无线视频传输系统中UWB信号绕射特性研究

韩　涛，张明军，王红成，李秀平

（1.东莞理工学院 电子工程学院，广东 东莞　523808；2.法国国立工艺学院 电子自动化与系统学院，法国 巴黎　75003）

无线视频传输系统中UWB信号绕射特性研究

韩涛1，张明军2，王红成1，李秀平1

（1.东莞理工学院 电子工程学院，广东 东莞523808；
2.法国国立工艺学院 电子自动化与系统学院，法国 巴黎75003）

在超宽带无线视频传输系统中，经常会遇到非视距传播环境，需要研究在该环境下超宽带信号绕射传播特性。利用时域一致性绕射理论（UTD）和物理光学（PO）分析绕射传播特性的优势，提出一种混合方法来分析超宽带信号在无线视频传输系统中的绕射传播特性。该混合方法利用一组简单的递推关系代替一致性绕射理论中的高阶绕射项。这种基于时域UTD-PO的混合分析方法不仅能够用来准确地分析无线视频传输环境下超宽带信号的多重绕射传播特性而且还能够明显提高运算效率。

超宽带；多重绕射；无线视频；传播特性

0引　言

2008年工业和信息化部发布了中国超宽带（Ultra Wide-band，UWB）频谱规划，推进了UWB技术在中国的推广应用。UWB技术作为一种新型的短距离、高速率无线通信技术，其传输速率可以达到480 Mb/s以上，UWB技术已经成为视频设备和便携多媒体设备等需要高品质视频传输的技术基础［1］。UWB信号无线传播环境的特性是UWB通信系统研究的基础［2］，建立能够真实反映UWB信号传播特性的信道传播模型是进行UWB系统设计的首要任务［3-4］。

在UWB无线视频传输环境中，无线发射模块发射的UWB信号在传播路径上往往会遇到多个障碍物。利用时域一致性绕射理论（TD-UTD）的方法可以分析UWB信号经历单个半平面、劈形和圆形障碍物绕射后的时域传播特性。TD-UTD方法也能够被应用于分析UWB信号经历多个障碍物后的时域传播特性，但是利用TD-UTD理论分析过渡区的传播特性时，需要引入复杂的高阶绕射项［5-7］。因此，TD-UTD方法无法分析障碍物数目比较多的多重绕射模型。文献［8］利用物理光学（PO）在分析多重绕射时的优势，提出了一种利用UTD理论和PO方法的混合方法，并利用这种混分方法在频域内研究了多重绕射的绕射系数。本文将频域内UTDPO方法推广到时域，利于时域UTD-PO方法分析UWB信号在典型传播环境下经历多个障碍物后的时域传播特性。该方法利用PO方法中的递推关系代替过渡区内的高阶绕射项，在时域内分析了Bertoni模型［6］的多重绕射系数。利用简单的卷积运算，可以预测接收点的UWB信号，从而分析无线视频传输系统中UWB信号的多重绕射传播特性。

1　UWB信号的多重绕射传播模型

在本文研究的无线视频传输环境中，UWB信号多重绕射传播模型如图1所示。N个障碍物被等效成平顶长方形的结构体，这种结构体的障碍物可以看成由两个直角劈拼接而成，横截面的宽度为v，同时假定具有相同的高度hb，相邻障碍物之间的距离都为w，天线的高度为ht，距离第一个障碍物的距离为d。接收设备的高度为hr，放置于第n个障碍物和第n+1个障碍物之间，距离第n个障碍物的水平距离为dr。从发射模块发射的UWB信号以入射角为α的平面波入射到这排障碍物上。从图1中可以看到，UWB信号在到达第n个障碍物右顶点后会经历两条不同的路径（路径长度分别为d1和d2）后抵达接收模块。

图1　UWB信号的多重绕射传播模型

2　频域模型

文献［9-12］利用物理光学在分析多重绕射特性方面的优势，利用UTD-PO的混合方法分析超宽带信号经历多个障碍物后的绕射传播特性。该方法利用一组递推关系回避处理UTD理论中的高阶绕射项，提高了运算效率。本文将上述混合方法引入到分析图1所示的无线视频传输系统中，利用基于UTD-PO的混合方法分析上述传播环境时，只需要分析一条射线的简单绕射，通过递推关系能够得出接收点的场强表达式。根据文献［6］的分析方法，图1所示传播环境中参考点的场强E可以表示为：

式中：k是波数；E0是入射UWB信号的幅度。

UWB信号在平顶障碍物的左顶角的场强Em（ω）可以表示为：

3　时域模型

式（1）给出了接收点场强的频域递推关系，利用拉普拉斯变换可以得到时域递推表达式，利用时域递推关系可以分析超宽带信号在图1所示的传播环境下的时域多重绕射传播特性。根据拉普拉斯变换，图1所示的参考点的时域脉冲响应可以表示为：

图1中障碍物左顶点的时域脉冲响应可以表示为：

式中：c代表光速；（δ）·是Dirac Delta函数；s和h分别代表水平极化和垂直极化。ds，h（L ），t是时域UTD绕射系数，可以表示为：

文献［8］给出了时域反射系数rs，h（）t的表达式，文献［3］给出了式（7）中的各项d（t）的表达式：

UWB信号在到达图1中所示的参考点后，分别经历两条不同路径（路径长度分别为d1和d2）抵达接收模块。因此，接收模块会收到两个在时间轴上分开的脉冲信号，这两个脉冲信号可以表示为：

式中：RH，V是文献［5］中给出的反射系数；d1和d2是从参考点到接收模块经历的两条路径的距离；是上述两条路径在参考点处的时域绕射系数。

4　仿真结果

本节利用式（5）来研究图1所示的无线视频传输环境中的UWB信号的多重绕射传播特性。在图1所示的UWB信号的传播环境中，障碍物的高度为hb=2m，相邻障碍物之间的距离为w=1.5m，障碍物横截面宽度为v=0.5m，接收天线的高度为hr=1m，距离左边障碍物的水平距离为 dr=0.5m，障碍物的相对介电常数εr=5.5，电导率为σ=0.023S/m。本文中使用的UWB信号是高斯二阶导脉冲信号，其数学表达式为：

式中τ决定信号的脉冲宽度，这里τ=0.1ns。在仿真中，天线的高度参数ht和障碍物的个数参数n可以根据仿真的需要调整。

为了验证上述基于UTD-PO方法的有效性，假设图1所示的传播环境中有2个障碍物，分别用基于斜率绕射场的UTD方法［7］（S-UTD）和本文基于UTD-PO的方法来预测图1接收点的接收信号。假设发射模块发射一个水平极化（soft）UWB信号，入射角接收模块收到的信号如图2所示。从图2中可以看出，用本文提出的混合方法预测的接收点的UWB信号和用基于高阶绕射场的UTD方法预测的信号吻合。因此，本文提出的混合方法能够准确地分析UWB信号在无线视频传输系统中的多重绕射传播特性。另外，尽管经历了两条不同的传输路径，接收模块收到的信号r1（t）和在波形上差异很小。这是因为经历路径2（路径长d1）抵达接收模块的UWB信号r1（）t。图3给出了在上述传播环境中，水平极化（soft）和垂直极化（hard）入射时，接收模块处的UWB信号。从图3可以看出，相同传播环境下，相比垂直极化的入射信号，水平极化的入射信号衰减更为明显。这对设计无线视频传输系统而言有很好的工程指导意义。

图2　含有2个障碍物的传播环境中，入射角为α=π 20时，接收模块收到的信号r1（t）和r2（t）

图3　含有2个障碍物的传播环境中，入射角为α=π 20时，水平极化和垂直极化分别入射时，接收模块收到的信号r1（t）

接下来在含有4个障碍物的传播环境下调整发射模块所处位置的高度ht，研究不同发射模块位置高度ht下，无线视频传输环境中UWB信号的多重绕射传播特性。假设发射模块发射的信号的入射角α分别为和π 20时，接收模块处的UWB信号如图4所示。从图4中可以看出，由于障碍物和接收模块都处于发射模块的非视距内（NLOS），随着发射信号入射角度的增加，接收点的UWB信号的幅度有所增加。这是因为在图1所示的传播环境中的参考点处接收到的信号是经发射模块发射的直达信号和经障碍物多重绕射后的信号的叠加信号，随着入射角度的增加，参考点处的接收信号幅度有所增加；接收模块处收到的信号是在经过参考点处信号绕射后的信号，随着角度的增加，绕射信号的强度会增强。因此，在入射角度增加时，接收模块的信号有所增强。另一方面，相比于参考相位点，随着UWB信号入射角度的增加，UWB信号经历的路径长度有所减少，所以在时间轴上入射角为时入射信号的到达时间会先于入射角为入射信号的到达时间。度分别为d2）抵达接收模块的UWB信号在到达第二个障碍右顶点绕射后还需要经历一次反射后才能到达接收模块，而在路径1（路径长度分别为d1）上，接收模块处于深阴影区内。因此，后文在分析抵达接收模块的UWB信号时，只给出了经历路径1（路径长度分别为

图4　含有4个障碍物的传播环境中，入射角α分别为π 15和π 20时，接收模块收到的信号r1（t）

为了说明本文中提出的混合方法在分析无线视频传输环境中UWB信号多重绕射传播特性的优越性，假设图1传播环境中分别含有2个，3个和4个障碍物，发射模块发射的信号入射角为的入射信号。分别用基于斜率绕射场的UTD方法［7］和本文基于UTD-PO的方法预测图1所示传播环境中的UWB信号多重绕射传播特性，并比较两种方法的运算时间，如表1所示。从表1中可以看出，随着障碍物数目的增加，本文中的混合方法相比基于S-UTD的方法有更高的运算效率。这是因为对于含有n个障碍物的传播环境而言，利用基于S-UTD的处理方法，需要处理22n条射线；利用本文提出的方法，计算过程只需要考虑2条射线（经第一个障碍物左顶角和右顶角绕射后的绕射射线），接收点的多重绕射信号可以看成一组绕射信号的算术平均值。因此，本文中提出的时域方法不仅能够准确地应用于分析无线视频传输系统中含有多个障碍物的多重绕射模型，而且在障碍物数目比较多时，还能够明显节省计算时间。

表1　不同障碍物个数下两种预测方法运算时间比

5结　语

本文在时域内将物理光学的方法引入到一致性绕射理论中，利用这种混合方法能够回避处理过渡区内复杂的高阶绕射项。通过这种混合方法研究了典型Bertoni模型中的时域绕射系数，从而分析了UWB信号在无线视频传输系统中多重绕射传播特性。结果表明这种方法不仅能够准确有效地应用于分析无线视频传输系统中UWB信号的多重绕射传播特性，而且随着绕射障碍物数目的增加这种方法的运算效率更高。

［1］张正华，谢敏.UWB无线视频传输关键技术研究［J］.现代电子技术，2013，36（11）：33-35.

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Study on diffraction propagation characteristic of UWB signal in wireless video transmission system

HAN Tao1，ZHANG Mingjun2，WANG Hongcheng1，LI Xiuping1
（1.School of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China；2.Le département Electronique Automatique et Systèmes，Conservatoire National des Arts et Métiers，Paris 75003，France）

Since the environment of non-line-of-sight（NLOS）propagation is often encountered in ultra-wideband（UWB）wireless video transmission system，the diffraction propagation characteristic of UWB signal should be studied in this environment.The advantage of diffraction propagation characteristic is analyzed with the time domain uniformity theory of diffraction （UTD）and physical optics（PO），and a hybrid method is presented to analyze the diffraction propagation characteristic of UWB signal in wireless video transmission system.The hybrid method utilizes a group simple recursion relation instead of the higherorder diffraction item in the consistency diffraction theory.This hybrid analysis method based on time-domain UTD-PO can analyze the multi-diffraction propagation characteristic of UWB signal in wireless video transmission environment accurately，and improve the computational efficiency obviously.

ultra-wideband；multi-diffraction；wireless video；propagation characteristic

TN915.01-34

A

1004-373X（2016）17-0012-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.17.003

2015-12-24

国家自然科学基金（61308019）；广东省自然科学基金（S2013010013261）

韩涛（1981—），男，湖北武汉人，博士研究生。主要研究领域为超宽带通信系统。张明军（1975—），男，法国人，博士研究生，副教授。主要研究领域为无线传感器网络。王红成（1981—），男，湖南衡阳人，博士研究生，副教授。主要研究领域为光通信、无线传感器网络。李秀平（1963—），男，贵州镇远人，博士研究生，教授。主要研究方向为无线传感器网络。