楊?？?，周 杰

（南京信息工程大學信息與控制學院，江蘇南京210044）

0 引言

近年來，超寬帶無線技術以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強、低損耗以及設備簡單等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術之一。UWB信道不同于一般的無線衰落信道。它的可分離的不同多徑到達時間之差可短至ns級;從頻域上看，它的脈沖橫跨了幾GHz的頻域范圍，所經歷的頻率選擇性衰落要比一般的窄帶信號嚴重的多;從時域上看，會導致接收波形的嚴重失真，而且時延擴展極大。因此，建立一個可以表征信道傳播特性的精確信道模型是進行UWB無線通信系統(tǒng)設計和系統(tǒng)性能評估的先決條件。

自FCC 2002年批準了超寬帶技術可以用于民用領域，世界許多著名的大公司、研究機構、標準化組織都積極投入到超寬帶技術的研究、開發(fā)和標準化工作之中。為評估超寬帶通信方案的性能和開展各種標準化工作，需要根據其具體的應用環(huán)境建立精確的信道模型。然而，無線信道環(huán)境非常復雜，以及超寬帶技術特殊性，如脈沖持續(xù)時間納秒級等，建立精確的信道模型非常困難。

1 超寬帶室內多徑信道模型

UWB通信系統(tǒng)的信道測量和建模[7，8]是最近幾年的研究熱點。UWB室內多徑信道模型主要描述UWB信號經短距離傳輸后經多個路徑以微小的時間間隔到達接收天線的傳播特性，由于其能清晰地描述接收信號能量在短時間內的快速變化，則對傳輸技術的選擇和接收機的設計至關重要。目前普遍認可的UWB室內傳輸特性描述的較好的是基于分族方式的S-V模型。該模型首先由Turin于1972年提出，后來Saleh和Valenzuela在對寬帶信號的研究中提出了進一步的信道模型，得到了普遍認可，即S-V模型。描述如下:多徑信號不是按著固定的速率均勻到達接收機，而是以族的形式到達。族和族內多徑的到達時間服從泊松隨機過程分布。先后到達的多徑信號增益統(tǒng)計獨立，多徑信號的平均功率隨族和族內多徑呈雙指數衰減，其幅度呈瑞利分布。相位在[0，2]內均勻分布。但是，在與實測數據的擬合中發(fā)現，S-V模型可以很好的擬合NLOS環(huán)境下實測數據，但不能很好的擬合LOS環(huán)境下實測數據。

相對于傳統(tǒng)的無線信道模型，UWB的信道產生新的特征。在每個可分辨的延遲時間內，只有極少的多徑成分重疊，因此中心極限定理不再適用，幅度衰落統(tǒng)計不再表現為Rayleigh衰落特征。因此IEEE802.15.3工作組建議的信道模型利用Lognormal分布而不是Rayleigh分布來描述多徑增益幅度，相位是等概率的取0或。

IEEE802.15.3a信道模型的離散時間信道沖擊響應:

信道模型的仿真輸入參數:

Λ:簇到達率;

λ:徑到達率;

Γ:簇衰減因子;

γ:徑衰減因子;

σ1:簇對數正態(tài)衰減項的標準差;

σ2:徑對數正態(tài)衰減項的標準差;

σ:總的多徑實現的對數陰影衰減項的標準差。

基于發(fā)射機和接收機的平均距離和是否LOS環(huán)境，IEEE802.15.3a給出了4種不同的實測信道:

CM-1:LOS（0-4m）;CM-2:NLOS（0-4m）;

CM-3:NLOS（4-10m）;CM-4:NLOS（4-10m），代表了極端的NLOS多徑信道環(huán)境。

圖1和圖2分別是在Matlab6.5仿真CM-1信道環(huán)境（3m）的離散時間沖擊響應和功率延遲分布。

圖1 CM-1信道環(huán)境（3m）的離散時間沖擊響應

圖2 CM-1信道環(huán)境（3m）的功率延遲分布

S-V模型和IEEE802.15.3a模型是一個適合仿真研究使用的完整的多徑模型，但在實際應用中存在如下不足:首先，其能夠精確的反應室內NLOS環(huán)境的傳播規(guī)律，但室內LOS環(huán)境的性能不足;其次，模型輸入參數獲取困難的問題;再次，利用該模型生成的信道沖擊響應中可能存在與實測數據不符的過多的隨機到達的族。

2 超寬帶室內LOS信道模型研究

許多文獻指出，超寬帶室內傳播是按簇形式到達，簇的到達時間是服從泊松分布，簇內多徑的到達時間也是服從泊松分布，簇的個數M=2;3;4是等概率的。后續(xù)大量室內信道測量數據表明[3-5]，在室內LOS環(huán)境下，一般只有2個族，即使有第3個族，它的功率增益也是特別的小，對整個信號能量沒有太大的影響，因此，在室內LOS環(huán)境下，把簇的個數定為2個，能更好地符合信號傳播規(guī)律。

超寬帶室內LOS傳播具有下述特點[6]:確定性，即直射多徑信號一定最先到達接收天線;規(guī)律性，即較早到達接收天線的多徑信號在信道中經歷了較少的能量損耗。通過對南加州大學的實驗數據的分析認為:①第1簇的首徑增益可以用自由空間的路徑損耗近似得到;②第2簇的首徑可由室內各墻體的一次反射信號確定。由此提出一種具有2個確定的簇、每個簇內具有隨機到達的多徑射線的超寬帶室內LOS環(huán)境信道模型。即第1個簇是由收發(fā)信機的相對位置確定，第2簇為經室內6個主要反射面（天板、地板、四壁）一次反射較早到達接收機的多徑射線。每個簇內的后續(xù)多徑射線的到達時間為具有固定到達率的泊松過程，其多徑增益服從對數正態(tài)分布。相位分布是等概率的取0或。

新兩族模型的離散時間信道沖擊響應:

圖3和圖4分別是在Matlab6.5仿真新兩族模型室內LOS環(huán)境（3m）的離散時間沖擊響應和功率延遲分布。

圖3 新兩族信道模型離散時間沖擊響應

圖4 新兩族信道模型功率延遲分布

3 新模型與IEEE802.15.3a模型性能比較

圖1和圖3是在同一室內LOS環(huán)境下仿真的IEEE802.15.3a模型和新兩族模型的離散時間沖擊響應?？梢园l(fā)現，圖1比圖3的信號衰減緩慢。通過上面分析室內LOS環(huán)境信號傳播規(guī)律表明，信號衰減應該很快，所以新兩族模型比IEEE802.15.3a模型更能反映室內LOS環(huán)境信號傳播規(guī)律。圖2和圖4是這2個模型的PDP，可以看出0～5ns是功率較大的第1族，5～15ns是功率次大的第2族，15ns以后的就是信道持續(xù)時間功率非常小的多徑分量，2個模型的PDP基本一致。新模型與IEEE模型的模型輸出參數與實測數據比較如表1所示。

表1 模型與實測數據比較

平均附加時延τm是信道沖擊響應功率延遲分布的一階矩，它描述了多徑信號的離散程度。RMS時延擴展τrms是信道沖擊響應功率延遲分布的二階矩，它描述了附加時延的標準差。這2個參數是多徑測量的重要參數，對于UWB系統(tǒng)設計中數據傳輸速率和接收機設計具有重大意義?？梢园l(fā)現，新兩族模型與IEEE802.15.3a信道模型相比，τm減少0.7ns，τrms減少0.2ns，更加接近實測數據。

4 結束語

主要分析了室內LOS環(huán)境下信號傳播規(guī)律，多徑分量成簇到達。仿真分析了IEEE802.15.3a信道模型，此模型中簇的出現個數M=2，3，4是等概率出現的，存在模型代表的類型不完整，即在NLOS環(huán)境下，能很好的擬合實測數據，但在室內LOS環(huán)境下卻不能很好地擬合。在室內LOS環(huán)境下，提出把簇的個數定義為2個，建立了新兩族模型。通過模型仿真，并與IEEE802.15.3a信道模型進行比較，結合南加州大學的室內實測數據進行擬合，發(fā)現新模型在不改變其他信道參數的情況下，能減少平均附加時延τm（0.7ns）和RMS時延擴展τrms（0.2ns），更加接近實測數據，同時對UWB系統(tǒng)設計時提高數據速率，物理層方案和接收機設計具有重大參考價值。

[1]LIU K，SHEN X，ZHANG R，et al.Performance analysis of distributed reservation protocol for UWB-based WPAN[J].IEEE Transactions onVehicular Technology，2009，58（2）:902-913.

[2]CHONG C，YONG S.UWB direct chaoticcommunication technology for low rate WPAN applications[J].IEEETransactions onVehicular Technology，2008，57（3）:1527-1536.

[3]WANG YANG，XU Hong-guang，ZHANG Qin-yu，et al.UWB channel modeling for indoor Line-of-Sight Environment[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2007，14（6）:866-870.

[4]WANG YANG，ZHANGNai-tong，ZHAGN Qin-yu，etal.Characterizing ultra-wide band indoor line-of-sitewirelesschannel[J].Journal of System Engineering and Electronics，2007，18（4）:673-678.

[5]WANG YANG，ZHANG JIE，ZHANG Qin-yu，et al.Evaluation of an ultra-wide bandwidth wireless indoornon-line-ofsight channels[J].Wireless Communication and Mobile Computing，2009（9）:169-179.

[6]汪洋，張乃通，唐珣，等.UWB室內視距環(huán)境多徑傳播模型[J].通信學報，2006，26（10）:24-28.

[7]彭麗，孫彥景，錢建生，等.超寬帶室內修正S-V信道模型的仿真與分析[J].計算機工程與設計，2009，30（3）:582-585.

[8]李波，張春業(yè)，趙同明.超寬帶室內參考信道模型研究[J].電氣電子教學學報，2005，27（4）:59-62.