基于TD-UTD的超宽带信号多径传播特性研究

李双德，刘芫健，张晓俊

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

基于TD-UTD的超宽带信号多径传播特性研究

李双德，刘芫健，张晓俊

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

超宽带信号传播特性是超宽带信道理论的重要组成部分，对其多径传播特性的研究具有重要的理论和实际意义。基于时域一致性绕射方法研究了室内复杂环境中超宽带信号的多径传播特性，仿真结果与已知文献的测量结果一致性良好，验证了时域一致性绕射方法在室内复杂环境预测电波传播特性的正确性和有效性。比较分析了仿真中得到的视距传播和非视距传播的路径损耗、电场强度、接收功率分布等传播参数。仿真结果表明：在视距传播环境下，直射路径最先到达，且信号最强，在全部多径信号中占绝大部分能量；在非视距传播环境下，透射损耗较大，但绕射对信号接收功率影响较大，不能忽略。仿真结果可以为室内复杂环境下超宽带无线通信网络覆盖与优化提供理论依据。

超宽带信号；室内环境；时域一致性几何绕射理论；传播特性

0 引 言

超宽带(Ultra-WideBand，UWB)是一种在雷达中被广泛应用的传输技术，近年来作为无线通信应用在业界受到了广泛关注。UWB与传统的窄带通信系统相比，具有传统系统无法比拟的技术特点[1]：传输速率高、空间容量大、多径分辨能力强、穿透能力强等。这些特点都使之成为室内短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。

目前研究UWB无线信道传播的方法主要有两类：第一类是基于测量的随机统计方法，该方法在UWB无线信道研究领域使用较为广泛[2-5]。第二类是确定性方法，典型的有时域有限差分法[6](Finite Difference of Time Domain，FDTD)、抛物方程法[7]和一致性几何绕射理论(Uniform Theory of Diffraction，UTD)的射线跟踪方法(Ray Tracing Method，RTM)[8-10]等。

作为UTD的时域解法，时域一致性几何绕射理论(Time Domain Uniform Theory of Diffraction，TD-UTD)[11-12]将射线跟踪法的适用范围扩展到了瞬态电磁场，在相关领域也越来越受关注。R.Yao[13]基于TD-UTD方法研究了室内带横梁环境中UWB信号的多径传播现象，建立了室内传播的多径信道模型。F.S.Adana等[14]提出了一种室内传播的TD-UTD模型，并验证了该模型的正确性。H.Y.Xu等[15]基于TD-UTD方法研究了典型办公室内UWB系统中的误比特率。韩涛等[16]提出了一种简化TD-UTD的多重绕射分析方法，研究了室内非视距环境下UWB信号多重绕射传播特性。目前，基于TD-UTD方法对室内UWB信号的传播特性研究较少。

因此，文中基于TD-UTD方法进行室内环境建模与仿真，通过仿真结果与已知文献结果相比较，验证了该方法在预测室内环境中超宽带信号传播特性方面的正确性和有效性。同时，研究了室内的路径损耗、电场强度、多普勒频移和接收功率分布等特性参数。

1 TD-UTD理论基础

1.1 时域多径模型

在时域中，接收信号脉冲的波形与传播路径有关，不同的传播路径对应不同的冲激响应，因此在接收端得到的脉冲信号可以表示为[13]：

(1)

直射场冲激响应可以写成如下形式：

(2)

1.2 时域反射系数

当射线在传播过程中遇到墙面等障碍物时会发生反射，反射射线可以根据镜像法确定其方向矢量，反射场可以表示为[13]：

(3)

1.3 时域绕射系数

入射射线通过墙壁或者家具的棱角处会发生绕射，根据文献[13]可以确定绕射射线和绕射场的大小，绕射场可以表示为：

(4)

2 仿 真

2.1 仿真环境

文中根据文献[17]针对室内短距离复杂环境进行建模与仿真。房间长9 m，宽6 m，高3 m，如图1所示。

图1 室内平面图

发射、接收天线均采用全向天线，高度均为1.5 m。其中区域1和区域2中分别有16个接收点，点间距离为0.3 m。仿真所用的时域信号脉冲表达式为：

(5)

其中，fmin=3.1GHz;fmax=10.6GHz；sinc(x)=sin(πx)/(πx)；fb=7.5GHz。室内建筑水泥材料的相对介电常数为5，电导率为0.07S/m；木门的相对介电常数为5，电导率为0.01S/m。

2.2 仿真结果与分析

2.2.1 路径损耗概率累积分布

图2是在考虑6次反射、4次透射、1次绕射的情况下，室内区域2的路径损耗概率累积分布图。与文献[17]中实测的区域2的路径损耗的概率累积分布趋势进行比较，验证了TD-UTD方法的正确性和可靠性。从图中可以看出，区域2的路径损耗的大小大致分布在64～80 dB，且当路径损耗的大小达到68 dB时，累积概率基本达到30%，当路径损耗的大小达到75 dB时，累积概率基本达到80%。图中某些位置的仿真统计情况和实际测量有一些误差，产生误差的原因可能是：仿真材质的电参数与实际介质参数的差别，实际测量中人体的阻挡对测量结果的影响等。

图2 区域2的仿真结果与测量结果对比

2.2.2 Z方向的电场强度

接收点时域信号波形如图3、图4所示。

图3 接收点RX1处的电场强度

图1中接收点1在直射路径可到达区域，属于视距传播，接收点2在只有透射、反射和绕射路径区域，

图4 接收点RX2处的电场强度

属于非视距传播。比较图3、图4可以看出，在视距传播环境中，直射路径最先到达，所用时间大约为10.03 ns，且信号最强，在全部多径信号中占绝大部分能量；没有直射路径时，透射路径最先到达，所用时间大约为17.38 ns。

2.2.3 接收功率分布

视距接收区域3和非视距接收区域4的接收功率分布如图5、图6所示。

图5 视距区域3的接收功率

图6 非视距区域4的接收功率

从图中可以看出，随着与发射机的距离逐渐增大，路径损耗也会增大，导致接收功率逐渐下降。在视距传播中，直射路径和反射路径起主导作用，由于绕射和透射路径引起的多径衰落影响小，因此信号接收功率的深衰落发生的次数较少，深衰落主要出现在靠近墙壁的地方。视距传播环境中，区域3的最大接收功率为-28.23 dBm，最小接收功率为-51.31 dBm，平均接收功率为-35.60 dBm。在非视距传播环境中，由于没有直射路径，导致接收功率整体下降，绕射对信号接收功率影响较大。区域4的接收功率变化剧烈，这是因为在非视距传播中多条反射、绕射、透射路径相位差较大，相互叠加后会使接收功率降低。区域4的最大接收功率为-30.68 dBm，最小接收功率为-58.86 dBm，平均接收功率为-41.95 dBm。

3 结束语

通过仿真结果与已知文献的实际测量结果对比的一致性，验证了TD-UTD方法在研究室内短距离环境超宽带信号传播特性时的正确性与有效性。在视距传播环境中，直射路径最先到达且在全部多径信号中占绝大部分能量。在非视距传播环境中，透射损耗较大，但绕射对信号接收功率影响较大，不能忽略。随着接收机与发射机的距离逐渐增大，路径损耗也会增大，导致接收功率逐渐下降。这些结果为室内超宽带无线通信系统的优化提供了依据。但是在现实中还需要考虑一些情况，例如：室内墙壁的粗糙度、实际测量中人体的阻挡对信道性能的影响，这将是下一步研究和努力的方向。

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Research on UWB Signal Multipath Propagation Characteristics Based on TD-UTD

LI Shuang-de，LIU Yuan-jian，ZHANG Xiao-jun

(College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The propagation characteristics of Ultra-WideBand (UWB) is the important part of UWB channel theory.The study of multipath propagation characteristics has considerable theoretical and practical interest.The multipath propagation characteristics of UWB signal in the complex indoor environment are studied based on the Time Domain Uniform Theory of Diffraction (TD-UTD).A comparison with measurements taken from the literature has been presented.The agreement between the measured results and simulated results proves the accuracy and validity of the method for the prediction of the propagation characteristics of the electromagnetic wave.Some propagation parameters are analyzed such as the path loss,electric field intensity,the distribution of received power and so on in terms of Line-Of-Sight (LOS) and Non-Line-Of-Sight (NLOS) environment.The simulated results indicate that the direction path is the first to arrive the receiving point and it is the strongest signal in LOS scenarios.Transmission loss is very high,however,diffraction is found to be a significant propagation mechanism in NLOS environment and cannot be ignored.These results provide the theoretical basis for wireless communication network coverage and optimization of UWB signal in indoor complex environment.

UWB signal;indoor environment;TD-UTD;propagation characteristics

2016-04-26

2016-08-02

时间：2017-01-10

国家自然科学基金资助项目(61372045)；教育部博士点基金项目(20123223120003)

李双德(1990-)，男，博士研究生，通信作者，研究方向为室内短距离超宽带测量及其传播特性。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.1019.056.html

TN011

A

1673-629X(2017)02-0151-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.034