UWB室内N LOS环境频域衰减特性建模

唐璐丹

(桂林电子科技大学信息科技学院,广西桂林 541004)



UWB室内N LOS环境频域衰减特性建模

唐璐丹

(桂林电子科技大学信息科技学院,广西桂林 541004)

摘要:当前IEEE UWB(超宽带)标准中虽然给出了时域统计信道模型,但信道的频域特性并没有得到清晰地反映,而频域特性对于UWB信道容量、测距精度等都有着关键的影响。通过对NLOS(非视距)环境的频率相关路径损耗进行建模,并基于实测数据拟合出频率相关路径损耗指数,获得了NLOS传播环境中的频域衰减变化规律。研究表明,在室内NLOS环境中UWB信道的高频统计衰减特性尤为明显,这与常规UWB信道模型及其频域分析结果有明显不同。该分析方法和结论对于不同NLOS环境中UWB通信容量和定位精度的估计具有较强的指导意义。

关键词:超宽带;实测数据;频率特性

0 引 言

UWB(超宽带)脉冲信号覆盖了几个GHz的频率范围[1],从而在信道传播特性中表现出更为复杂的频率依赖行为,直接影响实际工程中UWB无线收发信机的设计。文献[2]表明,UWB信号脉冲波形的畸变本质上是由信道传递函数H(W)频率特性不均匀造成。文献[3-5]基于UWB穿墙实验给出了特定频率不同材料的透射系数和损耗因子值,同时文献[5]还表明UWB信号穿过同一材料障碍物的透射系数和损耗因子随频率变化而变化。IEEE 802.15.4a标准工作组公布的信道模型[6]的优点是模型简单,然而其NLOS(非视距)时域统计的频率响应基本上是一个全频段随机响应。而文献[7]结合系统带宽影响和T-R(发-收)距离建立了一个统一的测距误差模型,得出在室内NLOS环境中测距误差与距离无关的结论,但是结合其测试平面图可以发现,虽然从不同传播方向及距离的测试位置出发来研究问题,但是并没有考虑NLOS的统计特征。

本文通过对NLOS环境的频率相关路径损耗进行建模,并基于南加州大学实测数据对频率相关路径损耗指数进行拟合,以期获得统计条件(即在同一传播方向,T-R距离的增加)下UWB信号的频域衰减特性。

1 UWB室内NLOS环境频率相关路径损耗建模

1.1 自由空间电波传播的路径损耗

电磁波在自由空间传播一定距离后,信号能量会发生损耗,其单位面积上的电波功率密度S为

式中,GT为发射天线增益,PT为发射功率,d为传播距离。S乘以接收天线的有效面积AR即得到接收天线处的电波功率:

式中,AR=(λ2/4π)GR,λ=c/f,c为光速,f为电磁波工作频率,GR为接收天线增益。因此接收天线获取的电波功率为当发射、接收天线增益均为0 dB,即GT=GR=1时,接收天线的接收功率为自由空间传播路径损耗定义为发、收功率之比,则由式(4)得到路径损耗为以dB计,则式(5)可写为

1.2NLOS环境电波传播的路径损耗

在式(4)中引入参考距离d0,可得自由空间参考点表达式

式中,d为电磁波实际收发距离,d0为参考点距离, P(d0)为信号参考点的接收功率,P(d)为实际传播距离处的接收功率。

如果对参考点和实际接收点的信号接收功率取对数,则式(7)可改写为

式中,LP(d)即为由自由空间电波传播得到的基于参考点的路径损耗,LP(d0)=(4πd0/λ)2为参考距离处取对数后的路径损耗。

考虑电波在NLOS环境中传播时存在直射、反射、绕射和散射等多种传播机制,路径损耗随距离增长的速度不再是平方关系,而是介于1.6～6之间的指数关系,因此衰减指数由n表示(介于1.6～6之间),则实际接收点的路径损耗可表示为

1.3UWB频率相关的室内NLOS环境路径损耗模型

由于UWB通信系统的带宽达GHz以上,电磁波在NLOS环境下传播特性相对复杂,整个频带内收发天线的增益不再保持恒定,其频率响应也不可能是一个全频段随机响应,UWB信号穿过同一材料障碍物的透射系数和损耗因子也随频率变化而变化,因而会导致NLOS环境下UWB信号衰减特性随频率变化。因此实际中必须把UWB信道多径衰落的幅度、时延、时间空间相关性和具体传播环境联系起来,提出相应的与频率相关的UWB路径损耗模型,该模型能够描述UWB信号在统计条件下不同频段的传播衰减特性。由于式(9)中NLOS环境电波传播的路径损耗仅与参考点接收功率有关,而与频率相关的衰减特性并没有反映在路径衰减指数上,显然n是随频率变化的一个参数,因此,可以在式(9)的基础上定义频率相关的路径损耗模型

式中,V(f)是与频率相关的路径损耗指数,表示电磁波的路径损耗随着频率的变化而变化,它的具体表达式可由UWB实测数据拟合得到。

2　基于UWB室内NLOS环境实测数据的频率相关路径损耗指数拟合

2.1时域实测数据的频谱估算

本文中UWB实验数据来源于美国南加州大学,由Joon-Yong Lee在室内NLOS环境测量所得,由Intel研究实验室收集,图1所示为其NLOS环境的UWB实测时域接收信号。

图1　实测数据波形

图2　实测信号功率谱密度

为获得信号频域统计特性,基于实测UWB信号时域数据y(t)进行了功率谱密度的计算,其具体实现如下:

(1)将y(t)的N个样本值yN(n)看成能量有限的信号,对其进行傅里叶变换,得到YN(ejω):

(2)计算YN(ejω)的幅度的平方,再除以N,对y(t)的功率谱P(ejω)进行估计,即通过上述计算,得到接收信号的功率谱密度(ejω), 图2为UWB接收信号相应的功率谱密度。

2.2相关路径损耗指数拟合

对实测数据处理后得到了频域数据,再对频域数据进行不同频点的衰减值计算,进而统计出不同传播距离不同频点的实际路径损耗指数,选取线性多项式函数和指数函数对统计出的实际损耗指数进行曲线拟合。为了使拟合曲线尽量逼近实际路径损耗指数数值,本文将拟合函数的未知参数限制在4个以内(参数太少则误差较大,参数太多则函数过于复杂)。多项式函数和指数函数的参数设置及均方误差、均方根误差如表1所示,实际路径损耗指数及相应的拟合曲线如图3所示。

图3　实际路径损耗指数及相应的拟合曲线

表1　拟合函数表达式及参数设置

由表1和图3可知,三阶多项式函数的拟合曲线更逼近实际数据,其均方误差和均方根误差是4种拟合函数中最小的,拟合性能最好。因此本文选择三阶多项式函数作为UWB频率相关的NLOS环境路径损耗指数的表达式,即V(f)可表示为将式(13)代入式(10),得到基于UWB室内NLOS环境实测数据的频率相关路径损耗模型表达式

式中,LP(d0)为参考点路径损耗,可由实测数据计算得到。

3　频域衰减特性分析

由于南加州大学的实测发射信号带宽为1.3 GHz,中心频率约为1.1 GHz,即信号的频带范围为0.45～1.75 GHz,因此本文以1.1 GHz为中心,将接收信号分为两个频段,低频段为0.45～ 1.1 GHz,高频段为1.1～1.75 GHz,应用式(14)给出的频率相关路径损耗模型分别对这两个频段的频域衰减进行仿真和比较,仿真结果如图4所示。

由图可见,随着信号传播距离的拉长,UWB信道的高频端表现出更为明显的统计衰减特性,这与图3所示实测数据的衰减指数整体随频率升高而增长的现象完全吻合,表明随着距离的拉长及室内障碍物的增多,对高频分量的遮挡作用更为明显。上述基于南加州大学实测数据建立的UWB室内NLOS环境的频率相关路径损耗模型可以用于估计UWB室内办公环境通信系统容量,指导无线通信系统的设计。

图4　UWB室内NLOS环境频域衰减特性

4　结束语

本文对UWB信号NLOS环境下的频率相关路径损耗进行了建模,然后再基于实测UWB数据进行了路径损耗指数的拟合,从而得到了UWB信号在NLOS传播环境中的频域变化规律。研究表明,在室内NLOS环境中UWB信道的高频统计衰减特性尤为明显。此结论对于不同NLOS环境中(例如楼内、楼间、旷野和森林等)UWB通信的容量和测距定位性能估算等具有重要的参考价值。

参考文献:

[1] FCC.Part Radio Frequency Device[EB/OL].(2005-09-15)[2015-08-10].http://ftp.fcc.gov/oet/info/ rules/part15/part.pdf.

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[3] Landron O,Feuerstein M J,Rappaport T S.A comparison of theoretical and empirical reflection coefficients for typical exterior wall surfaces in a mobile radio environment[J].IEEE Trans Antennas Propag, 1996,44(3):341-351.

[4] Suzuki H,Mohan A S.Measurement and prediction of high spatial resolution indoor channel characteristic map[J].IEEE Trans Veh Tech,2000,49(4):1321-1333.

[5] Muqaibel A,Safaai-Jazi A,Bayram A,et al.Ultra wideband through-the-wall propagation [J].IEEE Proc-Microw Antennas Propag,2005,152(6):152-163.

[6] Molisch A F,Balakrishnan K,Cassioli D,et al.IEEE 802.15.4a channel model-final report[R].Uppsala, Sweden:Uppsala University,2004.

[7] Chong Chia-Chin,Fujio Watanabe.Effect of Bandwidth on UWB Ranging Error[C]//WCNC 2007. Hongkong,China:IEEE,2007:1559-1564.

Frequency-Domain Attenuation Characteristics Modeling of Ultra-Wideband in Indoor NLOS Environment

TANG Lu-dan
(School of Information Technology,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Abstract:Although the time-domain statistic channel model is at present given in the IEEE Ultra-Wideband(UWB)standards, the frequency-domain characteristics of channels are not reflected distinctly.However,they have critical impacts on UWB channel capacity,ranging precision,etc.Therefore,the frequency-dependent path loss of UWB Non-Line-of-Sight(NLOS) environment is modeled and frequency-dependent path loss indexes is fitted on the basis of the measured data,the variation law of frequency-domain attenuation in the NLOS transmission environment is obtained.The study results indicate that the highfrequency statistical attenuation characteristics are especially evident in the indoor NLOS environment,which is obviously different from the normal analytical results.The analysis method and conclusions in this paper have fairly strong instructive significance to the evaluation of UWB communication capacity and ranging precision in different NLOS environments.

Key words:UWB;measured data;frequency characteristics

中图分类号:TN929.5

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-063-04

收稿日期:2015-08-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61371186)

作者简介:唐璐丹(1983-),女,广西桂林人。讲师,硕士研究生,主要研究方向为移动通信和认知无线电。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.019