（电磁场与微波技术专业论文）超宽带无线通信室内信道特性仿真与分析.pdf

论文摘要 超宽带( u 、b ) 无线通信由于其独特性质和在短距离多址无线接入中的应 用，已成为近年来广泛研究的课题，而其中的关键问题之一就是u w b 无线信号 在室内多径环境中的传播特性。本论文对u w b 传播信道及其特性的研究结果对 u w b 无线通信系统研究和设计具有较为重要的理论意义和实用价值。 本论文的主要研究工作包括：分析了无线移动信道的电波传播特性以及大尺 度衰落、阴影衰落和小尺度衰落；介绍了超宽带无线通信技术的基本原理；研究 了作为i 、b 通信信号脉冲的各种波形特点及频谱形状：对经过调制后的脉冲的 时域及频域特性进行分析；根据测量数据库结合理论计算公式，用m 棚a b 计 算了u 、b 脉冲响应、大尺度衰落和r m s 时延扩展；得出了脉冲响应模拟图及 u w b 系统多径衰落频率特性曲线，并与窄带无线系统多径衰落频率特性曲线作 了对比；利用测量数据对大尺度衰落进行拟合并与自由空间传播作了对比；计算 了r m s 时延扩展，得出了典型值，并与窄带室内系统作了比较。 论文最后讨论了窄带室内信道的8 0 2 1 1 模型、s v 模型与一k 模型，重点 讨论分析了u w b 多径信道的统计特性，包括多径到达率、多径衰落的分布、幅 度均值衰落的分布等，结合对数正态分布与n a k a g a m i 分布，利用m a t l a b 仿 真实现u w b 的脉冲响应以及功率延迟分布的2 d 与3 d 图形，并分析了在所研 究的多径衰落信道下u 、bm 队m 系统的性能，给出了b e r 曲线。 关键词：超宽带无线通信，信道特性，多径衰落，信道模型，系统性能 a b s t r a c t u l 讹砸d e b a l l d ( u w b ) c o m m l l i l i c a t i o nh a s b e e n 也es u b j e c to fe x t e n s i v e r e s e a r c hi nr e c e my e a r sd u et o “su l l i q u ec a p a b i l i t i e s 锄dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s ， p a n i c u l a r l yi 1 1s h o n r a n g em 1 1 l t i p l ea c c e s s 谢r e l e s sc o 删c a t i o n s t h ep f o p a g a t i o n o fu i bs i g n a l si ni n d o o re n v i r o n m e n t si s 协es i n g l em o s ti m p o r t a j l ti s s u e 、v i t l l s i g i l i 矗c a i l ti m p a c t so nm e 如n l r ed i r e c t i o n ，s c o p e ，a n dg e n e r a l l y 廿l ee x t e n t0 ft h e s u c c e s so fu w b t e c h n o l o 窑y n eo b j e c t i v eo ft h i sd i s s e n a t i o ni st oo b t a i nam o r e t 1 1 0 r o u g ha n dc o n l p r e h e n s i v e 衄d e r s t a r l d i n go f t h ep o t e n t i a l so fu w b t e c l l l l o l o g yb y c h 矗r a c t e r i z i n g t l l eu w bc o m m u i l i c 撕o nc h 锄e l s f i r s n y ，t l l i sp a p e ra n a l y z e d t l l e p r o p a g a t i o nc l l a 】t e r i s t i c s o fr a d i or n o b i l e c h 锄e l s ，t h e ni n v e s t i g a t i o nb a s i cp r i n c i p l eo f u 、b 、 v i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o n t h c c h 鼬c 把r i z 砒i o no f i m p m w a _ v e f o 玎n s a n di t s s p e c t r 呦 s e r v e ra su w b c 0 删越戚c a t i o ns i 鄹_ a l 缸ea l s o a n a l y z c d b a s e d0 n 也ed o w n l o a dd a t a b a s e a i l d t l l e o r e t i cf 0 珊l l l a ，w eu s e dm a t l a bt oc a l c u l a t et h ei m p l l l s er e s p o n 踮，l a r g es c a l e 蜘i n g 觚d 珊sd e l a ys p r e a do f in 粕c o m m l l l l i c a t i o ns y s t e m f r o m 廿l i ss i m u l a t i o n w ed e r i v e dm ec i r g r a p h 姐dm l l l t i p a mf a d i n gf c q u e n c yc u r v e ，a n dc o m p a r e d 、v i t h n a r r o w b a n dw i f e l e s sc o m m 血c a t i o n s y s t e m t h em o s ti m p o n 纽ti s s u eo ft l l i sp a p e ri st h em u h i p a t hf h d i n gi n d o o rc h a 工l 王l e l m o d e lo fu w bs y s t e m ，i n 恤f i r s t ，w ed i s c u s s e dt h en bi n d o o rc h a n n e l 舢l t i p a 也 f 弧n gm o d e l ，s u c ha si e e e 8 0 2 1 1m o d e l ，s - vm o d e l 鲫d 一km o d e l ，t l l e nw e d i s c u s s e dt h es t a t i s t i c sc h a m c 蜘s t i c so fu w bm u l t i p a t hi n d o o rf a d i n gc h a m l e l ， i n c l u d i n gt 1 1 ea r r i 砌r a t eo fm u l t i p 抽c o m p o n e n t s ，d i s t r i b u t i o no fi n d i v i d u a lf a d i n g a l l 叩i i t u d c ，a v e r a g ep o 、v e r o ff a d i n g a m p l i t u d ea n d s oo n t h en a k a g 锄ia n d l o g n o 肋a ld i g t r i b m i o n ss e e m s t om a t c ht l l ea m p l i t i l d ef a d i n ge q u a l l yw e 儿e i t h e ri s ag o o dc h o i c ef o rt h eu w bc h a n n e lm o d e l i nt h el a s tw eu s e dl o g n o n a l 锄d n a k a g 锄id i s t 抽u t i o nt os i m u l a t e d l cu w b c i ra n dp d p ，a n da n a l v z e dt h eb e r p c r f o m l a n c eo fm r 气mu w bs y s t e mi l l l d e r t h ec h 籼e lm o d e lt h a th a v eb e e n d i s c u s s e d k e y w o r d s ： u l t r a w i d e b 锄d砌r e l e s s c o 咖l u l i c a t i o n ； c h a e lc h a r a c t e 曲i c s ： m u n i 巾a 也f a d i l l g ；c h 锄n e in l o d e i ；s y s t e mp e r f 0 珊a 1 1 c e y 6 2 8 9 2 l 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：一日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名；导师签名：日期： 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的选题背景和意义 随着无线通信技术的不断发展，从以最初的模拟系统的高功率、有限频段、 中心载波为技术基础发展变化而来的无线网络技术的局限性日益突出，已无法满 足日益增长的高速短距离无线接入的要求，另一方面，未来的无线网络不仅包括 人与人之间的通信，而且包括人与终端及终端之间的通信的网络，这实际上就是 无所不在的无线通信( p w c ) 所包含的内容，即任何时间任何地点与其他无线 终端的交互作用的能力，对于即将到来的无所不在的无线通信技术，我们需要一 种低成本、低功耗、高性能的解决方案，u w b 技术的出现即可解决上述问题。 超宽带技术用于雷达和数字通信中，基于脉冲无线电( i r ) 技术，由于可以 低功耗、低复杂度发射接收机实现高速数据传输而在近年来得到迅速发展，它 在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系 统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源，基于u w b 技术而构建的高速率数据 收发机有着广泛的用途，从无线局域网到a dh o c 网络，从移动i p 计算到集中式多 媒体应用等。u w b 技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰 落不敏感；低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的 高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个人域网( w p a n ) 。 超宽带( u w b ) 通信由于其独特性质和潜在应用，特别是短距离多址无线 接入中的应用，已成为近年来广泛研究的课题，然而，基于u w b 的通信系统的 许多重要问题还没有进行充分的研究，现今的文献材料均认为u w b 技术非常适 合用于无线通信系统中，许多工业组织对u 、b 技术的研究侧重于这一技术的种 种优点。本论文的目的不侧重于这一问题，而是就u w b 技术本身，也即通过对 u 、v b 传播信道及其特性的研究获得对u w b 无线通信系统的一个全面的理解， 在建立一个实际的超宽带无线通信系统之前，首先要仔细研究它的信道模型及干 扰效应，u w b 信号在室内以及室内一室外环境中的传播是其中一个极其重要的 问题，对于u w b 的未来发展方向，范围、以及在何种程度上u w b 技术能取得 成功都具有显著的影响，传播信道的准确特性在各类通信系统的设计中都是绝对 必要的。 第l 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 信道特性是指从测量数据中提取出信道的参数，而这些参数反过来又可用于 评估在此传播媒质中使用超宽带信号进行通信的u w b 通信系统的性能或者用于 对信道进行仿真分析。数据可通过使用各类实验装置用不同的方法获得，信道特 性可在时域或频域进行测量得到，对于窄带通信系统，人们已经进行了大量的实 验与测量，它的信道模型和传播规律都已经完整地建立起来，而超宽带则是一个 较新的课题，到目前为止还没有一个完全统一的适用于各种环境的信道模型。信 道模型的准确性直接依赖于对测量数据的合理和确切的解释。 综上所述，建立ir w b 通信系统的无线信道模型显得极为重要，同时对信道 的相关特性进行深入的研究分析，以揭示无线信号传播的更为细致的规律，这对 于理论研究和工程应用都有着十分重要的意义。本文将在s v 与s t d l 模型的 基础上，对u w b 多径信道模型进行仿真和分析。 1 2 本课题领域的研究现状 对于9 0 0 m h z 、1 8 g h z 、2 4 0 h z 、5 8 5 g h z 、6 0 g h z 以及其他专用窄带频率 范围的室内窄带电波传播问题人们已经做了大量的测量与研究 【l2 ”3 1 ，在研 究超宽带通信系统的传播效应时，除了信号强度之外，相位信息( 延迟) 也是一 个需要考虑的重要因素，由窄带测量得到的模型和结果尽管对理解u w b 室内传 播信道有一定的帮助，但将其用于u w b 传播分析和信道建模则是很不充分的。 从对信道统计特性的分析归纳来看，到目前为止，窄带室内信道已有了大量 的研究成果，其中特别有价值的是包括：由s a l e h 和v a l e n z u l e a 【1 4 】、 h 解h e m i 叫n q 、a n d e r s o n “以【1 3 】、d u r g i n 和r a p p 印o n 【l7 、r 印p a p o n 】【i l o 】 发表的一系列论文，这些研究的主要目的是建立可以充分描述系统性能的信道模 型，要得到准确的信道特性要依赖于广泛而精确的测量，模型的准确性在很大程 度上取决于测量的准确性。 随着超宽带无线通信系统逐渐成为研究的热点，研究者致力于建立一种能够 可靠和准确的对u w b 系统性能进行仿真的信道模型，目前，可用的测量数据还 不够充分，需要更广泛的测量数据进行全面的信道模型研究，另外，u w b 信道 脉冲测量又与具体所使用的发射和接收天线有关，这更增加了这一问题的复杂 性，而且脉冲形状及其频谱同样也影响测量数据的准确性。 第2 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 在评估系统性能时，基于统计方法对整个传输链路进行仿真是分析室内通信 系统最为有用的方法【1 5 1 ，当然，这一方法需要广泛的传播测量，基于确定性”“1 和统计【1 1 2 】【1 1 3 1 建模的方法均为文献可查，最近，c a s s i o l i 甜口f 【1 1 4 l 给出了u w b 室内信道的仿真结果，而c h a l i l l o u “以【1 1 5 】讨论了一种用于u w b 通信系统的通 用仿真器的主要结构。但是，这一课题中仍有许多没有解决的问题，因而需要进 行更多的u w b 传播测量。不同的传播环境，不完全的测量数据，以及不同的激 励脉冲是在设计仿真器之前构建完全和可靠的信道模型时最主要的限制因素。 关于u w b 室内信道特性最著名的在时域的测量是由美国南加利福尼亚大学 的u l t r a l a b 研究组进行的，与时域公司合作1 1 埔l ，它们的测量使用了取样示波器， 脉冲发生器和宽带天线，这些测量的结果用于进一步的分析与建模3 】f 1 1 7 】，但 以上文献中没有提供在这些测量中所使用的脉冲形状和天线特性的信息，在以上 作者的另一篇单独研究论文中提到测量中使用了菱形偶极子天线【1 18 】，这种天线 的一个缺点就是它只能覆盖个很小的频率范围，而且他们所使用的触发系统使 用了无线设备，无线触发设备很容易受到来自周围环境的反射影响，从而导致误 触发。更进一步的工作是表征更为实际的u w b 通信系统，而不仅仅是用周期性 重复的脉冲对信道进行探测1 1 1 9 】【1 2 0 1 ，在这种情况下，脉冲被调制并在时间上漂 移以模拟真正的通信环境，不过作为基础，利用基本脉冲获得的信道传递函数或 脉冲响应函数仍有助于在仿真时研究时间漂移或任何其他技术对信道的影响。 得到u w b 信道特性的另外一个方法是通过频域信道测量，然后由反付立叶 变换将结果转换到时域，这一方法的优点是所使用的设备的灵敏度较高，特别是 网络分析仪，它的灵敏度远远高于时域测量中所使用的取样示波器，频域测量的 缺点是需要较长的高质量射频电缆将网络分析仪连接至发射与接收天线，而且还 需要对这些电缆进行双重屏蔽，以避免由于空中的辐射信号通过电缆耦合到达接 收端，此类电缆就是长距离测量的主要限制因素。而在直接时域测量中，只需要 使用电缆将发送端的触发信号传递到接收端的取样示波器，由于触发信号的带宽 远小于脉冲信号的带宽，具有适当衰减和杂散电平的长距离电缆在用于传送触发 信号已经足够，使得在时域上进行源和观察点之间的u w b 信道长距离测量非常 方便。 在频域信道测量技术测量i ，w b 传播信道方面，已发表的文献有： 第3 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 g h a s s e m m z a d e h “口f 【1 2 1 1 ，p r e t t i e 盯以【。2 2 1 ，k e i g r l a n 和d a l l i e l e 1 1 2 3 1 ，k l m i s c h 和 p a m p 1 2 4 1 ，s t r e e t 甜耐 1 2 5 1 ，以及h o v i i l e n 酣口f 1 2 6 1 。其中只有g h a s s e m m z a d e h 甜 口f 【i 2 1 1 使用了较长的电缆，达到4 5 米，其他文献中记载的测量装置中只不过使 用了最长达1 0 米的电缆，而且使用的测量带宽也不尽相同，g h a s s e r n m z a d e h e f 矗 【1 引1 在免授权的u n i i 频段进行了测量，测量中所使用的带宽是在中心频率5 0 h z 处的l g h z 带宽，最大测量带宽达到2 5 g h z ，p r e t t k 甜口；【1 2 2 】和h o v i n e n e f 口【1 2 6 1 使用了2o h z 到80 h z 的频率范围，k e i g n a r t 和d a n i e l e 1 2 3 l 使用的频率范围更 小，为2g h z 到6g h z ，而h l n i s c h 和p 锄p 1 “】在1g h z 到l lg h z 的频率范围 内进行了u w b 信道测量。从频域测量中得到的时域分辨率和时延取决于在给定 带宽内的最小和最大频率及测量中所取的频点数。 g h s 锄m z a d e h “以【1 2 1 】在2 3 个居民区作了广泛的频域测量，测量中观察 到在7 0 n s 之后已没有大于3 0 d b 门限的多径分量，t u r i n e ta 1 【12 刀使用上述测量结 果建立了室内u w b 信道的自回归模型，该通用模型可用于作简单的仿真，然而， 模型中的参数与位置有关，k l l i l i s c h 和p 锄p 【12 4 】观察到信道增益随频率增加而减 小，但该文中没有详细说明他们的测量系统。c 姗e r 【1 2 8 1 证明多径分量导致扩展 的信道脉冲响应，并应使用3 0 0 n s 的窗口，以捕获一定功率范围内的所有多径分 量，为了从接收阵列数据中抽象出信道结果，还考虑了分集技术的使用，研究了 不同发射角度的波束赋形响应。p r e n i e 甜觚1 1 1 说明了他们测量到的u w b 信号 的空间相关性。u w b 信道研究的另一个趋势是基于以前的窄带模型，不过窄带 模型是在特定频段特定情况下推出的，不能直接应用到u w b 信道特性的研究中 来【12 8 】 12 9 1 。 为了说明上述测量模型的不足，c f a m e r 甜矗【1 2 础建议将u w b 信道模拟为 h e m l i t e 多项式之和，这一方法的理由是：当信号激励天线时，常看成是高斯脉 冲，而由于传播及反射效应使得接收到的信号近似具有原信号导数的性质，后续 的研究揭示了这一导数特性是由于特定的天线传递函数引起的【。瑚】，最近，l e e ” 提出了一种使用两射线模型的确定性多径分析方法，并使用s a l e h - v 砒e n z u e l a 模 型表示到达时间的分布【4 】，f o e r s l e r 【13 2 1 也提出了一种统计分析模型。但以上两 种模型的当前结果是基于简单的假设，需要进一步的实验支持。 第4 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 论文研究的目标和主要内容 正是基于对以上背景研究和当前研究现状的分析，选择了本文的研究课题， 针对超宽带无线信道特性，对超宽带无线多径信道进行计算机仿真分析，在本文 中，我们首先介绍了移动通信信道的一般性定义及分类，所介绍的内容紧紧围绕 室内信道的特点进行说明。在此基础上，对超宽带无线通信技术作了一个较为全 面的介绍，其中也作了不少的分析。第四章和第五章则是本文的重点，首先分析 了u w b 信道的参数及统计特性，然后分析了已有的室内多径模型，并按照自己 的方法进行了仿真与分析，同时给出了仿真流程图。 本文的研究内容有： 1 、分析无线移动信道的电波传播特性以及大尺度衰落、阴影衰落和小尺度 衰落的基本特征及分类，侧重分析了室内小尺度多径衰落与大尺度阴影衰落效应 及其相关参数，对小尺度衰落的类型及特性，室内路径损耗模型，多径传播等效 低通信道的传递函数，室内多径信道的s v 理论模型及对数正态衰落模型等进 行分析，它是后面对超宽带室内信道传播模型进行分析的理论与基础，具有重要 的指导意义。 2 、在分析超宽带无线通信技术基本原理的基础上，研究作为u w b 通信信 号脉冲的各种波形的特点及频谱形状，对经过调制后的脉冲的时域及频域特性进 行了分析。 3 、根据测量数据库结合理论计算公式，本文用m a t l a b 计算了u 、b 脉冲 响应、大尺度衰落和r m s 时延扩展。得出了脉冲响应模拟图，研究了u w b 的 传播特点，u w b 系统多径衰落频率特性曲线，并与窄带无线系统多径衰落频率 特性曲线作了对比；对大尺度衰落，利用测量点进行拟合并与自由空间传播作了 对比；最后计算了蹦s 时延扩展，得出了典型值，并与窄带室内系统作了比较。 4 、讨论了窄带室内信道的8 0 2 1 1 模型、s v 模型与一k 模型，研究了u w b 多径信道的统计特性，包括多径到达率、多径衰落的分布、幅度均值衰落的分布 等，在此基础上对前面提到的两种模型作了一些结合，利用m a t l a b 仿真实现 了u 、棚i 的脉冲响应以及功率延迟分布。 5 、在所讨论的信道模型基础上，仿真了在m p a m 调制和r a k e 接收情况 下对数正态衰落和n a k a g 锄i 衰落的系统性能，并进行了讨论。 第5 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 本论文各章节安排如下：第二章论述了室内无线通信传播环境下的大尺度衰 落、阴影衰落和小尺度衰落的特性，室内大尺度和小尺度衰落模型。并介绍了超 宽带无线通信的理论背景与基本原理，包括定义与带宽需求、信号的波形和频谱 信息、超宽带的应用等。第三章超宽带无线信道参数仿真与分析在对数据仿真与 分析计算的基础上，研究了作为室内应用的u w b 系统其信道的特征，如u w b 信号强度分布和相位分布，多径延迟扩展的典型计算值，多径强度分布，以及大 尺度路径损耗的模拟等。第四章在上一章的基础上分析u w b 多径模型的特性， 首先描述了规范和文献中已有的经典窄带室内多径信道模型，它是分析u w b 多 径模型的基础，在此之上分析了u w b 多径模型的幅度分布，功率延迟分布，多 径到达时间，参数估计方法等。然后归纳了目前为止提出的一些u w b 多径模型， 包括s v 模型，s t d l 模型等。在对s v 及s ) l 模型综合和改进的基础上， 对其进行了仿真实现。第五章在所讨论的信道模型基础上，仿真了在m p a m 调 制和r a k e 接收情况下对数正态衰落和n a k a g a l l l i 衰落的系统性能，第六章对全 文进行总结。 第6 页 第二章多径无线信道基本参数与理论模型及超宽带 无线通信基本概念 本章在简要介绍无线信道传播特性的基础上，侧重分析了室内小尺度多径衰 落与大尺度阴影衰落效应及其相关参数，对小尺度衰落的类型及特性，室内路径 损耗模型，多径传播等效低通信道的传递函数，室内多径信道的s v 理论模型 及对数正态衰落模型等进行说明，并对超宽带无线通信的基本原理作了一些介 绍。 2 1 无线信道传播特性 在复杂的移动无线通信环境中，电磁波的传播模式主要为散射、反射和绕射。 在城市的宏蜂窝环境中，由于周围高大建筑物的遮挡，从发射机和接收机之间很 少有可视路径传播信号( l o s ) ，到达接收机的信号都经历了各种障碍物的绕射、 反射和散射。因此，接收信号是由各种散射、反射和绕射信号组成，由于各个信 号的传播路径和传播时间不同，它们到达接收机的时间、幅度和相位也各不相同， 这些信号的相互作用造成了瞬时接收信号相位和幅度的随机波动，这也就是通常 所说的多径衰落，多径衰落是移动无线信道最基本的特性。 由于信号在移动无线环境中的多径衰落，当移动台在一个小的范围内( 一般 为2 0 q o 个波长) 运动时，引起接收信号的幅度、相位和到达角度的快速起伏变 化，这种变化我们通常称之为小尺度衰落，小尺度衰落包括以下两种方式： 1 由于信号的时延扩展而引起的衰落 2 由于信道的时变而引起的衰落 移动无线信道的小尺度衰落可以从空间、时间和频率三个方面进行描述】： 1 由多谱勒频移丽引起的信道频率色散，其造成时间选择性衰落； 2 由时延扩展而引起的信道时间色散，其造成频率选择性衰落： 3 由入射角不同而引起的信道角度色散，其造成空间选择性衰落； 因此，时变的移动无线信道可以看作是频率一时间一角度三维的色散信道，或可 以看作是时间一频率一空间三维的选择性衰落信道。 当移动台在某一大的范围内移动时，由于高大建筑物、山丘和树林等障碍物 第7 页 对电波的遮挡所造成的电磁波阴影而引起的衰落，我们通常称为阴影衰落，其造 成平均接收信号场强中值的变化，这种变化一般是较大范围( 不小于4 0 个波长) 的运动所引起的，因此，我们也称之为长期衰落或大尺度衰落。大尺度衰落主要 受发射机和接收机之间的距离和周围的地物环境的影响。图2 1 从频域和时域两 方面对移动无线信道的衰落特性进行概括描述。下面就超宽带无线通信系统中的 情况，讨论它所涉及到的大尺度和小尺度衰落的一些特性和主要参数以及室内情 况下的一些传播模型。 图2 1 移动无线信道的衰落特征 2 2 小尺度衰落的类型及特性 多径传播和小尺度衰落是无线信道的重要特性，它对超宽带无线通信系统的 性能影响很大，在以后章节中我们还将初步讨论它们对系统误码性能的影响。小 尺度衰落对信号主要有以下三个方面的影响： 1 在小距离或短时间内接收信号幅度的快速起伏变化； 2 每条多径信号不同的d o p p l e r 频移所引起的随机调制； 3 多径传播的时延所引起的时间色散。 影响小尺度衰落的主要因素有多径传播、移动速度、周围物体的移动速度以 第8 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章多径无线信道基查叁墼量墨鲨塑型墨塑童堕墨些望堕茎查堡垒 及信号的传输带宽。前面我们已经讨论过短期衰落根据传输信号的带宽、移动速 度和不同的传播环境，可以分为四种不同的衰落类型平坦衰落和频率选择性 衰落，快衰落和慢衰落，如图2 2 所示，其中，、b 吸为传输信号带宽，b 眈为信 道的相干带宽，f 。为均方根时延扩展，t 为传输码元周期，l 为信道的相干时 间。下面我们将首先介绍表征短期衰落特性的几个重要参数，然后分别讨论这四 种短期衰落的特性。 图2 2 短期衰落的特性及分类 2 2 1 小尺度衰落特性参数 目前u 、釉多径信道参数多来自功率延迟分布，功率延迟分布是一个基于固 定时延参考量的附加时延的函数，常以相对接收功率图的形式表示，将基于本地 的瞬时功率延迟分布取平均就可以得到功率延迟分布，可用它来求解平均小尺度 功率延迟分布，其值来源于大量近距离瞬间分布采样。 一、时间色散参数 为比较不同多径信道以及开发无线系统设计的方法，采用了量化多径信道的 一些参数，其中有平均附加时延，删j 时延扩展f 。，附加时延扩展p 吼矽和相干 带宽口睨它们均是描述信道的时间色散参数。这些参数可由功率延迟分布得到， 第9 页 宽带多径信道的时间色散特性通常用平均附加时延f 和r 肌5 时延扩展来定量描 述，平均附加时延是功率延迟分布的一阶矩，定义为阱1 ： q尸( 靠) q 忙莳2 玺丽 g _ d r 舢时延扩展是功率延迟分布的( 功率时延谱p ( 气) ) 的二阶矩的平方根， 定义为【2 2 】： f m = 莩盹研( 莩盹，。 2t 砂( 弘， 2 ( 2 2 ) 这些时延量在0 = o 时刻，第一个可检测信号到达接收机时开始测量，式( 2 1 ) ( 2 2 ) 并不依赖于p ( f ) 的绝对功率电平，而仅依赖于多径分量的相对幅度，其值不超 过p ( f ) 。，舢时延扩展的典型值对于室外无线信道为毫秒级，而对于室内信道则 为纳秒级。 功率延迟分布的最大附加时延( 檄彤定义为多径能量从初值衰落到低于最大 能量尉日处的时延，抉句话说，最大附加时延定义为以一，其中是第一个 到达信号的时延，f ，是最大时延值，其间到达多径分量不低于最大分量减去强熠， 当然最强多径分量不一定在f 0 处到达。最大附加时延口船处) 定义了高于某特定 门限的多径分量的时间范围。h 的值有时被称为某功率延迟分布的附加时延扩 展。在所有情况下，都必须规定一个门限值，将多径噪声水平与接收的最大多径 分量联系起来。 需要注意的是，功率延迟分布与移动无线信道的幅度频率响应( 谱响应) 之 间通过付立叶变换联系起来。所以，可以通过信道的频率响应特性在频域内建立 等价的信道描述。与时域的时延扩展类似，频域的相关带宽用于描述信道特性。 r r i l s 时延与相关带宽之间的确切关系，是特定多径的函数。它们之间总的来说成 反比关系。 第l o 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章多径无线信道基本参数与理论堡型垦塑童塑差些堕堕苎查堡垒 二、相干带宽 相干带宽与时延扩展成反比，它们的确切关系要视具体的多径时延分布而 定。相干带宽是指在某一频率范围内信道可认为是“平坦的”的一个统计量度， 所有频率分量具有相同的增益和线性的相位；或者说在某一频率范围内其任意两 个频率分量有很强的幅度相关性。例如，当我们定义相干带宽为相关性大于0 9 的带宽，则 b 睨兰：壬一 ( 2 3 ) 5 0 f 。 、7 若定义为相关性大于o 5 的带宽时， 丑形兰_ l( 2 4 ) ) f 三、d o p p l e r 扩展和相干时间 时延扩展和相干带宽描述了信道的时间色散特性，但并没有反映当移动台与 基站相对运动时所引起的信道时变的特征，d o p p l e r 扩展和相干时间就是描述在 短期范围内信道时变特性的参数。 d o p p l e r 扩展厶是指移动无线信道的信道变化率所引起的频谱扩展。如果基 带信号带宽远大于l ，则厶的影响可以忽略不考虑。d o p p l e r 扩展引起信道的 频率色散，而信道的相干时间c 就是用来表征信道频率色散在时域上的时变特 性。也就是说，相干时间指的是信道脉冲响应基本保持不变的时间持续的一个统 计量度，或者说在某一持续时间内两个接收信号具有很强的幅度相关性。我们如 果把相干时间定义为时间相关性大于o 5 的时间间隔，则 疋。熹 ( 2 5 ) 1 6 矾 一7 我们通常把相干时间定义为。，实际上在这个时间间隔内接收信号幅度可 ，m 能有很大的波动，而瓦* 话则限制太强，因此现代数字无线通信中通常把相 干时间定义为两者的几何平均，即 第1 l 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章多径无线信遒基查塑墼量里丝坚皇墨塑童堕垂望望堡薹查堡查 疋* 压z 半 2 2 2 平坦衰落和频率选择性衰落 ( 2 6 ) 由前面的讨论我们知道，由于信道时间色散所引起的多径时延扩展，它分别 引起两种不同类型的短期衰落。 当口睨 f 。时，信道为平坦衰落，所有信号的频率分量在这种 信道中具有相同的增益和线性的相位。平坦衰落信道有时也称为“窄带信道”， 因为信号的带宽相对于信道平坦衰落带宽是很窄的。 而当日 b 呒，c f 。时，信号经过信道将会产生频率选择性衰落，这 种衰落将会造成传输信号的码间干扰。从频率的角度来看，接收信号频谱的某些 分量与别的频率分量相比增益较多。频率选择性衰落信道有时被称为“宽带信 道”，因为信号带宽大于信道频率响应的带宽。如果瓦1 0 r 时，我们一般认为 这个信道为频率选择性衰落信道，虽然这还取决于具体的调制方式。 2 2 3 快衰落和慢衰落 快衰落和慢衰落是根据基带信号的变化与信道的变化速率相比来划分的。如 果信道在一个码元持续时间内有变化，即疋 疋，则信道为快衰落信道：反之则 为慢衰落信道。从频域上来考虑就是d o p p l e r 频率扩展l 大于基带信号的带宽 b 时，信道为快衰落的。当d o p p l e r 频率扩展厶小于基带信号的带宽b e 时， 在一个或几个码元内信道可以认为是静止不变的。 2 3 大尺度路径损耗 电磁波的传播机理是多种多样的，但总体上可以归结为反射、绕射和折射。 对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测和特定位置附 近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它 们描述的是发射机与接收机之间( t - r ) 长距离上的场强变化，所以被称为大尺 度传播模型。以下就介绍常用的对数距离路径损耗模型和对数正态阴影模型，它 第1 2 页 们都可用于对实际u w b 链路进行预算设计。 2 3 1 对数距离路径损耗模型 基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外无线信道，平均接收信号 功率随距离的对数衰减，这种模型已被广泛使用，对任意t - r 距离，平均大尺度 路径损耗表示为【2 3 】： 珊，* ， 瓦( d ) 经常以分贝表示为2 _ 3 】： 咒( 如) = 儿( 玩) ( 锄) + l o 疗l o g ( 州哦) ( 2 8 ) 其中，n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率，玩为近地参考 距离，由测试决定，一般的，对于室内信道而取为l 米。尸( d ) 上的横杠表示在 给定的d 值的平均路径损耗( 经过不同的地点) 。幂指数h 与频率、天线高度以 及传播环境有关。在自由空间中，n = 2 ，当存在阻挡物时，n 的值变大。在离发 射机为而处的参考点的路径损耗为儿( 哦) ，一般通过测量或者使用自由空间路 径损耗公式计算得出。 2 3 2 对数正态阴影 公式( 2 8 ) 模型未考虑在相同t r 距离情况下，不同位置的周围环境差别， 这就导致测试信号与式( 2 8 ) 预测的平均结果有很大差异，测量表明对任意的d 值，特定位置的路径损耗瓦( d ) 为随机正态对数分布24 1 ，所以，路径损耗z ( d ) 可以表示成凡( d ) 加上一个随机变量x 。： 儿( d ) ( 厕= m ( 氏) ( 扭) + l o 盯l o g ( 氏) 十以( 拈)( 2 9 ) 和 e ( d ) 【斑沏】- 科如州一儿( d ) 【d 明( 天线增益包括在p 彻中) ( 2 1 0 ) 其中j 0 为一个o 均值高斯分布随机变量，单位为d b ，标准偏差为口，单位也是 第1 3 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二熏圭堡垂些堕堕苎查苎墼皇堡丝堡里墨望重苎歪燮苎查墨查 d b 。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同t - r 距离时，不同的随机阴 影效应，这种现象叫对数正态阴影，对数正态阴影意味着在特定t - r 距离的测试 信号电平是式( 2 8 ) 的平均值的高斯分布，其中测试信号单位为d b ，高斯分布 标准偏差的单位也是d b ，这样，利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。 近地参考距离矾、路径损耗指数玎和标准偏差口统计描述了具有特定t - r 距离的特定位置的路径损耗模型。该模型可用于无线系统设计和分析过程中对任 意位置接收功率进行计算机仿真。 实际上，在u w b 信道中，一和盯值是测试数据，使用线性递归使测量值和 估计值的最小方差最小的计算方法得到的。式( 2 8 ) 中的值儿( 巩) 或基于测量 或基于估算。 2 3 3 阴影衰落 由前面的论述可知，在几十到几百个波长距离上的信号小尺度变化耍用瑞 利统计描述。由于阴影遮挡、地形变化引起的信号中尺度变化，要采用高斯统计 描述。因为通过起伏地形和高度随机变化的成排建筑物的传播呈现的是慢衰落统 计特性，或小范围内取平均的变化，这就给上一节介绍的路径损耗加上一个随机 变化。 阴影衰落使所预测的路径损耗会产生相当大的变化。由于阴影变化是由基 站和移动台之间大的地形特征，如在宏小区中的建筑物和丘陵以及在微蜂窝中像 车辆这样较小的物体所产生，在宏小区中，障碍物的有效变化尺度一般为几百个 波长，所以阴影的影响在几十个波长内基本上保持不变。如果围绕一条以基站为 圆心的圆形路线( 也就是保持基站和移动台之间的传播路径长度不变的路线) 上 收集数据时，在正态概率纸上画出的用分贝表示的平均接收功率将是一线性分 布，因而称为对数正态一阴影传播机制。 对数正态一阴影传播机制是由于基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影 响，在信号到达的时候，已经经历了多次反射或绕射，每次反射或绕射都可以用 衰减来表征，也就是每个单独的信号都有某种程度上衰减的随机变量，因此最后 由多个随机变量叠加后的接收信号值就是对它们取对数后进行相加( 用d b 表示 的话) 。由中心极限理论可知在一般情况下其和的分布则是正态分布因而显示 第1 4 页 南京邮电学院硕士研究生学位论文麓三童童堡垂些堡堕茔查茎塾兰堡堡塑里墨塑童堂垂些墨堕苎查堡垒 出高斯统计。在自然单位中( 也就是不用d b 表示) ，其和对应于对数正态分布。 如果把路径损耗和阴影变化结合起来，在离基站距离d 处的几十个波长间 隔上的平均接收功率给出为= r 船一l o l o g d + q ，( 。) ，这里的阴影变化电平 q ，( d ) 应该是具有0 d b 均值( 盹= o 拈) 的正态分布量，并与所在位置有关。如 果在同样距离d 的另一些位置上测量平均功率的话，虽然不同的障碍物在起作 用，但将会发现画出了类似的高斯( 正态) 信号集合。 2 3 4 大尺度室内传播模型 随着p c s 及u w b 等系统的采用，人们越来越关注室内无线电波传播情况， 室内无线信道有两个方面不同于传统的移动无线信道，一覆盖范围更小，环境变 动更大。建筑物内传播受到诸如建筑物的布置，材料结构和建筑物类型等因素的 强烈影响，本节概述建筑物内路径损耗模型，它是后面讨论的基础。 室内无线传播同室外具有同样的机理：反射，绕射和散射。但是条件却很不 相同，例如，信号电平在很大程度上依赖于建筑物内门是开还是关。天线安装在 何处也影响大尺度传播，天线安装于桌面高度与安装在天花板的情况会有极为不 同的接收信号。同样地。较小的传播距离也使天线的远场条件难以满足。室内无 线传播是一个较新的领域，文献 2 4 】对大量家用和办公室建筑周围及内部路径损 耗进行了仔细的研究，最近，人们对超宽带在室内传播情况下的路径损耗也作了 大量的测量与研究。 一般来说，室内信道分为视距( l o s ) 和非视距( n l 0 s ) 两种，并随着环 境杂乱程度而变化，主要模型包括：同楼层的分隔损耗模型，它主要以表格的形 式给出在不同频率不同材料类型情况下分隔的平均信号损耗；楼层间的分隔损耗 模型，也是以表格的形式给出：对数距离路径损耗模型，它与( 2 9 ) 式具有一 致的形式，即儿( d ) ( 矗动= 儿( 成) ( d 8 ) + 1 0 h l o g ( d 矗) + j 0 ( 扭) ，其中疗依赖于周 围环境和建筑物类型，以表示标准偏差为盯的正态随机变量，它们的值由测试 决定：e r i c s s o n 多重断点模型，它没有考虑对数正态阴影成分；以及衰减因子模 型【25 1 ，这一模型灵活性很强，衰减因子模型为： 第1 5 页 瓦( 州扭】= 瓦( 磊) 【船】“。1 0 9 【鲁j + 删研扭】 ( 2 _ 1 1 ) 其中，以。，表示同层测试的指数值，如果对同层存在很好估计值盯，则不同层路 径损耗可通过附加翩f 值( 有表可查) 获得。或者在式( 2 1 1 ) 中，f a f 由考虑 多楼层影响的指数所代替。 瓦 ) 捌= 瓦) + l o 1 0 9 l 剖 ( 2 1 2 ) 其中，h 。表示基于测试的多楼层路径损耗指数。d e v a s i r v a 廿删【2 6 1 等人发现，室内 路径损耗等于自由空间路径损耗加上附加损耗因子，且随距离成指数增长，对于 多层建筑的工作，( 2 1 1 )