度服从r a y l e i 曲或r i c e 分布，从而可以预测出每个时间间隔内到达的多径 数量。对于u w b ，带宽远远高于2 0 m ，因此产生了一些新的特征，比如： 在每个可分辨的时间间隔内，非常少的多径到达且重叠，甚至没有多径在这 个时间间隔内到达，因此中心极限定理不再适用，幅度不再服从传统的 r a y l e i g h 衰落口”。 在l o s 信道传播环境下，多径分量的数目很少，信号也很好。图4 1 是 室内l o s 信道传播环境下的信道冲激响应，从中可以看出，多径成分明显分 为两簇，接收信号的功率集中于直接到达的路径分量附近。在第一簇中，包 括一个时延为“的很强的径，然后是一段快速下降的区域；在第二簇中，有 一个比直接到达的最强径稍微弱的路径，随后是一段随着时间延迟呈指数下 降的区域。多径分量的到达时间是随机的，但是大于给定的门限电平的多径 分量数并不多。因此在l o s 环境下很容易检测出多径分量【2 9 】。 在室内n l o s 环境下，由于传播环境变差，多径分量明显增多，随着时 间的增加多径分量的幅度也在逐渐衰减。从图4 2 可以看出，最先到达的几 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个路径并不是最强的，而是先到达几个较弱的路径，随后是一个短的低谷。 同样，大于某一特定门限电平的多径分量并不多。多径成份的到达也呈现出 成簇的特性，簇的数目明显多于两簇，但簇和簇之间的间隔不再明显。 图4 1u w b 室内l o s 环境下的传播 图4 2u w b 室内n l o s 环境下的传播 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 2u w b 室内信道模型 4 2 1 单一的泊松模型 单一的泊松模型是最早引入的u w b 模型。它假设在信道脉冲响应中只 有一簇多径存在，到达的多径看成为到达率为丑泊松过程；多径幅度是按指 数衰减的，时间衰减常数为y ，且多径的幅度服从标准方差为盯的对数正态 分布”l f “】。图4 3 是单一泊松模型的原理图。 幅 度 1 ，丑 图4 3 泊松模型原理图 因此，这个模型涉及三个参数为： 1 z 平均路径到达率 2 ，一衰落指数 3 盯路径幅度的标准方差 单一的泊松模型并没有反应出路径成簇到达以及早期到达的路径的能量 居显著地位的特征，但却表达出了多径到达的次数服从泊松分布和多径增益 服从对数正态分布的特点。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 2 2 修正泊松模型 相对单一的泊松模型而言，修正的泊松模型能更好的表达出早期到达的 多径成分居显著地位的u w b 室内l o s 信道环境“。 在l o s 环境下，最先到达的多径幅度比后到达的多径幅度要强，强度居 显著地位的多径数目m 是随机的，且m = 2 ；3 ；4 是等概率出现的。这些特性可 从许多室内l o s 信道测量实验分析得出“。 在此模型中，居显著地位的多径成分到达的时间服从指数分布： p ( 靠r k 一1 ) = e x p l 一 ( 靠一气一1 ) 1 0 k m ( 4 - 1 ) 式中：五居显著地位路径的平均到达率 凡第足个多径到达的时间 图4 4 修正泊松模型的原理图 每个居于显著地位的多径幅度服从对数正态分布，多径的幅度为： 屈= p k l 0 ( a ：x a ) “ 式中：最信号随机翻转 肌= 一掣嘛 吖 e ，。= ( o ，砰) 0 1 时， 信道出现分簇的现象；当k l 时，信道出现成簇的现象。 在每一个马氏状态下，每个微小时间段内到达的多径数量由泊松分布确 定，到达多径的数量服从修正的两状态泊松过程，到达时间服从基于此状态 的指数分布。具体的数学表示如下： 状态1 ：p ( 啊：j j ) ：- 露- - z 8 “t - - , ( 4 - 1 3 ) k ； 状态2 ：p ( 啊：j j ) ：警k e - “k ( 4 - 1 4 ) k ! 其中：p ( 砷= k ) 第，个微小时间段内有k 个路径到达的概率 哈尔滨工程大学硕士学位论文 “= j ( r ) 出一状态1 的泊松参数 疋 ：= ( t ) d t = k p a 一状态2 的泊松参数 毛 描 瘦 有路径刭汰 。一o v o 、，_ 趣6 盼同延迟 图4 6 修正一足模型原理图 1 名 多径的幅度服从对数正态分布，随时间延迟呈指数衰减，表示为： 反= p k l o “+ j 。胪( 4 1 3 ) 其中： 雎= 2 0 h 弋( 万矿 ) - l o r , y 一下0 2 l n ( 1 0 ) ( 4 1 4 ) i n i l u lz u 以t = n ( 0 ，盯2 )( 4 - 1 5 ) 式中：最信号随机翻转，e = 1 是等概率发生的 在修正一足模型中，将时间轴分成许多时间间隔，每一个时间间隔内的 路径的到达率依赖于前一个时间间隔内是否有路径到达。这里时间间隔与 采样频率有关。 修正的一足模型由五个参数描述： 1 a 状态l 的平均到达率 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 k 状态2 相对于状态l 平均到达率的缩放比例 3 一微小的时间间隔 4 y 包络指数衰落因数 5 盯对数正态分布路径能量的标准方差 4 2 5 修正的s - v 模型 s a l e n - v a l e n z u l a 模型( 简称s v 模型) 是室内离散信道脉冲响应最普遍 的统计模型1 5 m 】 2 3 】。 幅 度 一一 l l , , i耐懈# 丁i 哪夏| 目区 、- - - - ，r ， l t 矗 图4 7s - v 模型原理图 它假设多径分量成簇的形式到达，接收分量的幅度是独立的r a y l e i g h 随 机变量，其方差及簇内附加时延随着簇的时延呈指数衰减。相应的相角在 o ，2 n 1 内为独立均匀分布的随机变量。各簇和簇内多径分量构成了具有不同 速率的泊松到达过程。而且，各簇和簇内各多径分量到达的时间呈指数分布。 簇的组成由发射机和接收机附近的多径反射造成，同时也与建筑材料有关。 尽管它主要用来刻画n l o s 信道环境的，对l o s 信道环境不是十分有效，但 仍然可以大致的描述l o s 环境下的信道的情况，除非l o s 信道环境的成分 显著的增加。s v 模型是一种描述多径成簇到达现象的信道模型，在多数情 况下，可以较好地拟合u w b 信道中的实测数据。 在u w b 系统中，由于发射信号具有很宽的带宽，在每个可分辨的时间 哈尔滨工程大学硕士学位论文 间隔内，非常少的多径到达且重叠，甚至没有多径在这个时间间隔内到达， 因此中心极限定理不再适用，幅度不再服从传统的r a y l e i 曲衰落分布。 s v 模型中的信道冲激响应函数为： k = ，占( 卜乃一，) ( 4 1 6 ) i = 0k = 0 式中：上多径信道的簇数 k 每簇中的径数 z 第，簇的多径时延 o ，第z 簇第k 径时延 修正s v 模型使用两个泊松过程( 双指数模型) 来描述多径信道。第一 个泊松过程描述簇的r 的到达，第二个泊松过程描述的是每个簇里面多径的 r 。，的到达，分别表示为： p ( i l 正一1 ) = a e x p i a ( 正一正一1 ) 1 ， 0( 4 - 1 7 ) p ( r ， t ( k - i ) , t ) = 2 e x p 一五( f i ，一f ( t l ) k 0 ，1 o ( 4 1 8 ) 多径的幅度服从对数正态分布，即： 2 0 1 0 9 i oi 玩，i 。c ( t ，盯2 ) ( 4 - 1 9 ) 也可以表达为：以，j = l o ( p ，+ 口) 脚，其中： x ，z n ( 0 ，c r 2 ) ( 4 2 0 ) e ：， = f 2 。p 一一7 。8 7 7 7 ( 4 - 2 1 ) q 。为第一簇第一条路径的平均功率。吼，= p t ，i ，p k , t 为信号经 反射造成的符号翻转，p 女，= 1 是等概率的a 舻型业黑r 1 1 0 竺业一地2 0 ( 4 - 2 2 ) l 啥尔滨工程大学硕士学位论文 式中：r 簇的衰减因子 ，多径分量的衰减因子 修正s v 模型需要以下的五个参数来描述： 1 人簇平均到达率 2 五径平均到达率 3 r 簇指数衰落因数 4 y 径指数衰落因数 5 盯一一服从对数正态分布的多径能量的标准方差 4 2 6 两簇模型 s a l e h - v a l e n z u e l a 模型基于多个呈现指数衰减的簇，然而，大量的n l o s 实验数据表明只有非常少的簇存在，目前还没有有效的计算方法来精确区别 不同时延的簇，现在通行的做法是用人工辨别出簇的数量及簇之间的间隔， 所以很难精确地获得用于模型建立的参数，如：簇的到达率a 。 从图4 8 可以看出平均信道冲激响应幅度主要由两簇构成，第一部分持 续时间较短的簇包含几个能量比较强的路径，它们衰落的很快；第二部分持 续时间较长的簇中的路径能量衰落缓慢。 因此基于以上的观察，在s v 模型的基础上，提出了一种新的基于n l o s 环境下的室内信道模型两簇模型【2 6 】【1 3 】【1 4 1 ，图4 9 是其原理图。在这个模 型中采用了两簇的泊松到达。第一簇包含数量较少但能量比较强、衰落比较 快的多径，第二簇包含较多的缓慢衰落的多径：第一簇起始时间和第二簇起 始时间之间的时间间隔为t ，n s 。第一簇根据参数 ，一，q 产生；第二簇根据 参数 五，托，吒 产生。因此在第一簇的延时t ，处第二簇开始，形成了完整的 信道脉冲冲激响应。为了保持整体信道冲激响应能量衰落的连续性，第二簇 相对于第一簇加权一个因数1 a ，口为大于1 的数。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 8u w b 室内n l o s 信道环境冲激响应 图4 9 两簇模型原理图 在这个模型中，需要以下参数建立模型：“ 1 a 。z ：一第一簇和第二簇的泊松到达率 2 y 。，：第一簇和第二簇的包络衰减因数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 仃，以第一簇和第二簇的信道冲激响应的对数正态标准方差 4 口一加权因数 5 t ，第一簇到达的时间 6 f ，第二簇到达的时间 4 2 7i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准模型 由于发射功率的限制，u w b 非常适合短距离无线通信无线个域 网( p a n s ) ，为建立u w bp a n s 标准，i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组， 目的是在这项标准下实现1 0 m 距离高达11 0 m b p s 的传输速率，以及4 m 距离达到2 0 0 m b p s 的传输速率，或者在更近的距离实现更高的传输速率。 i e e e8 0 2 1 5 3 a i 作组在分析比较了大量不同组织进行的不同试验环境下 的测试数据，特别是住宅环境和办公室环境，见表4 1 2 1 1 。由于办公室的 金属材料较家庭环境的要多，所以它们的射频特征有很大的差异。 表4 1i e e eu w b 信道建模工作组采纳的一些信道试验 信道测试测试带宽中心频率实验条件实验距离 狂! e e 室内，住宅 1 1 5 mp 8 0 2 15 0 2 2 7 8 - s g 3 a 1 2 5 g h 25 g h z l o s n l o s ( s g h a s s e m z a d e h 等) i e e e 住宅，办公室 p 8 0 2 1 5 - 0 2 2 4 0 - s g 3 a2 g h z 4 g h z 1 0 m r m p e n d e r g r a s s ) l o s n l o s i e e e p 8 0 2 1 5 0 2 ，2 7 9 一s g 3 a 6 g h z5g h z 室内，住宅 1 0 m ( j f o e r s t e r 等) l o s n l o s i e e e p 8 0 2 1 5 0 2 2 8 1 - s g 3 a1 0 g h z6 g h z 室内，办公室 3 1 0 m ( j k u n i s c h 等) l o s ，n l o s l e e e p 8 0 2 1 5 - 0 2 2 8 4 - s g 3 a 5 0 0 m h z1g h z 室内，办公室 o ，i 0 ( 4 - 2 5 ) 信道的系数定义如下： ，= p k 。，每羼， ( 4 - 2 6 ) 式中：毒第，簇的衰减 鼠，第，簇第_ j 径的衰减 2 0 l o g l o ( 善l f l k , , ) n ( p k ，田+ 盯；) ( 4 2 7 ) 或者表达为：i f ，展，i = 1 0 + 叶+ 也j 2 0 ，其中：啊o c n ( o ，砰) ， n 2o c n ( o ，) ，z i 和也对应于每一簇和每一径的衰落，且相互独立。 e 瞻反，i - f ) o e - ”8 1 7 ( 4 - 2 8 ) 以i2 1 0 l n ( q 。) 一i o t , r l o t k j 7 ( 砰+ c r ；) i n ( 1 0 ) l n ( 1 0 1 2 0 3 2 ( 4 - 2 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 0 1 0 9 1 0 ( x i ) o c n ( 0 ，) ( 4 3 0 ) q 。是第一簇第一径的平均能量。p k ，是由于信道反射造成信号符号的 极性翻转，且n ，为1 等概率发生。f 和y 分别表示的是簇衰减因数和径衰 减因数。 4 3i e e e8 0 2 1 5 3 a 典型信道仿真分析 在上述i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准模型的基础上，i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组给出了 4 组信道模型的信道特征，如表4 - 2 所示啡 ，分别代表了不同的典型信道环 境。根据表4 2 所给出的信道参数，利用m a n a b 软件平台，对u w b 信道进 行了仿真。 表4 2c m i 、c m 2 、c m 3 、c m 4 典型信道环境的参数 信道环境 信道参癍 c m lc 乜c m 3c m 4 人 1 n s e c 0 2 3 30 4 0 0 6 6 70 0 6 6 7 五 1 n s e c 】 2 50 52 12 1 r7 1 5 5 1 4 0 02 4 0 0 y 4 36 77 91 2 呒d b 3 4 3 4 3 43 4 盯2 d b 3 43 43 43 4 o - ，d b3 3 33 u w bi e e e8 0 2 1 5 3 a 标准信道的仿真可以根据以下几步进行： ( 1 ) 根据信道带宽选取多径分辨率f 。和系统的抽样率。 ( 2 ) 选择标准信道模型的参数：人、五、f 、批郎郎吼。 ( 3 ) 根据簇的到达和径的到达都服从泊松分布可以计算得到第z 簇到达 时间z 和第，簇第k 径到达时间。 ( 4 ) 根据路径幅度服从对数正态分布的特点计算得出每一路径的幅度。 进行滤波，然后对信道冲激响应进行能量归一化处理。 在这里取多径分辨率f 。为0 1 6 7 n s f 2 6 1 ，根据信道参数对i e e e 典型环境 c m l c m 4 进行了m a t l a b 仿真。仿真出的各个信道的冲激响应实现和p d p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 见图4 1 0 。c m l 、c m 2 的平均时延卅、均方根时延f 。和占总能量8 5 的 多径数目与实测数据的比较见表4 3 。从表4 3 可以看出，仿真出的信道特 征参数和实际测量的特征参数相近。所以i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准信道模型能够 较好的反应u w b 信道，因此该模型可以在u w b 系统的研究中用来仿真 u w b 物理信道，以评价系统的性能。 u w b 标准信道模型的提出，是认识u w b 室内信道特征的重要一步。它 不但加速了u w b 高速通信物理层标准化的进程，而且为使用i e e e8 0 2 1 5 3 a 设备的系统性能分析提供了依据。但是i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准信道没有考虑信 道的时变的特性，因此需要对u w b 信道时变特性进一步的研究【2 6 】【3 “。 表4 3c m l 、c m 2 信道特征的理论仿真结果与实际测量结果比较 、嬉道环境 c m l c m 2 信道特征 实际测量理论仿真实际测量理论仿真 靠( n s ) 5 0 55 01 0 3 89 9 f r n , s ( n s ) 5 2 858 0 38 n p l o d b1 2 51 5 _ 3 n p8 5 2 42 0 83 6 1- o 5 i 信谨冲矬响应仿直赛现 瓯h o l 胛 科呵r r 时问延迟) c m i ( a ) a t d 曼 曩* 萃 羽 卯 “1 n _ 。 一写 1 飞。 ”研 甲崤 时问延迟c 暗e c ) c m l ( b ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c 耐 谨冲稿畸盛竹 奔理c 峭嘲p d p i i j l 幽蕊 。l - 盱f f ? 一 i c m 3 值道神强响鲑仿真觎 l 豳豇“。 孵孵 鄹 时问( n 目 c m 3 ( 小 c m 4 的伯道神i _ 雌仿真觎 c m 4 ( a ) m m 延迟( n s e c c m 2 ( b ) 洲3 平均p o p 帕诎0 ”甄“ _ 嘲山 1 。 荔 j 州 l i i i 止。 i n 陬 毓。 n k 图4 1 0c m i 、c m 2 、c m 3 、c m 4 信道仿真出的信道冲激响应和p d p 1 0 0 j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 4 本章小结 在本章中，介绍了一些最新的u w b 室内信道模型，如单一的泊松模型、 修正的泊松模型、一k 模型、s v 模型和i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准模型，并结合 各个模型的原理图详细地分析了各个模型的原理及信道参数，同时在四个不 同信道环境下对i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准模型进行了仿真比较，为u w b 室内小 尺度信道模型的仿真分析奠定了基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章u w b 室l a , l , 尺度信道模型仿真分析 在u w b 系统的研究过程中，许多公司、大学的研究机构进行了很多的 实验，比较著名的有i n t e l 的u w b 信道试验和美国南加州大学与t i m ed o m a i n 公司合作的u w b 信道测量试验，并提出了一些u w b 信道模型。在这些试 验中，主要采用的是时域测量方法和频域测量方法。本章主要基于时域方法 对u w b 室内小尺度模型进行仿真分析。在u w b 信道特征中，主要的参数 是平均时延、均方根时延扩展和主要多径数目，因此不同模型仿真结果之间 的比较也主要围绕这些参数。 5 1u w b 室内l o s 传播环境的信道模型仿真 本节所采用的u w b 信道模型的参数来源于美国弗吉尼亚工学院的 u w b 通信试验室的d a r p an e t e x 项目【1 3 j ，在本章中，主要利用了它的室 内信道模型参数。弗吉尼亚工学院实验室所进行的u w b 信道测量试验是基 于时域进行的，发射端发射的脉冲采用的是类高斯脉冲，接收端是采样示波 器和两个低噪宽带放大器( 每个放大器为1 0 d b 的增益) ，5 0 0 m 。1 2 g 的带通 滤波器。室内传输最远距离为1 5 m ，脉冲宽度小于2 5 0 p s ，原始数据在时域 中的采样频率为1 0 p s ，每个采样示波器的时间窗为5 0 n s ，共使用两个采样示 波器。在这个实验中，共收集了1 0 0 0 0 个采样点。由于在室内人为的活动是 造成u w b 信道时变特性的主要原因，所以在实验中使收发端保持相对静止， 放置在距地1 2 5 m 的高度上。进行的室内实验的频率范围为2 4 g h z 。 5 1 1 室内l o s 信道传播环境下修正泊松模型仿真比较 修正的泊松模型主要是用来刻画l o s 信道模型的。在前面已经陈述过， 这个模型最先到达的m 个多径成份比后续到达的能量要高。显著多径成份的 到达服从参数为五。的泊松过程，它的幅度是对数正态随机变量，方差为盯，。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 比较弱的多径成份的到达率为兄，这一组最先到达的多径的平均能量要比居 显著地位的多径能量要弱。比较弱的多径成份的幅度也服从对数正态衰落， 它的方差是口，。表5 1 是修正的泊松模型的具体的参数。图5 1 是修正泊松 模型m a t l a b 仿真流程图。 表5 1 修正泊松模型的参数 参数参数值 1 2 1 ( n s ) l 盯l 0 5 w ( d b ) 1 2 1 2 2 ( n s ) 0 5 y ( n s ) 2 0 盯2 0 7 进行初始化， 输入修正泊 松模型参数 根据等概率产生居 显著地位的多径个 数m ，m d , 于5 根据公式产生居显 著地位的m 个多径 到达时间及幅度 i = i + 、i = o j 弋i - 2 0 d b ) 修正泊松模型 6 264 s 试验测量 7 11 0 15 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 1 2 室内l o s 信道传播环境下s v 模型仿真分析 s v 模型在第3 章已经描述过，虽然它最初是用来刻画n l o s 传播环境 下的信道模型，但是仍然可以大致的描述l o s 信道环境。在这个模型仿真中， 根据公式( 4 2 1 ) 由簇到达率a 产生每一簇随机到达的时间；再根据公式( 4 2 2 ) 由径到达率a 产生每一路径随机到达的时间；簇衰减指数r 和径衰减指数， 主要是限制簇和径到达的时间范围；多径的幅度服从对数正态分布，根据公 式( 4 1 3 ) 由参数仃产生每一路径的幅度。由于时间是随机到达的，所以还要 将连续冲激响应进行离散化，然后计算得出需要比较的参数。图5 6 是s v 信道模型仿真流程图。s v 信道模型在l o s 条件下的具体的参数见表5 3 t ”1 。 表5 3 室内l o s 环境下s v 模型参数 参数参数值 1 人( a s ) 5 1 旯( n s ) 0 1 y ( n s ) l f(