唐璐丹

(桂林電子科技大學信息科技學院,廣西桂林 541004)

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UWB室內(nèi)N LOS環(huán)境頻域衰減特性建模

唐璐丹

(桂林電子科技大學信息科技學院,廣西桂林 541004)

摘要:當前IEEE UWB(超寬帶)標準中雖然給出了時域統(tǒng)計信道模型,但信道的頻域特性并沒有得到清晰地反映,而頻域特性對于UWB信道容量、測距精度等都有著關(guān)鍵的影響。通過對NLOS(非視距)環(huán)境的頻率相關(guān)路徑損耗進行建模,并基于實測數(shù)據(jù)擬合出頻率相關(guān)路徑損耗指數(shù),獲得了NLOS傳播環(huán)境中的頻域衰減變化規(guī)律。研究表明,在室內(nèi)NLOS環(huán)境中UWB信道的高頻統(tǒng)計衰減特性尤為明顯,這與常規(guī)UWB信道模型及其頻域分析結(jié)果有明顯不同。該分析方法和結(jié)論對于不同NLOS環(huán)境中UWB通信容量和定位精度的估計具有較強的指導意義。

關(guān)鍵詞:超寬帶;實測數(shù)據(jù);頻率特性

0 引 言

UWB(超寬帶)脈沖信號覆蓋了幾個GHz的頻率范圍[1],從而在信道傳播特性中表現(xiàn)出更為復雜的頻率依賴行為,直接影響實際工程中UWB無線收發(fā)信機的設計。文獻[2]表明,UWB信號脈沖波形的畸變本質(zhì)上是由信道傳遞函數(shù)H(W)頻率特性不均勻造成。文獻[3-5]基于UWB穿墻實驗給出了特定頻率不同材料的透射系數(shù)和損耗因子值,同時文獻[5]還表明UWB信號穿過同一材料障礙物的透射系數(shù)和損耗因子隨頻率變化而變化。IEEE 802.15.4a標準工作組公布的信道模型[6]的優(yōu)點是模型簡單,然而其NLOS(非視距)時域統(tǒng)計的頻率響應基本上是一個全頻段隨機響應。而文獻[7]結(jié)合系統(tǒng)帶寬影響和T-R(發(fā)-收)距離建立了一個統(tǒng)一的測距誤差模型,得出在室內(nèi)NLOS環(huán)境中測距誤差與距離無關(guān)的結(jié)論,但是結(jié)合其測試平面圖可以發(fā)現(xiàn),雖然從不同傳播方向及距離的測試位置出發(fā)來研究問題,但是并沒有考慮NLOS的統(tǒng)計特征。

本文通過對NLOS環(huán)境的頻率相關(guān)路徑損耗進行建模,并基于南加州大學實測數(shù)據(jù)對頻率相關(guān)路徑損耗指數(shù)進行擬合,以期獲得統(tǒng)計條件(即在同一傳播方向,T-R距離的增加)下UWB信號的頻域衰減特性。

1 UWB室內(nèi)NLOS環(huán)境頻率相關(guān)路徑損耗建模

1.1 自由空間電波傳播的路徑損耗

電磁波在自由空間傳播一定距離后,信號能量會發(fā)生損耗,其單位面積上的電波功率密度S為

式中,GT為發(fā)射天線增益,PT為發(fā)射功率,d為傳播距離。S乘以接收天線的有效面積AR即得到接收天線處的電波功率:

式中,AR=(λ2/4π)GR,λ=c/f,c為光速,f為電磁波工作頻率,GR為接收天線增益。因此接收天線獲取的電波功率為當發(fā)射、接收天線增益均為0 dB,即GT=GR=1時,接收天線的接收功率為自由空間傳播路徑損耗定義為發(fā)、收功率之比,則由式(4)得到路徑損耗為以dB計,則式(5)可寫為

1.2NLOS環(huán)境電波傳播的路徑損耗

在式(4)中引入?yún)⒖季嚯xd0,可得自由空間參考點表達式

式中,d為電磁波實際收發(fā)距離,d0為參考點距離, P(d0)為信號參考點的接收功率,P(d)為實際傳播距離處的接收功率。

如果對參考點和實際接收點的信號接收功率取對數(shù),則式(7)可改寫為

式中,LP(d)即為由自由空間電波傳播得到的基于參考點的路徑損耗,LP(d0)=(4πd0/λ)2為參考距離處取對數(shù)后的路徑損耗。

考慮電波在NLOS環(huán)境中傳播時存在直射、反射、繞射和散射等多種傳播機制,路徑損耗隨距離增長的速度不再是平方關(guān)系,而是介于1.6～6之間的指數(shù)關(guān)系,因此衰減指數(shù)由n表示(介于1.6～6之間),則實際接收點的路徑損耗可表示為

1.3UWB頻率相關(guān)的室內(nèi)NLOS環(huán)境路徑損耗模型

由于UWB通信系統(tǒng)的帶寬達GHz以上,電磁波在NLOS環(huán)境下傳播特性相對復雜,整個頻帶內(nèi)收發(fā)天線的增益不再保持恒定,其頻率響應也不可能是一個全頻段隨機響應,UWB信號穿過同一材料障礙物的透射系數(shù)和損耗因子也隨頻率變化而變化,因而會導致NLOS環(huán)境下UWB信號衰減特性隨頻率變化。因此實際中必須把UWB信道多徑衰落的幅度、時延、時間空間相關(guān)性和具體傳播環(huán)境聯(lián)系起來,提出相應的與頻率相關(guān)的UWB路徑損耗模型,該模型能夠描述UWB信號在統(tǒng)計條件下不同頻段的傳播衰減特性。由于式(9)中NLOS環(huán)境電波傳播的路徑損耗僅與參考點接收功率有關(guān),而與頻率相關(guān)的衰減特性并沒有反映在路徑衰減指數(shù)上,顯然n是隨頻率變化的一個參數(shù),因此,可以在式(9)的基礎上定義頻率相關(guān)的路徑損耗模型

式中,V(f)是與頻率相關(guān)的路徑損耗指數(shù),表示電磁波的路徑損耗隨著頻率的變化而變化,它的具體表達式可由UWB實測數(shù)據(jù)擬合得到。

2　基于UWB室內(nèi)NLOS環(huán)境實測數(shù)據(jù)的頻率相關(guān)路徑損耗指數(shù)擬合

2.1時域?qū)崪y數(shù)據(jù)的頻譜估算

本文中UWB實驗數(shù)據(jù)來源于美國南加州大學,由Joon-Yong Lee在室內(nèi)NLOS環(huán)境測量所得,由Intel研究實驗室收集,圖1所示為其NLOS環(huán)境的UWB實測時域接收信號。

圖1　實測數(shù)據(jù)波形

圖2　實測信號功率譜密度

為獲得信號頻域統(tǒng)計特性,基于實測UWB信號時域數(shù)據(jù)y(t)進行了功率譜密度的計算,其具體實現(xiàn)如下:

(1)將y(t)的N個樣本值yN(n)看成能量有限的信號,對其進行傅里葉變換,得到Y(jié)N(ejω):

(2)計算YN(ejω)的幅度的平方,再除以N,對y(t)的功率譜P(ejω)進行估計,即通過上述計算,得到接收信號的功率譜密度(ejω), 圖2為UWB接收信號相應的功率譜密度。

2.2相關(guān)路徑損耗指數(shù)擬合

對實測數(shù)據(jù)處理后得到了頻域數(shù)據(jù),再對頻域數(shù)據(jù)進行不同頻點的衰減值計算,進而統(tǒng)計出不同傳播距離不同頻點的實際路徑損耗指數(shù),選取線性多項式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對統(tǒng)計出的實際損耗指數(shù)進行曲線擬合。為了使擬合曲線盡量逼近實際路徑損耗指數(shù)數(shù)值,本文將擬合函數(shù)的未知參數(shù)限制在4個以內(nèi)(參數(shù)太少則誤差較大,參數(shù)太多則函數(shù)過于復雜)。多項式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的參數(shù)設置及均方誤差、均方根誤差如表1所示,實際路徑損耗指數(shù)及相應的擬合曲線如圖3所示。

圖3　實際路徑損耗指數(shù)及相應的擬合曲線

表1　擬合函數(shù)表達式及參數(shù)設置

由表1和圖3可知,三階多項式函數(shù)的擬合曲線更逼近實際數(shù)據(jù),其均方誤差和均方根誤差是4種擬合函數(shù)中最小的,擬合性能最好。因此本文選擇三階多項式函數(shù)作為UWB頻率相關(guān)的NLOS環(huán)境路徑損耗指數(shù)的表達式,即V(f)可表示為將式(13)代入式(10),得到基于UWB室內(nèi)NLOS環(huán)境實測數(shù)據(jù)的頻率相關(guān)路徑損耗模型表達式

式中,LP(d0)為參考點路徑損耗,可由實測數(shù)據(jù)計算得到。

3　頻域衰減特性分析

由于南加州大學的實測發(fā)射信號帶寬為1.3 GHz,中心頻率約為1.1 GHz,即信號的頻帶范圍為0.45～1.75 GHz,因此本文以1.1 GHz為中心,將接收信號分為兩個頻段,低頻段為0.45～ 1.1 GHz,高頻段為1.1～1.75 GHz,應用式(14)給出的頻率相關(guān)路徑損耗模型分別對這兩個頻段的頻域衰減進行仿真和比較,仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖可見,隨著信號傳播距離的拉長,UWB信道的高頻端表現(xiàn)出更為明顯的統(tǒng)計衰減特性,這與圖3所示實測數(shù)據(jù)的衰減指數(shù)整體隨頻率升高而增長的現(xiàn)象完全吻合,表明隨著距離的拉長及室內(nèi)障礙物的增多,對高頻分量的遮擋作用更為明顯。上述基于南加州大學實測數(shù)據(jù)建立的UWB室內(nèi)NLOS環(huán)境的頻率相關(guān)路徑損耗模型可以用于估計UWB室內(nèi)辦公環(huán)境通信系統(tǒng)容量,指導無線通信系統(tǒng)的設計。

圖4　UWB室內(nèi)NLOS環(huán)境頻域衰減特性

4　結(jié)束語

本文對UWB信號NLOS環(huán)境下的頻率相關(guān)路徑損耗進行了建模,然后再基于實測UWB數(shù)據(jù)進行了路徑損耗指數(shù)的擬合,從而得到了UWB信號在NLOS傳播環(huán)境中的頻域變化規(guī)律。研究表明,在室內(nèi)NLOS環(huán)境中UWB信道的高頻統(tǒng)計衰減特性尤為明顯。此結(jié)論對于不同NLOS環(huán)境中(例如樓內(nèi)、樓間、曠野和森林等)UWB通信的容量和測距定位性能估算等具有重要的參考價值。

參考文獻:

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

[2] Qiu R C,Zhou C,Liu Q.Physics Based Pulse Distor-tion for Ultra-Wideband Signals[J].IEEE Trans Veh Tech,2005,54(5):1546-1555.

[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

中圖分類號:TN929.5

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-063-04

收稿日期:2015-08-10

基金項目:國家自然科學基金資助項目(61371186)

作者簡介:唐璐丹(1983-),女,廣西桂林人。講師,碩士研究生,主要研究方向為移動通信和認知無線電。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.019