UWB无线通信信道特性分析与建模*

刘万洪　葛海龙　杨志飞

(中国洛阳电子装备试验中心　洛阳　471003)



UWB无线通信信道特性分析与建模*

刘万洪葛海龙杨志飞

(中国洛阳电子装备试验中心洛阳471003)

摘要分析超宽带(UWB)信道传输特性,研究其信道建模问题,重点对其多径传播模型及IEEE 802.15.3a超宽带室内多径信道模型进行了分析。分析结果表明,UWB多径信道与普通宽带多径信道相比,具有多径密集等特点,且其多径幅度的阴影衰落分布服从对数正态分布而不是传统的Rayleigh分布。

关键词超宽带; 无线通信信道; 多径信道模型; 室内多经信道模型

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

传播环境是影响无线通信系统性能的主要因素之一,建立准确的信道模型对UWB无线通信理论研究和性能分析是非常重要的。UWB无线通信环境远比基于连续波的传统窄带或宽带无线信道环境复杂[1]。因此,根据无线信道的基本特征,结合UWB脉冲信号传播的特殊性,通过分析UWB脉冲信号在不同环境下的传播特性,建立相应的UWB无线信道电波传播模型对完成USB通信系统仿真测试、研究其传播特性以及军事应用具有重要的意义。

传统的基于连续波的宽带或窄带通信系统中,信道传输的随机调制特性会使系统接收的多径信号的幅度和相位发生随机性变化,接收端信号进行相干叠加,这种叠加可能会使信号质量变好,也可能使信号质量下降,从而导致接收信号在幅度上产生剧烈波动,这就是多径衰落现象。在多径数量较大时,根据中心极限定理,复幅度将服从复高斯分布,包络将服从Rayleigh或Rician分布[1]。这就是通常所说瑞利或莱斯衰落信道模型,它们能很好地描述窄带或宽带连续波无线信号的传播。

在UWB系统中,由于其传输的信号具有极宽的带宽,信号带宽通常大于500MHz,时域脉冲信号宽度在纳秒级,只要多径信号的波程差大于30cm,相互叠加的多径数目相对较少,在接收端多径信号在时间轴上是分离排列的,不再满足中心极限定理的假设,小尺度衰落不再满足传统的Raileigh或Rician分布的条件,所以UWB系统具有很高的多径分辨率。在室外环境中(市区、平原等),多径信号基本不会叠加;在室内传输环境(办公室、住宅等)中,会有少量的多径信号叠加(与脉冲宽度有关)或完全不叠加。这就决定了基于脉冲的UWB系统接收信号幅度不会由于大量具有随机幅度和相位的多径信号叠加而产生剧烈的波动,即不会产生Raileigh多径衰落现象[1]。

2UWB通信信道模型

UWB无线信道的传播模型可分为路径损耗模型和多径传播模型。路径损耗模型主要用于描述发射机和接收机之间距离大于5m以上的信号强度的变化,它表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离的变化呈现出缓慢变化。路径损耗模型也称为大尺度模型。路径损耗模型包括穿透障碍损耗、视距和非视距损耗。多径传播模型用于描述短距离或短时间内接收信号强度的快速变化。主要描述无线信号经短距离或短时间传输后,再经两个或两个以上路径一微小的时间间隔到达接收机的传播特性。路径损耗模型不仅对分析信道的可用性、传输频带的选择等具有重要意义,而且对于无线网络的规划也非常重要。多径传播模型对传输技术的选择和接收机的设计至关重要。这两个模型在UWB室内信道中并不是相互独立存在的,在同一个无线信道中,二者综合作用于发射脉冲信号[1]。

目前,关于UWB信道模型都是建立在实际实验测量的基础上的,实验在室内进行。UWB信道具有时变特性,所以应该测量足够多的数据,用统计的观点和方法来分析数据,描述信道特性。UWB的无线信道除了存在反射、散射和衍射等现象外,还有独特的簇特性[2]。UWB信道的特征主要体现在信道的路径损耗和多径衰落上,因此UWB信道模型的建立也就从两方而考虑,即路径损耗和多径效应。

2.1路径损耗模型[2～3]

理论分析和大量的实测数据都表明:接收到的信号的平均幅度随着距离的增加而对数减小;在室内,无线信道在给定距离上路径损耗是随机变量,服从对数正态分布。用距离的指数方程来描述任意T-R(发射机到接收机的距离)上的平均路径损耗(以dB值表示),有

(1)

其中,PL0(d0)是参考点处的接收功率,N是损耗指数,Sa(d)是由于阴影效应引起的损耗(dB),Sa(d)服从正态分布。阴影效应主要是信道中散射现象引起的,使得传播空间上的信号变得混乱。PL(d)随T-R的增大而减小,其值的变化幅度也增大。因此,路径损耗的大小与信道中视距传播的情况有关:视距传播路径多,即类似自由空间传播的情况占的比例增大,则N变小,损耗减少,反之,损耗增大。

2.2多径衰落信道模型[4～5]

设发送信号为

“凫胫虽短，续之则忧；鹤胫虽长，断之则悲”，这是常识。可“断鹤续凫”“络马穿牛”、强求一致的教育却戕害了孩子的天性，徒劳无益还算是小事，更重要的是，它剥夺了孩子快乐的权利，浇灭了他们天赋的火花。

s(t)=st(t)cos(2πfct)

(2)

假设存在多条传播路径,且与每条路径有关的传播延时和衰减因子都因媒质的变化而变化,则接收到的带通信号为

(3)

其中,an(t)是第n条传播途径上接收信号的衰减因子,τn(t)为第n条传播途径的传播延时,由此,得到等效低通信道为

(4)

可见,衰落现象主要是相位{2πfcτn(t)}时变的结果,由于相位的变化,可能引起接收信号很小甚至接近于零,或者很大。

当不存在视距传播时,冲激响应h(τ;t)可以等效为零均值复高斯过程,任何时刻,h(τ;t)的包络|h(τ;t)|是Rayleigh分布,当存在视距传播时,冲激响应h(τ;t)不再等效为零均值的,而其包络是Rice分布。

3UWB的S-V信道模型[6]

Saleh和Valenzuela对室内无线电波的传播作了大量的研究工作,他们曾经公布了放置极化全方向天线的室内传播的测试结果,天线位于中等规模办公室的同一层。采用了载频是1.5GHz的雷达式脉冲,采用的测试方法是在扫描发送信号频率时,将监测到的脉冲相应的平方进行平均,这种方法可以分离5ns内的多径分量。测试结果表明:

1) 室内信道类似静态信道或者仅有微小变化。

2) 在发送机和接收机没有视距通路时,信道冲激响应与发送接收天线的极化相互独立。

从测试结果看,建筑物房间内的最大多径时延扩展是100ns～200ns,走廊上是300ns,室内RMS时延扩展的中值为25ns,最大值为50ns。无视距路径的大尺度损耗在64dB变化,服从对数距离指数分布,其指数变化范围为3～4之间。

根据以上测试,Saleh与Valenzuela提出一个简单的室内信道模型。该模型假设多径信号以簇的方式到达,接收分量的幅度是Rayleigh随机变量。其方差及簇内附加时延随簇的时延成指数型衰减,相应的相位均匀分布在[0,2π]。各个簇以及簇内的多径分量构成了两个具有不同速率的Poisson到达过程。其到达时间的间隔服从负指数分布。簇由收发机附近的多径反射组成,同时也和建筑结构有关。

3.1UWB室内信道模型[3,7～8]

802.15.3a工作组在2002年12月公布了UWB室内信道模型,叫做修正的S-V室内多径信道模型,该模型在S-V室内多径信道模型的基础上经过两点改进,一是将接收分量的幅度服从Rayleigh分布改为服从对数分布。二是各个簇以及簇中多径分量的衰落相互独立。

修正的S-V室内多径信道模型的冲激响应为

(5)

其中,ak,l为多径分量幅度。X为幅度增益服从对数正态分布。Tl表示第l簇的到达时间。τk,l表示第l簇中第k个多径分量相对于第l簇的到达时间Tl的延时时间。

设Λ为簇到达速率,λ为多径分量簇内延时的到达速率,那么簇到达时间Tl和多径分量簇内延时τk,l服从如下分布:

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)

定义多径分量幅度:

ak,l=pk,lβk,l

pk,l等概率取值{+1,-1},表示由于反射造成信号极性的反转。βk,l为多径分量归一化幅度,服从对数正态分布,即:

|βk,l|∝10n/20

或:

20lg(βk,l)∝n

(7)

βk,l的平均功率符合双负指数衰减:

(8)

其中,Ω0为第一个簇的第一个多径分量的平均能量。Γ表示簇衰减因子,γ为簇内多径衰减因子。

μk,l可以由式(9)求得:

(9)

图1为多径信道示意图,图2为多径信道的双指数示意图(即功率延时剖面图)。

图1　多径信道示意图

图2　多径信道的双指数示意图

3.2UWB信道时变性分析[7]

由于UWB通信的数据传输速度极高,相对于数据包(Packet)的长度,信道可以看作是慢变的,因此,IEEE 802.15.3a工作组建议在性能仿真中认为在一个数据包内,信道是时不变的,而在下一个数据包时,信道采用另一组信道实现值,并且每一组信道实现数据均为随机产生,它们之间没有任何相关性。

3.3UWB室外信道[8]

在室内环境一般不存在快速移动的物体或高速度的移动用户,因此室内环境下可忽略多普勒频移。 1) UWB室内无线信道的多径信号数量多。这主要是因为室内环境中建筑物结构、建筑材料和陈设物品结构复杂且数量众多,电磁波极易发生反射、绕射和散射,因此将产生数量庞大的回波多径信号。 2) UWB室内无线信道时延扩展小。通常情况下,室内无线通信的传播距离比室外要短得

多,因而传播时延和多径时延均较小。附加时延通常小于1μs,RMS时延扩展在几十到几百纳秒之间。

UWB在室外通信时,电磁波传播特性相对室内要复杂的多,不但要考虑各种各样的地形,还要考虑植被情况,建筑物的分布等。由于环境的复杂,可供使用的模型也是各种各样,其复杂性和精度也有很大的差别。对室外无线移动信道而言,如果只考虑本地环境,最大附加时延的典型值为几个微秒,如果考虑远处的物体,如丘陵、山脉、高大建筑物等,则最大附加时延超过100μs,如果不考虑远处物体的反射,RMS时延扩展约为几个微秒。

4结语

UWB技术已经成为未来最有前途的通信技术之一[9]。随着UWB技术的发展和对UWB技术特性的认识逐渐完善,其在通信、雷达、定位、导航、电子对抗领域的应用日益广泛,而UWB无线信道模型的研究则是评价UWB无线通信系统性能的基础[10]。本文只是对UWB信道特别是IEEE 802.15.3aUWB室内多径信道传输特性作了分析,下一步要在更加深入理解研究其信道传输特点的基础上,对其多径衰落特性深入分析,以便更好的模拟UWB信道传输特性。所有这些工作,对进一步研究UWB通信及其应用都具有重要意义。

参 考 文 献

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[3] 刘磊.超宽带(UWB)通信中一些关键技术的研究[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2006:5-15.

[4] 景振海.超宽带理论及其性能仿真分析[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2006:13-17.

[5] 丁晓丹.超宽带无线通信关键技术研究[D].烟台:烟台大学硕士学位论文,2007:31-33.

[6] 崔文韬.超宽带无线通信系统中关键技术的研究[D].济南:山东大学硕士学位论文,2006:19-28.

[7] 焦胜才.超宽带通信系统关键技术研究[D].北京:北京邮电大学博士研究生学位论文,2006:18-33.

[8] 贺鹏飞.超宽带无线通信关键技术研究[D].北京:北京邮电大学博士研究生学位论文,2007:53-55.

[9] 张新跃,沈树群.UWB超宽带无线通信技术及其发展前景[J].数据通信,2004,31(4):21-22.

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中图分类号TN97

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.023

作者简介:刘万洪,男,硕士,高级工程师,研究方向:通信对抗仿真与无线信道仿真技术。

*收稿日期:2015年7月2日,修回日期:2015年8月29日