祁秀珍，張 靜，楊牛扣，閆俊鵬，楊 寧，林 曉，楊 瓊

(中國人民解放軍 63628部隊，北京 101601)

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超寬帶通信室內非視距環(huán)境信道模型仿真分析

祁秀珍，張 靜，楊?？?，閆俊鵬，楊 寧，林 曉，楊 瓊

(中國人民解放軍 63628部隊，北京 101601)

通過對超寬帶信號傳播特性和信道特點研究，建立了非視距環(huán)境下相對精確信道模型。分析了超寬帶信號室內傳播規(guī)律，在仿真分析NLOS信道模型的基礎上，發(fā)現(xiàn)其不能較好地體現(xiàn)出信道典型特點，因此對NLOS信道模型進行修正。仿真結果表明，修正后NLOS信道模型能更好地擬合實測數據，并能更好地體現(xiàn)信道特點和多徑分量成簇到達特性。

繁殖性能；信道測量；信道模型

近年來，超寬帶(UWB)通信技術以低功耗、高速率、結構簡單、共享頻譜以及抗干擾強等特性，成為通信領域關注的熱點，是未來室內短距離短信的最佳方案[1-5]。

在通信經歷窄帶、寬帶以后到超寬帶，系統(tǒng)傳輸速率越來越高，通信系統(tǒng)也出現(xiàn)了一些新的特點，如用沖擊脈沖形式傳輸信號，而無需傳統(tǒng)的載波傳輸。UWB信道也出現(xiàn)了一些新的特點，如信號傳輸基于成簇方式的多徑到達，頻域上可達到GHz的范圍，頻率選擇性衰落更加嚴重。為使UWB通信技術早日形成標準，需要根據其具體應用環(huán)境建立準確信道模型，因而研究UWB信道特性，對于UWB通信技術至關重要。

1 UWB脈沖室內環(huán)境傳播特性

UWB通信技術主要應用于室內環(huán)境，例如家庭多媒體系統(tǒng)，其特點是傳輸距離短，約4 m以內，結構分為視距和非視距兩種情況。一般室內均為非視距結構，有沙發(fā)、桌椅、墻壁、門窗等室內物品的存在，對電磁波的傳播會產生阻礙作用，通常會發(fā)生直射、反射、散射、透射、衍射等。UWB室內傳播的主要特點[6-7]是：發(fā)射機接收機之間存在經過反射、衍射和透射等方式的多條傳播路徑，發(fā)射信號傳播后會會經歷不同的時延和衰減，接收信號是許多多徑能量的疊加。目前普遍認可的是多徑成簇到達[8]方式，即多徑信號是以簇的形式傳播，到達時間服從泊松分布，平均功率呈指數衰減。

2 UWB室內信道模型仿真分析

若考慮信道中傳播信號的所有多徑，信道模型難以用簡單模型表達，考慮到時變性、空間相關性等情況會變得復雜。2003年7月，IEEE802.15.3a信道模型研究小組結合了多種實驗測量和理論研究的信道模型，考慮到實際應用環(huán)境和距離，發(fā)布了UWB室內4種實測信道模型的最終報告，即：CM1，LOS(0～4 m)；CM2，NLOS(0～4 m)；CM3，NLOS(4～10 m)；CM4，NLOS(4～10 m，極端NLOS環(huán)境)，用這一模型評估各物理層的性能。

UWB通信應用于室內環(huán)境典型特點是短距離和非視距結構。圖1和圖2是在NLOS(3 m)信道下沖擊響應和功率延遲分布(PDP)仿真圖。從圖中可看出，離散時間多徑沖擊響應是由多個族依次到來并有相互疊加成分，從圖2的功率延遲分布PDP中表現(xiàn)的非常明顯，簇的功率呈指數衰減，強徑周圍有諸多弱徑，可能是傳播機理不同而導致的，如反射的衰減比透射小。仿真較好地體現(xiàn)了多徑成簇到達特性，但未能體現(xiàn)出NLOS情況下即信號傳播遇到障礙物的典型結果，即最強多徑不是出現(xiàn)在第一條路徑上，而是出現(xiàn)在第一條路徑后的多徑，因為最強多徑應該是通過反射或衍射等衰減小的方式到達接收機，其路徑比透射方式的長所以經歷時間長，顯而易見第一個多徑是通過障礙物透射到達接收機的，一般穿透障礙物的衰減大于反射或衍射的衰減。

圖1 室內NLOS(3 m)信道離散沖擊響應

圖2 室內NLOS(3 m)信道功率延遲分布

3 室內NLOS信道模型簡單修正

理論分析表明，NLOS環(huán)境下典型特點透射信號衰減大于反射或衍射的信號衰減，文獻[9～12]的相關測量實驗驗證了這一特點。文獻[10]在一個鋼架磚墻建筑物內實際測量了室內信道。圖3是在NLOS(非視距)環(huán)境下接收到的多徑分量。

圖3 室內NLOS信道實測沖擊響應

室內短距離NLOS信道模型與實際測量模型不能很好地擬合，也與理論研究并不相符。多徑成簇到達要求，簇和徑要呈雙指數衰減，最先到達的透射信號衰減大不是最強徑，后續(xù)到達的反射或衍射信號衰減相對小才是最強多徑。根據文獻[9～12]，對室內短距離NLOS信道模型進行修正。

圖4是修正后NLOS信道模型信道沖擊響應，圖5是修正后NLOS信道模型PDP。圖1和圖4與實測圖3相比，修正后NLOS信道沖擊響應更接近實際測量結果，更能反映非視距信道特點。如圖5所示，多徑信號明顯分為多徑成簇到達，簇與簇內多徑呈現(xiàn)雙指數衰減，簇與簇之間區(qū)分的并不明顯，前面先到達的多徑是透射方式傳播衰減相對大而不是最強的徑，后面到達是反射等方式傳播衰減相對小的才是最強多徑，文獻[9～10,12]分別在信道測量實驗中，對這方面進行了詳細的描述。在室內NLOS環(huán)境下，圖5比圖2更符合實際信道測量和信號傳播方式的理論分析。

圖4 修正后室內NLOS(3m)信道離散沖擊響應

圖5 室內修正后NLOS(3 m)信道功率延遲分布

4 結束語

UWB通信作為短距離高速率的主要備選方案，適用于家庭多媒體系統(tǒng)，如電腦、電視、音響、手機、WiFi之間的通信。通過室內典型環(huán)境信道特點及信號傳播理論分析，對室內短距離NLOS信道模型進行簡單修正。仿真結果表明，修正后模型對UWB通信在室內環(huán)境下建立準確信道模型具有較大的參考價值，也為UWB通信方案中接收機的設計提供了理論參考。

[1] Liu K,Shen X,Zhang R,et al.Performance analysis of distributed reservation protocol for UWB-based WPAN[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(2):902-913.

[2] Chong C,Yong S.UWB direct chaotic communication technology for low rate WPAN applications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(3):1527-1536.

[3] Wang Y,Xu H G,Zhang Q Y,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 Y,Zhang N T,Zhang Q Y,et al. Deterministic simulation of UWB indoor propagation channel[J].Journal of Systems Engineering and Electronics,2008,19(3):447-452.

[5] 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,2005,26(10):24-28.

[6] 李波,張春業(yè),趙同明.超寬帶室內參考信道模型的研究[J].電氣電子教學學報,2005,27(4):59-61.

[7] 楊牛扣,周杰.超寬帶室內LOS環(huán)境信道模型研究[J].無線電通信技術,2011(4):25-27.

[8] 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):582-584.

[9] Saleh A A ,Valenzuela R A. A statistical model for indoor multipath propagation[J].IEEE JSAC,1987,5(2):128-137.

[10] Fan X N.Research on key techniques of ultra wideband wireless communication systems[D].Nanjing:Southeast University,2005.

[11] Spencer Q,Rice M,Jeffs B,et al.A statistical model for the Angle-of-Arrival in indoor multipath propagation[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,1997,7(5):1415-1419.

[12] Cramer J M,Scholtz R A,Win M Z. Evaluation of an Ultra-Wideband propagation channel[J].IEEE Transactions on Communication,2007,8(4):6-9.

Analysis and Simulation of the Indoor NLOS Channel Model of UWB

QI Xiuzhen, ZHANG Jing, YANG Niukou, YAN Junpeng, YANG Ning, LIN Xiao, YANG Qiong

(Unit 63628, PLA, Beijing 101601, China)

A relatively accurate channel model of UWB signal channel in the non line-of-sight environment is built. The indoor UWB signal transmission pattern is analyzed, and the simulation analysis of NLOS channels model shows that it fails to reflect the typical channel characteristics, thus the need to modify the NLOS channel model. The simulation results show that the revised NLOS channels model can better fit the measured data, and can better reflect the characteristics of channel and multipath component clusters arriving feature.

propagation properties; channel measurement; channel model

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.018

2016- 01- 26

楊?？?1984-)，男，碩士，工程師。研究方向：超寬帶通信。

TN911.5

A

1007-7820(2016)12-062-03