UWB無線通信信道特性分析與建模*

劉萬洪　葛海龍　楊志飛

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心　洛陽(yáng)　471003)

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UWB無線通信信道特性分析與建模*

劉萬洪葛海龍楊志飛

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心洛陽(yáng)471003)

摘要分析超寬帶(UWB)信道傳輸特性,研究其信道建模問題,重點(diǎn)對(duì)其多徑傳播模型及IEEE 802.15.3a超寬帶室內(nèi)多徑信道模型進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,UWB多徑信道與普通寬帶多徑信道相比,具有多徑密集等特點(diǎn),且其多徑幅度的陰影衰落分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布而不是傳統(tǒng)的Rayleigh分布。

關(guān)鍵詞超寬帶; 無線通信信道; 多徑信道模型; 室內(nèi)多經(jīng)信道模型

Analysis of Channel Characteristics and Modeling on UWB Wireless Communication

LIU WanhongGE HailongYANG Zhifei

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang471003)

AbstractBased on the analysis of the characteristics of the multi-path fading channel, the channel transmission characteristics and the channel modeling problem of USB are analyzed in this paper. Especially, its multi-path propagation model and IEEE 802.15.3a UWB indoor multipath channel models are analyzed. It showed that, compared with the ordinary broadband multi-path channel, UWB multipath channel is provided with multipath densely characteristics, and the shadow fading of its multipath amplitude subjects to lognormal distribution rather than the traditional Rayleigh distribution.

Key WordsUWB, wireless communication channel, multipath channel models, indoor multipath channel models

1引言

傳播環(huán)境是影響無線通信系統(tǒng)性能的主要因素之一,建立準(zhǔn)確的信道模型對(duì)UWB無線通信理論研究和性能分析是非常重要的。UWB無線通信環(huán)境遠(yuǎn)比基于連續(xù)波的傳統(tǒng)窄帶或?qū)拵o線信道環(huán)境復(fù)雜[1]。因此,根據(jù)無線信道的基本特征,結(jié)合UWB脈沖信號(hào)傳播的特殊性,通過分析UWB脈沖信號(hào)在不同環(huán)境下的傳播特性,建立相應(yīng)的UWB無線信道電波傳播模型對(duì)完成USB通信系統(tǒng)仿真測(cè)試、研究其傳播特性以及軍事應(yīng)用具有重要的意義。

傳統(tǒng)的基于連續(xù)波的寬帶或窄帶通信系統(tǒng)中,信道傳輸?shù)碾S機(jī)調(diào)制特性會(huì)使系統(tǒng)接收的多徑信號(hào)的幅度和相位發(fā)生隨機(jī)性變化,接收端信號(hào)進(jìn)行相干疊加,這種疊加可能會(huì)使信號(hào)質(zhì)量變好,也可能使信號(hào)質(zhì)量下降,從而導(dǎo)致接收信號(hào)在幅度上產(chǎn)生劇烈波動(dòng),這就是多徑衰落現(xiàn)象。在多徑數(shù)量較大時(shí),根據(jù)中心極限定理,復(fù)幅度將服從復(fù)高斯分布,包絡(luò)將服從Rayleigh或Rician分布[1]。這就是通常所說瑞利或萊斯衰落信道模型,它們能很好地描述窄帶或?qū)拵нB續(xù)波無線信號(hào)的傳播。

在UWB系統(tǒng)中,由于其傳輸?shù)男盘?hào)具有極寬的帶寬,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),只要多徑信號(hào)的波程差大于30cm,相互疊加的多徑數(shù)目相對(duì)較少,在接收端多徑信號(hào)在時(shí)間軸上是分離排列的,不再滿足中心極限定理的假設(shè),小尺度衰落不再滿足傳統(tǒng)的Raileigh或Rician分布的條件,所以UWB系統(tǒng)具有很高的多徑分辨率。在室外環(huán)境中(市區(qū)、平原等),多徑信號(hào)基本不會(huì)疊加;在室內(nèi)傳輸環(huán)境(辦公室、住宅等)中,會(huì)有少量的多徑信號(hào)疊加(與脈沖寬度有關(guān))或完全不疊加。這就決定了基于脈沖的UWB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Raileigh多徑衰落現(xiàn)象[1]。

2UWB通信信道模型

UWB無線信道的傳播模型可分為路徑損耗模型和多徑傳播模型。路徑損耗模型主要用于描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離大于5m以上的信號(hào)強(qiáng)度的變化,它表征了接收信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)的均值隨傳播距離的變化呈現(xiàn)出緩慢變化。路徑損耗模型也稱為大尺度模型。路徑損耗模型包括穿透障礙損耗、視距和非視距損耗。多徑傳播模型用于描述短距離或短時(shí)間內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的快速變化。主要描述無線信號(hào)經(jīng)短距離或短時(shí)間傳輸后,再經(jīng)兩個(gè)或兩個(gè)以上路徑一微小的時(shí)間間隔到達(dá)接收機(jī)的傳播特性。路徑損耗模型不僅對(duì)分析信道的可用性、傳輸頻帶的選擇等具有重要意義,而且對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃也非常重要。多徑傳播模型對(duì)傳輸技術(shù)的選擇和接收機(jī)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這兩個(gè)模型在UWB室內(nèi)信道中并不是相互獨(dú)立存在的,在同一個(gè)無線信道中,二者綜合作用于發(fā)射脈沖信號(hào)[1]。

目前,關(guān)于UWB信道模型都是建立在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上的,實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行。UWB信道具有時(shí)變特性,所以應(yīng)該測(cè)量足夠多的數(shù)據(jù),用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)和方法來分析數(shù)據(jù),描述信道特性。UWB的無線信道除了存在反射、散射和衍射等現(xiàn)象外,還有獨(dú)特的簇特性[2]。UWB信道的特征主要體現(xiàn)在信道的路徑損耗和多徑衰落上,因此UWB信道模型的建立也就從兩方而考慮,即路徑損耗和多徑效應(yīng)。

2.1路徑損耗模型[2～3]

理論分析和大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都表明:接收到的信號(hào)的平均幅度隨著距離的增加而對(duì)數(shù)減小;在室內(nèi),無線信道在給定距離上路徑損耗是隨機(jī)變量,服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。用距離的指數(shù)方程來描述任意T-R(發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的距離)上的平均路徑損耗(以dB值表示),有

(1)

其中,PL0(d0)是參考點(diǎn)處的接收功率,N是損耗指數(shù),Sa(d)是由于陰影效應(yīng)引起的損耗(dB),Sa(d)服從正態(tài)分布。陰影效應(yīng)主要是信道中散射現(xiàn)象引起的,使得傳播空間上的信號(hào)變得混亂。PL(d)隨T-R的增大而減小,其值的變化幅度也增大。因此,路徑損耗的大小與信道中視距傳播的情況有關(guān):視距傳播路徑多,即類似自由空間傳播的情況占的比例增大,則N變小,損耗減少,反之,損耗增大。

2.2多徑衰落信道模型[4～5]

設(shè)發(fā)送信號(hào)為

“鳧脛雖短，續(xù)之則憂；鶴脛雖長(zhǎng)，斷之則悲”，這是常識(shí)?？伞皵帔Q續(xù)鳧”“絡(luò)馬穿?！?、強(qiáng)求一致的教育卻戕害了孩子的天性，徒勞無益還算是小事，更重要的是，它剝奪了孩子快樂的權(quán)利，澆滅了他們天賦的火花。

s(t)=st(t)cos(2πfct)

(2)

假設(shè)存在多條傳播路徑,且與每條路徑有關(guān)的傳播延時(shí)和衰減因子都因媒質(zhì)的變化而變化,則接收到的帶通信號(hào)為

(3)

其中,an(t)是第n條傳播途徑上接收信號(hào)的衰減因子,τn(t)為第n條傳播途徑的傳播延時(shí),由此,得到等效低通信道為

(4)

可見,衰落現(xiàn)象主要是相位{2πfcτn(t)}時(shí)變的結(jié)果,由于相位的變化,可能引起接收信號(hào)很小甚至接近于零,或者很大。

當(dāng)不存在視距傳播時(shí),沖激響應(yīng)h(τ;t)可以等效為零均值復(fù)高斯過程,任何時(shí)刻,h(τ;t)的包絡(luò)|h(τ;t)|是Rayleigh分布,當(dāng)存在視距傳播時(shí),沖激響應(yīng)h(τ;t)不再等效為零均值的,而其包絡(luò)是Rice分布。

3UWB的S-V信道模型[6]

Saleh和Valenzuela對(duì)室內(nèi)無線電波的傳播作了大量的研究工作,他們?cè)?jīng)公布了放置極化全方向天線的室內(nèi)傳播的測(cè)試結(jié)果,天線位于中等規(guī)模辦公室的同一層。采用了載頻是1.5GHz的雷達(dá)式脈沖,采用的測(cè)試方法是在掃描發(fā)送信號(hào)頻率時(shí),將監(jiān)測(cè)到的脈沖相應(yīng)的平方進(jìn)行平均,這種方法可以分離5ns內(nèi)的多徑分量。測(cè)試結(jié)果表明:

1) 室內(nèi)信道類似靜態(tài)信道或者僅有微小變化。

2) 在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)沒有視距通路時(shí),信道沖激響應(yīng)與發(fā)送接收天線的極化相互獨(dú)立。

從測(cè)試結(jié)果看,建筑物房間內(nèi)的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展是100ns～200ns,走廊上是300ns,室內(nèi)RMS時(shí)延擴(kuò)展的中值為25ns,最大值為50ns。無視距路徑的大尺度損耗在64dB變化,服從對(duì)數(shù)距離指數(shù)分布,其指數(shù)變化范圍為3～4之間。

根據(jù)以上測(cè)試,Saleh與Valenzuela提出一個(gè)簡(jiǎn)單的室內(nèi)信道模型。該模型假設(shè)多徑信號(hào)以簇的方式到達(dá),接收分量的幅度是Rayleigh隨機(jī)變量。其方差及簇內(nèi)附加時(shí)延隨簇的時(shí)延成指數(shù)型衰減,相應(yīng)的相位均勻分布在[0,2π]。各個(gè)簇以及簇內(nèi)的多徑分量構(gòu)成了兩個(gè)具有不同速率的Poisson到達(dá)過程。其到達(dá)時(shí)間的間隔服從負(fù)指數(shù)分布。簇由收發(fā)機(jī)附近的多徑反射組成,同時(shí)也和建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3.1UWB室內(nèi)信道模型[3,7～8]

802.15.3a工作組在2002年12月公布了UWB室內(nèi)信道模型,叫做修正的S-V室內(nèi)多徑信道模型,該模型在S-V室內(nèi)多徑信道模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過兩點(diǎn)改進(jìn),一是將接收分量的幅度服從Rayleigh分布改為服從對(duì)數(shù)分布。二是各個(gè)簇以及簇中多徑分量的衰落相互獨(dú)立。

修正的S-V室內(nèi)多徑信道模型的沖激響應(yīng)為

(5)

其中,ak,l為多徑分量幅度。X為幅度增益服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。Tl表示第l簇的到達(dá)時(shí)間。τk,l表示第l簇中第k個(gè)多徑分量相對(duì)于第l簇的到達(dá)時(shí)間Tl的延時(shí)時(shí)間。

設(shè)Λ為簇到達(dá)速率,λ為多徑分量簇內(nèi)延時(shí)的到達(dá)速率,那么簇到達(dá)時(shí)間Tl和多徑分量簇內(nèi)延時(shí)τk,l服從如下分布:

p(Tl|Tl-1)=Λexp[-Λ(Tl-Tl-1)],l>0

p(τk,l|τ(k-1),l)=λexp[-λ(τk,l-τ(k-1),l)],k>0

(6)

定義多徑分量幅度:

ak,l=pk,lβk,l

pk,l等概率取值{+1,-1},表示由于反射造成信號(hào)極性的反轉(zhuǎn)。βk,l為多徑分量歸一化幅度,服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,即:

|βk,l|∝10n/20

或:

20lg(βk,l)∝n

(7)

βk,l的平均功率符合雙負(fù)指數(shù)衰減:

(8)

其中,Ω0為第一個(gè)簇的第一個(gè)多徑分量的平均能量。Γ表示簇衰減因子,γ為簇內(nèi)多徑衰減因子。

μk,l可以由式(9)求得:

(9)

圖1為多徑信道示意圖,圖2為多徑信道的雙指數(shù)示意圖(即功率延時(shí)剖面圖)。

圖1　多徑信道示意圖

圖2　多徑信道的雙指數(shù)示意圖

3.2UWB信道時(shí)變性分析[7]

由于UWB通信的數(shù)據(jù)傳輸速度極高,相對(duì)于數(shù)據(jù)包(Packet)的長(zhǎng)度,信道可以看作是慢變的,因此,IEEE 802.15.3a工作組建議在性能仿真中認(rèn)為在一個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi),信道是時(shí)不變的,而在下一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),信道采用另一組信道實(shí)現(xiàn)值,并且每一組信道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)均為隨機(jī)產(chǎn)生,它們之間沒有任何相關(guān)性。

3.3UWB室外信道[8]

在室內(nèi)環(huán)境一般不存在快速移動(dòng)的物體或高速度的移動(dòng)用戶,因此室內(nèi)環(huán)境下可忽略多普勒頻移。 1) UWB室內(nèi)無線信道的多徑信號(hào)數(shù)量多。這主要是因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境中建筑物結(jié)構(gòu)、建筑材料和陳設(shè)物品結(jié)構(gòu)復(fù)雜且數(shù)量眾多,電磁波極易發(fā)生反射、繞射和散射,因此將產(chǎn)生數(shù)量龐大的回波多徑信號(hào)。 2) UWB室內(nèi)無線信道時(shí)延擴(kuò)展小。通常情況下,室內(nèi)無線通信的傳播距離比室外要短得

多,因而傳播時(shí)延和多徑時(shí)延均較小。附加時(shí)延通常小于1μs,RMS時(shí)延擴(kuò)展在幾十到幾百納秒之間。

UWB在室外通信時(shí),電磁波傳播特性相對(duì)室內(nèi)要復(fù)雜的多,不但要考慮各種各樣的地形,還要考慮植被情況,建筑物的分布等。由于環(huán)境的復(fù)雜,可供使用的模型也是各種各樣,其復(fù)雜性和精度也有很大的差別。對(duì)室外無線移動(dòng)信道而言,如果只考慮本地環(huán)境,最大附加時(shí)延的典型值為幾個(gè)微秒,如果考慮遠(yuǎn)處的物體,如丘陵、山脈、高大建筑物等,則最大附加時(shí)延超過100μs,如果不考慮遠(yuǎn)處物體的反射,RMS時(shí)延擴(kuò)展約為幾個(gè)微秒。

4結(jié)語

UWB技術(shù)已經(jīng)成為未來最有前途的通信技術(shù)之一[9]。隨著UWB技術(shù)的發(fā)展和對(duì)UWB技術(shù)特性的認(rèn)識(shí)逐漸完善,其在通信、雷達(dá)、定位、導(dǎo)航、電子對(duì)抗領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,而UWB無線信道模型的研究則是評(píng)價(jià)UWB無線通信系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)[10]。本文只是對(duì)UWB信道特別是IEEE 802.15.3aUWB室內(nèi)多徑信道傳輸特性作了分析,下一步要在更加深入理解研究其信道傳輸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對(duì)其多徑衰落特性深入分析,以便更好的模擬UWB信道傳輸特性。所有這些工作,對(duì)進(jìn)一步研究UWB通信及其應(yīng)用都具有重要意義。

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中圖分類號(hào)TN97

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.023

作者簡(jiǎn)介:劉萬洪,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:通信對(duì)抗仿真與無線信道仿真技術(shù)。

*收稿日期:2015年7月2日,修回日期:2015年8月29日