（电磁场与微波技术专业论文）基于射线跟踪的室内uwb传播信道模型研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 作者：潘子一 指导教师：张业荣 题目：基于射线跟踪法的室内u w b 传播信道模型研究 英文题目：r e s e a r c ho ni n d o o ru l t r a w i d e b a n dp r o p a g a t i o nc h a n n e l 主题词： k e y w o r d s ： m o d e l su t i l i z e dr a yt r a c i n gt e c h n i q u e 超宽带射线跟踪信道模型传播特性 u l t r a w i d e b a n d ，r a yt r a c i n g ，c h a n n e lm o d e l s ，p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s h 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 超宽带( u w b ) 技术具有传播速率高、系统容量大、抗多径干扰能力强、功耗和成本低 等优点，已经逐渐成为无线通信领域开发的一个热点，并被视为下一代通信的关键技术之 一o 研究u w b 信道模型和传播特性是u w b 通信系统设计的重要步骤。本文在比较统计性建 模方法和确定性模建模方法优缺点的基础上，采用基于射线跟踪法的确定性方法建立u w b 室内信道模型，对简单室内环境中的u w b 信号传播特性进行了深入的研究。 本文主要的研究工作如下： ( 1 ) 比较了统计性建模方法和确定性建模方法的优缺点，阐述了基于射线跟踪法建立 确定性信道模型的优势。 ( 2 ) 研究了射线跟踪技术的基础理论，分别从时域和频域两个方面采用3 d 镜像跟踪法 建立信道模型。然后对比两种模型，采用互相验证的方式来证明本文方法的正确性。 ( 3 ) 在验证本文方法正确的基础上，深入研究u w b 信号室内空间任一点的传播特性、 空间接收总功率分布、路径损耗与距离的关系、反射次数对接收功率的影响、电磁参数对 传播特性的影响、射线跟踪法结合f d t d 建立混合模型计算室内场强分布。 关键词：超宽带，射线跟踪，信道模型，传播特性 a b s t r a c t f o rt h ea d v a n t a g eo fh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d ，g r e a ts 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 h i 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 t ，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 s b 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 sc 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 y t e c h n o l o g yo f n e x tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ng e n e r a t i o n t h es u c c e s s f u ld e s i g no fu w bc o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e l i e so n ，t h ek n o w l e d g eo ft h e u w bc h a n n e lm o d e la n dc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i st h e s i s ，u w bi n d o o rc h a n n e lm o d e la n di t s s i m u l a t i o na r ei n v e s t i g a t e d b a s e do nt h ec o m p a r i s o no ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h es t a t i s t i c a lc h a n n e lm o d e l sa n dd e t e r m i n i s t i cm o d e l s ，ad e t e r m i n i s t i cu w bm u l t i p a t hc h a n n e l m o d e lb a s e do nr a yt r a c i n gm e t h o da n dt h ep r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fu w bs i g n a l si na n e m p t yr o o mi sd e v e l o p e d ，s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i 0 9 3w e r ed e r i v e db ys i m u l a t i o na n d a n a l y s i s t h er e s u l t so fs t u d ya n dm a i ni d e ai nt h ep a p e ra r eg i v e na sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nr e s e a r c ho ft h es t a t i s t i c a lc h a n n e lm o d e l sa n dd e t e r m i n i s t i cm o d e l s ，t h e a d v a n t a g e so fd e t e r m i n i s t i cr a y t r a c i n gm o d e lw a sp r e s e n t e do n i n d o o rc i r c u m s t a n c e ( 2 ) u s i n gr a y - t r a c i n gm e t h o ds e tu pi n d o o rc h a n n e lm o d e lo nt i m e - d o m a i nm e t h o da n d f r e q u e n c y - d o m a i nm e t h o ds e p a r a t e l y t w od i f f e r e n t m o d e l so fc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa r e c o m p a r e d ，a n ds h o w sr a y t r a c i n gm e t h o di sc o r r e c t ( 3 ) t h o u g hr a y - t r a c i n gm e t h o d ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fu w bs i g n a l si na n e m p t yr o o mi ss t u d i e di nd e p t h a u t h o rh a ss i m u l a t e dt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa n y p o i n ti ni n d o o rs p a c e ，t h ed i s t r i b u t i o no ft o t a lr e c e i v ep o w e r , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a t h l o s s a n dd i s t a n c e ，t h ei m p a c to fr e f l e c t i o nr a yn u m b e r si sd i s c u s s e dt h ea n a l y s i so ft h ea v e r a g e p o w e ra tr e c e i v i n ge n d ，h o w t h e e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r i n f l u e n c et h e p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c si nt h er o o m ，t h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yw a sc a l c u l a t e db yf d t d c o m b i n e dr a y t r a c i n gm e t h o d k e yw o r d s ：u l t r a w i d e b a n d ，r a y t r a c i n g ，c h a n n e lm o d e l s ，p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i i o 目录 摘要i a b s t r a c t ；i i 目录j ：i i i 第一章绪论：- 。：l 1 1u 、糨定义j ：j ：- 。：- j ： ：l 。1 2u w b 技术优势及其应用：_ j 2 1 3u w b 室内建模方法分类：j 。j ：1 4u w b 信道建模国内外研究现状一：_ 。一3 1 5 本文主要研究工作及创新点- ：7 第二牵室内多径统计模型。- _ _ ：o 。8 2 1s v 室内信道模型一：j ：。：8 2 2i e e e8 0 2 1 5 3 a 室内多径信道模型o 。：9 2 3 本章小结：1 0 第三章基于射线跟踪的多径模型：l1 3 1 信道传播特性的基本因素j 。11 3 2 射线跟踪基本理论一：l l 3 3 三维镜像法射线跟踪技术。1 2 3 3 1 镜像法原理1 2 3 3 2 室内3 d 镜像法一1 3 3 4 室内频域和时域多径传播模型1 4 3 4 1 冲激响应系统一1 4 3 4 2 反射理论1 5 3 4 3 时域反射系数：；1 7 3 4 4 频段分割1 9 3 5 确定性模型用于u w b 建模的优点2 0 3 6 射线跟踪和f d t d 法混合模型2 l 3 6 1f d t d 基本理论2 1 3 6 2 射线跟踪与f d t d 法结合2 3 3 7 本章小结2 5 第四章u w b 室内传播模型比较及其验证2 6 4 1u w b 室内传播特性所需的信道参数2 6 4 2 基于射线跟踪的多径信道模型_ 2 6 4 2 1 房间环境描述2 6 4 2 2 测试发射信号2 7 4 2 3 仿真信道传播特性2 8 4 3 时域多径特性仿真结果3 0 4 4 射线跟踪法可行性验证3l 4 5 本章小结3 1 第五章u w b 信号室内传播特性仿真及分析3 2 5 1 空间任一点传播特性3 2 5 1 1 接收天线信号包络3 2 i i i 5 1 2 到达角分布3 2 5 2 室内接收功率分布_ 3 3 5 2 1 室内水平面接收总功率分布3 3 5 2 2 室内垂直面接收总功率分布3 4 5 3 室内路径损耗与距离的关系3 6 5 4 反射次数对接收功率的影响，3 8 5 5 不同电磁参数对传播特性的影响3 9 5 5 1 介电常数对传播特性的影响一4 0 5 5 2 电导率对传播特性的影响_ ：一：4 2 5 6f d t d 与射线跟踪混合模型计算室内场强分布! ：_ ? 4 3 5 7 本章小结：j j ：j 一4 4 第六章全文总结：_ ：，：一4 5 ，6 1 研究工作及内容回顾j ：j j 。：4 5 6 2 研究的结论与贡献：4 5 6 3 前景展望。j 4 6 参考文献。o - 4 7 硕士阶段公开发表论文。 ：j ，5 l i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 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 l t r a w i d eb 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i 开发的个热点，并被视为下代无线 通信的关键技术之。由于u w b 技术的种种优点，u w b 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 an e t w o r k ) ，j 的主要技术之一。 ，：，： 1 1u w b 定义 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，简写为u w b ) 通信的最初形式为直接脉宽为纳秒或亚纳秒 级的脉冲作为信息载体的冲激无线电技术( i m p u l s er a d i o ，。简写为i r ) ；其历史可以追溯 到1 9 4 2 年d er o s e 提出的随机脉冲的专利。2 0 世纪6 0 年代对时域电磁学的研究进一步 促进了u w b 技术的发展，从其出现到2 0 世纪9 0 年代以前，u w b 技术主要采用最初冲 激无线电形式，并主要用于军事上的雷达和低截获低侦查率的无线系统。随着微电子器 件的高速发展，u w b 技术开始应用于民用领域，在国际上掀起了对其研究、开发和应用 的热潮，并被认为是下一代无线通信的革命性技术。2 0 0 2 年2 月1 4 日，这项无线技术首 次获得了美国联信委员会( 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 ，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+ 无) 2 ( 1 1 ) 相对带宽2 订猕 0 2 ) ， 式中：厶能量功率谱密度的上限频率( g h z ) 能量功率谱密度的下限频率( g h z ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 2 0 0 2 年4 月，美国f c c 给出“超宽带”的两种定义 2 。第一种定义对军方的定义作 了两点修改，一是信号的带宽是指1 0 d b 带宽，即厶和 分别表示低于信号最大发射( 包 括天线的影响) 1 0 d b 处的高端频率和低端频率，二是信号的相对带宽大于或等于o 2 ；第 二种定义是信号的1 0 d b 带宽大于或等于5 0 0 m h z ，而不管相对带宽是多少。 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l 或带宽小于2 0 m h z ，例如2 4 g h z 的i e e e8 0 2 “无线局域网络等。 1 2u w b 技术优势及其应用 一。 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。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。 u w b 技术在下列领域已经显出或估计会有很大的发展潜力： ( 1 ) 短距离( 1 0 r e 以内) 高速无线多媒体智能局域网和个域网。在家庭和办公室中，根 据需要将各种计算机、外设和数字多媒体设备，利用u w b 无线技术，在小范围内动态地 组成分布式自组织( a d h o c ) 网络，协同工作，相互连接，传送高速多媒体数据，并可通过 宽带网关，接入高速互联网或其他宽带网络。这一领域将融合计算机、通信和消费娱乐业， 被视为具有超过移动电话的最大市场发展潜力。 ( 2 ) 智能交通系统。u w b 系统同时具有无线通信和定位的功能，可方便地应用于智 能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、车内智能网络、测速、监 视等提供高性能、低成本的解决方案。 ( 3 ) 军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域。用做隐秘安全通信、 救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、穿墙成像、监视和入侵检测、医用成像、 贮藏罐内容探测等。 ( 4 ) 传感器网络和智能环境。这种环境包括生活环境、生产环境、办公环境等，主要 用于对各种对象( 人和物) 进行检测、识别、控制和通信。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3u w b 室内建模方法分类 为了评估各种u w b 通信的实现方案的性能，通常需要根据其工作环境建立个比较精 确的信道模型，但由于u w b 信号的特殊性，如持续时间为f i s 级、带宽很宽、抗干扰等， 因此它的信道特性会有二些和窄带通信系统不同的特点，但还要借鉴原有窄带信道方面的 概念，进行广泛。深入的研究。 ? 研究电波传播的一个主要方法是建立信道模型，其目的就是描述设备工作环境中的大 尺度路径特征和小尺度路径特征。信道模型对信道链路估算，传播范围的规划和物理层方 案的评估都是必需的。一般通信系统的研究以室内和室外电波传播的特性为基础：依靠电 波传播的特性来建立信道的模拟仿真，一般分为两种方法 3 。， ，( 1 ) 理论分析和数值计算方法： ， 、 利用射线追踪法，有限时域差分法获得确定性的信道模型，由于其理论分析较复杂， _ 般只用在较简单和确定的环境中。 ( 2 ) 统计分析方法： 信道模型是通过统计分析和实验方法相结合得到的，实验的方法依赖于测试数据的曲 线拟合得出一些解析式。目前这方面的工作主要集中在测量手段和数据处理上。 信道的统计分析又分为两个过程 4 ： ( 1 ) 路径衰落的统计分析： ， 建立在k s 检验基础上，设定一定的检验水平，然后通过不同的分布( 分布参数通过 极大似然估计获得) 进行拟合，数据拟合的好坏以检验通过率的大小来区分。 ( 2 ) 设定模型的仿真： 假设一定的信道模型，通过一定条件下的信道仿真获得信道的表征参数，对于多径信 道模型来讲，表征主要参数包括平均附加时延均方根时延扩展平均多径数量( 峰值功 率的某d b 范围内) ，然后与实测数据相比较，若符合则表明此模型具有代表性，可以在实 际中应用。 1 4u w b 信道建模国内外研究现状 当前，u w b 无线信道成为热门研究课题，国内外许许多多学术研究者用各种手段研究 u w b 通信的信道模型，并取得一些成果 5 。研究无线信道传播的方法可以分成两种：第 一种是随机统计方法，也就是使用各种统计手段，分析信道各个参量的统计特性，实验研 南京i 耶电大学硕士研究生学位论文第一牵绪论 究信道的传播规律和统计特性，比如基于实验测量的冲激响应法，这是一种完全随机性的 方法。第二种是确定性方法，也就是根据m a x w e l l 方程对传播信道进行研究，这种方法主 要是研究信道的传播过程和机理，比如f d t d 6 方法，还有高频近似的射线跟踪方法。这 两种方法在脉冲信道研究领域都已经得到应用。冲激响应法是通过实验对脉冲信道进行测 量，研究给定发送信号序列和接收信号的统计特性，得出信道的冲激响应，从中提炼出脉 冲信道模型。这种方法需要非常专业的测量仪器和设备，对实验条件要求非常高。目前这 种方法使用最为普遍，得到的研究成果也最多。而射线追踪法是一种成熟的面向电磁场工 程应用的方法，它包括几何光学跟踪和几何绕射跟踪两大块，前者用来跟踪反射线和折射 线，后者用来跟踪绕射线。对几何光学方法，目前国内外已给出不同的跟踪算法，但可以 大致归结为传统的镜像法、极小光程法、测试射线法、发射及反弹射线法和确定性射线管 法等 7 o 一 u w b 脉冲信道传播模型的研究是从1 9 9 7 年开展起来的，近几年有大量研究成果发表， 但绝大多数研究成果是基于大量实验测量数据的统计分析得到的，而理论研究论文还甚 少。这些成果包括自回归a r 模型、简单泊松模型、修正泊松模型、s - v 模型、一k 、随 机抽头延迟线信道模型( s t d l ) 、以及i e e e 8 0 2 1 5 3 a 模型、i e e e 8 0 2 1 5 4 a 模型等。自回 归a r 模型是一种频域多径模型，此模型通过在频率4 3 7 5 一- - 5 6 2 5 g h z ，用3 0 0 0 0 0 个频率 分布响应来测量获得数据，建立了频率响应的a r 自回归室内信道模型，并阐述了模型参 数的概率分布和参数间的从属关系。在测量中，信道频率响应在时间上没有明显变化而被 看作时不变系统。简单的泊松模型是最早引入的u w b 模型。假设在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兄的泊松过程，路径是按指数衰减的，时间衰减常数 为y ，路径的幅度服从标准方差为矿的对数正态分布。修正的单一的泊松过程能更好的表 达早期到达的多径成分居显著地位的视距信道环境，在视距环境下，最先到达的多径幅度 比后到达的多径幅度要大，多径到达的时间服从指数分布，多径幅度服从对数正态分布， 多径成份的平均能量服从指数衰落分布。f o e r s t e r 提出的超宽带信道模型( i n t e l 模型) 采用s v 模型的建模思想 8 ，根据2 一- 8 g h z 无线信道实测数据提取信道特征，提供 0 1 6 7 n s 时间分辨率，统计衰落特征符合对数正态分布。s - v 模型是描述多径按簇分布现 象的信道模型，用两个独立的p o i s s o n 过程，分别描述簇的到达和簇内的分布，由于该模 型采用了双指数衰减模型，比较贴近于实际信道。一k 模型提供了描述u w b 信道中多径 按簇分布现象但采取了单个指数衰减的方法，所以不能很好的反应视距或者非视距中的均 方根时延扩展( f m ) 和平均时延扩展( r 。) 。c a s s i o l i 等人在一k 模型的基础上提出了随 4 南京邮电大学硕士 i 究生学位论文第一章绪论 机抽头延迟线信道模型( s t d l ) 9 ，对幅度统计特性的描述使用n a k a g a m i 分布，其i n t e l 的测量数据相吻合。文献 8 把抽头延迟线模型、一k 模型和s v 模型三种模型与测量数 据进行拟合比较和分析发现，s v 模型更好描述u w b 脉冲信道特征，因此该模型目前获 得同行的认可。后来也有研究者提出_ 种基于a r a k e 接收机思想 1 0 的u w b 信道模型改造 方法。2 0 0 3 年2 月，i e e e8 0 2 1 5 3 a 官方机构在“信道建模小组委员会最终报告” 11 。 中总结了当时所有信道模型研究的成果，提出了一个推荐使用的u w b 信道模型，包括多径 传播模型 8 ，9 和路径损耗模型 8 ，1 2 ，1 3 。i e e e s 0 2 1 5 3 a 标准模型中，根据对实测数据 i 的分析，基于s v 模型的特征，采用双指数衰减分别描述路径群和群内路径的平均信号 点平变化，采用双泊松过程描述路径群到达率和群内路径到达率，不同之处就是把s - v 模型中每一径的幅度不再服从瑞利分布而根据实测结果符合对数正态分布，这样可以更好 、： 的拟合实测数据。 ，j ， 脉冲无线信道作为u w b 无线通信技术中非常重要的研究内容，国内外很多研究者对其 信道特性进行了大量的研究和测量工作，并将测量结果以网站、研究报告或论文方式发布。 归纳起来，从实验测量的频段来看，各种测量带宽都有，基本上集中在3 1 至1 0 6 g h z 频段之间的某段频带上，但测量的绝对带宽均超过5 0 0 m h z 。从测量方式来看，有基于频 域的测量和基于时域的测量，但这两种方法得到的信道特性基本上是一致的。关于u w b 室内信道特性最著名的时域测量是由美国南加利福尼亚大学的u l t r al a b 研究组进行的， 与时域公式相结合 1 4 ，1 5 ，他们的测量使用了取样示波器，脉冲发生器和宽带天线，这 些测量结果用于进一步分析与建模，但在这些测量中没有提供所使用的脉冲形状和天线特 性的信息。得到u w b 信道特性的另一个方法是频域信道测量，然后由反傅立叶变换将结果 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。在频域信道测量技术测量 u w b 传播信道方面，己发表的文献主要有：g h a s s e m m z a d e h e t a l z 6 ，p r e t t i e e t a l 1 7 ， k u n i s c b 1 8 和p a m p 1 9 ，s t r e e t e t a l 2 0 ，c r a m e r e t a l 2 1 。为了说明上述测量模型的 不足，g r a m e r e t a l 2 2 建议将u w b 信道模拟为h e r m t i 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，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。从测量环境来看，主要是集中在居住和办公的室内环境，人体域和桌 面等特殊环境，医院，工厂，也包括室外传播环境的测量。从测量内容来看，测量的参数 主要是脉冲信道的多径时延、多径衰落幅度、多径的相位特征和多径问的时间和空间的相 关性等。尽管这些测量结果用于描述各种传播环境下u w b 信道的电波传播特性的典型参数 是具有一定的代表性，但由于实验研究结果与测量环境紧密相关，因此所给出的研究结果 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 并不具备普遍性，从而形成的模型难以作为通用模型用做u w b 信道模型。同时，这些室内 测量的测量环境是时不变的，因此传播信道也是时不变的。最近，也有少量测量是研究室 内散射体发生移动的传播环境 2 3 ，这样的测量环境是时变的。但对室外环境的短距、时 变u w b 信道的测量还有待进一步完善。 基于大量实验数据的统计模型给出的是信号传播的一般统计规律，没有考虑到从发射 天线到接收天线传播过程中有耗介质表面的透射、反射和绕射所引起的波形失真影响。因 此，基于处理波形失真的新方法，需要开发一种恰当的信道模型，精确描述u w b 传播特征。 由于u w b 具有非常宽的带宽，也即非常短的脉冲波形，因此u w b 传播是一种瞬态电磁问题。 对瞬态电磁场问题的研究方法是以时域方法为主，比如f d t d 方法等。但对电大尺寸目标， 比如室内和室外的传播环境，利用上述的数值方法不仅计算机的存储不能满足，计算时间 也会成为问题。因此，u w b 信号传播问题可以采用高频近似方法一一射线跟踪方法 2 4 ，2 5 。但也有采用射线跟踪与时域方法相结合建立u w b 室内传播模型 2 6 ，2 7 ，用以分 析和描述超宽带信号经室内多径环境传播中的时域电场强度。 ， 目前，利用确定性模型研究u w b 信道传播特性的文献还很少，文献等给出一种模拟 u w b 信道的方法，并把u t d 方法和射线跟踪方法结合起来用于解释怎样得到室内或室外环 境的跳时( t h ) 调制波形，并考虑到传输天线、多径传播和接收天线的影响，但文章没有提 及是在时域上还是在频域上进行模拟的。文献 2 8 利用射线跟踪提出一种确定性u w b 室内 信道的传播模型，用于典型室内环境中计算机模拟，并对u w b 传输系统内主要参数给出分 析。但这两种方法均没有完整地给出u w b 信道传播特性与传播环境联系起来。文献 2 9 表明，对室外视距环境，直接射线和地反射线的两个分量就足以描述室外脉冲信道传播模 型。 u w b 信号是一种非正弦的脉冲信号，其传播特性的研究不同于传统窄带的研究，要么 时域方法要么是频域方法。y a o 9 0 ，3 1 ，3 2 提出一种时域射线跟踪方法用于研究室内u w b 信号的传播特性，并建立室内多径传播模型用于研究室内u w b 信道的传播特性，该模型考 虑到时域反射场、透射场和绕射场，但y a o 的研究中，用标量合成法计算u w b 信号场强， 而且采用镜像法的射线跟踪法，镜像法在复杂环境中实用性不高。e m a m i 等 3 3 利用射线 跟踪方法给出用于农场区域环境的室外u w b 信道模型，该模型是由两射线和三射线路径组 成的。h i r o t o 3 4 给出频域射线跟踪方法模拟u w b 系统的传播特性，包括覆盖区及其与其 它无线系统的干扰问题。 综上所述，国内外的u w b 信道模型的研究主要还是集中在实验研究上。但我们知道实 验信道模型是与实验测量的特定传播环境有关，这样的模型并不具代表性。近几年，只有 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 少量文章是利用理论方法研究u w b 信道传播模型，但并没有完整给出u w b 脉冲信号的传播 模型和波形特征与周围传播环境关系。因此，利用射线跟踪方法和u t d 技术研究u w b 脉冲 信号的传播特性、波形特征的影响因素是很有必要的。 1 5 本文主要研究工作及创新点- i ： -如上所述，使用射线跟踪法研究室内u w b 信道模型在技术上具有可行性。 ：+ ： i 本文课题主要来源于国家自然科学基金项目：超宽带脉冲的传播特性及其传播模型的 研究，项目编号为6 0 6 7 1 0 6 5 ，研究的重点是基于射线跟踪法研究室内超宽带信号的传播 l 特性。 ，： 7 主要研究工作为： ! _ 。， ( 1 ) 对u w b 室内传播特性进行深入研究，并选用射线跟踪法进行仿真，比较各种射线 跟踪方法后，最后采用镜像法进行理论u w b 信道。一 i 一 ( 2 ) 基于镜像法定的射线跟踪，分别在时域和频域进行信道建模，并用m a t l a b 编写程 序仿真信道模型。 基于信道模型对u w b 超宽带传播特性进行了深入研究，仿真出室内任一点传播特性、 空间接收功率分布、路径损耗与距离的关系、在不同反射次数对传播特性的研究、电磁参 数对传播特性的影响、结合f d t d 法求解室内场强分布。 ( 3 ) 时域和频域分别建立的模型进行对比，验证其正确。 本文创新点如下： ( 1 ) 用镜像法确定了收发天线之间的所有的多径，并考虑收发天线在方向图下的增益。 ( 2 ) 由于u w b 信号带宽较大，在频域建信道模型采用频带分割的方法。 ( 3 ) 在室内的边缘地区运用f d t d 的方法计算，建立混合模型，建立更为精确的信道 模型。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章室内多径统计模型 第二章室内多径统计模型 传统的信道建模都是基于大量的测试，然后通过数据分析，由于不同的测量有很多的 不同之处，如测试带宽+ 、收发距离、频率范围等，因此还不能对其进行统一规定。基于各 自不同的测量数据，已提出了许多超宽带室内信道统计模型，其中较为著名的有s - v 模型， 以及i e e e 8 0 2 1 5 工作组提交的修正的s - v 室内信道模型( i e e e8 0 2 1 5 3 a 的室内信道模 型) o ， j 一 ： 2 1s v 室内信道模型 s a l e h v a l e n z u e l a 模型 3 5 ( 简称s - v 模型) 是一种描述多径按簇分布现象的信道 模型，其中多径信号到达时间按两个互相独立的泊松过程，分别描述簇的到达和簇内多径 分量的到达，第一个泊松过程是描述每一簇第一径的到达时间，第二个泊松过程是描述簇 内各路径的到达时间。 假设： 乃= 第，簇首径的到达时间； 气f2 第，簇的第七径相对于该簇首径的延迟； 八= 簇到达速率； 五= 多径的到达速率； 簇到达时间和多径到达时间分布为： p ( 乃l 乃一1 ) = 人e x p ( 一人( 乃一乃一i ) ，l 0 p ( r 七，l f ( 七一1 ) ，) = 咒e x p 一旯( r 七，一r ( 七一i ) ，) ，k 0 s v 信道模型的信道冲激响应可以表示为： m = k , l e j s k 8 ( t 一乃一f “) l - - - ok = 0 ( 2 1 ) ，( 2 2 ) ( 2 3 ) 反，表示第，簇第k 径的幅度，服从瑞利分布，多径的平均功率服从双指数分布： 戌，= 2 ( o ，o ) e x p ( - t _ ，f ) e x p ( 一九，i t ) ( 2 4 ) 其中2 ( o ，0 ) 表示首簇首径的平均功率，r 和y 分别为簇和多径的功率衰减系数。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章室内多径统汁模型 在此信道模型中由于采用了双指数衰减模型，因此比较贴近于实际信道。 2 2i e e e8 0 2 1 5 3 a 室内多径信道模型 2 0 0 3 年1 月，在经过多次的修改之后，i e e e 标准化组织8 0 2 5 工作组提交了_ 份超 宽带室内信道建模 3 6 ，3 7 的最终建议。该信道模型是在i n t e l 公司所进行的u w b 信号传 播实验的数据在经典的s v 模型基础上做少量的修改后得到的。修正的s v 模型保留了 s - v 模型中多径成簇到达以及能量服从双指数分布的特点，但修正的s ：- v 模型中每一径的 ， 幅度不再服从瑞利分布，而是根据实测结果符合对数正态分布。 j。 ， 其信道冲激响应可以表示为： ， 其中x 是对数正态随机变量，代表信道的阴影衰落系数，且 2 0l o g i o ( z ) o cn o r m a l ( o ，盯：) ( 2 6 ) 是观测到的簇的数目，k ( 门) 是第，簇内接收到的多径数目，口“是第，簇中第七条路径 的系数，乃是第f 簇到达时间，吒，是第瑾箕的第七径相对于该簇首径的延迟。 信道系数口“可以定义为 口女，= p t 。i ， ( 2 7 ) 这里，p 七为以等概率取+ 1 和一l 的离散随机变量，屏，是第，簇中第七条路径的服从 对数正态分布的信道系数。玩，可以表示为 瓢。， 七f = 1 0 2 0 ( 2 8 ) 其中x k , 1 是均值为z 七，标准差为o k ，的高斯随机变量a 特别地，x k , l 可以进一步分解为 以i ，= t ，+ 鼻+ 氕， 。 ( 2 9 ) 其中白和氕，为两个高斯随机变量，分别表示每簇和簇内每个分量的信道系数变化。 分别用万；和仃；表示岛和氕，的方差。另外，利用簇能量和簇内每个多径分量能量都服从 指数衰减的特点，可以得到心- ，的值： 9 一 乃 一 o 万 筘脚脚 r 1 l 0 忍， 南京l 邮电大学硕士研究生学位论奎 兰三雯奎塑兰堡堑生堡兰 ( 陬，f l2 ) = ( 1 ，。警1 2 ) ：( 蚶芦譬等 亿埘 ，竺坠! 坠生坚一! 重! 垫! 竺眨 一 七，f2 i 万一一面 怕。“7 +二 ： 对每个实现，反。，项包含的能量必须归化为单位能量，即 。 一 _ j i， j 0 _ 。? ij ：j ：_ 羔掣2 兰1 _ ： 一0 ( 乏1 2 ) ，= o 七= o 一? 到达时间变量乃和气，分别为到达速率a 和兄的泊松过程，般簇中多径数量要远远 ， 、： ，大于簇的数量，n o c n 兄 人。 ： 。 。一 ： 尸( 乃l 乃一1 ) = a e x p ( 一a ( 乃一乃一i ) ，z 0( 2 j 3 ) j j p ( 靠 ) ，f ) = 见e x p - 允( r 七，f r ( ) ，川，k 0 ( 2 1 4 ) 根据上面的定义，当下面的参数确定后，由冲激响应式( 2 5 ) 表示的信道模型就可以 完全表征出来： 簇平均到达速率a ； 脉冲平均到达速率兄； 簇的功率衰减因子f ； 簇内脉冲的功率衰减因子y ； 簇的信道系数标准偏差睡； 簇内脉冲的信道系数标准偏差。 2 3 本章小结 本文主要介绍了两种经典的u w b 经验模型一s v 模型和i e e e 8 0 2 1 5 3 a 多径模型，并 分别详细介绍了各自模型的信道参数。本文将在第三章详细地介绍确定性模型，以此和统 计模型方法进行比较，说明各自的优缺点。 l o 南京邮电大学颁士研究生学位论文第三章基于射线跟踪的多径模型 第三章基于射线跟踪的多径模型 第二章介绍了室内多径的统计模型，用来和本章介绍的基于射线跟踪的精确模型进行 对比。射线跟踪建立的信道模型可以在时域和频域中分别仿真。 一 ， 3 1 信道传播特性的基本因素 。 i _ ，+ ： 、 ， t 、 室内传播特性主要受到建筑物结构和室内物体的影响，这些影响在室内环境是确定 的。一旦知道室内墙壁、天花板、窗等的结构和介电常数，然后确定从发送端到接收端路 径，从而就可以计算每条射线的传播路径损耗，时间延迟等，进而建立模型，描绘信道传 ， 播特性。 ：j 为了建立确定性信道模型，需要计算如下几项描述信道传播特性的因素： ( 1 ) u w b 信道研究有必要计算