超寬帶室內(nèi)信道仿真分析

摘要 對超寬帶通信室內(nèi)修正S—V信道模型的進(jìn)行仿真，在分析S—V信道模型的參數(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討修正S—V信道模型的數(shù)學(xué)模型的建立方法，在CM4的非視距(NLOS)信道環(huán)境下，用Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明修正S—V信道模型更接近實(shí)際，比S—V信道模型具有更好的信道沖激響應(yīng)特性，能夠更好地應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)性能的信道傳榆特性研究。
關(guān)鍵詞 超寬帶；修正信道；Matiab仿真

    超寬帶(Ultrawideband，UWB)無線通信是一種能夠和其他通信系統(tǒng)共享頻譜資源的新型無載波通信技術(shù)。由于UWB信號的功率譜密度遠(yuǎn)低于其他通信系統(tǒng)噪聲的容許門限，所以基本感覺不到UWB信號的存在，同時(shí)為恢復(fù)被嚴(yán)重干擾的UWB信號，超寬帶通信系統(tǒng)采用信號多次重傳的方式提高接收端的信噪比，以保證能夠?qū)崿F(xiàn)信號的有效解調(diào)。又考慮到多址接入和保密性的需要，UWB系統(tǒng)為每個(gè)用戶分配一個(gè)惟一的偽隨機(jī)碼，利用這些偽隨機(jī)碼來調(diào)制不同用戶之間的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)多用戶通信和提高通信系統(tǒng)的保密性。
    目前為止，人們對于超寬帶信號的傳播問題進(jìn)行了大量測量，尤其是集中在室內(nèi)環(huán)境信道下的測試較多，由于進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)量不足，對不同的測量不能進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范化，已有的超寬帶室內(nèi)統(tǒng)計(jì)模型中較為著名的是S—V信道模型，這是一種描述多徑按簇分布的信道模型，文中進(jìn)行仿真研究了修正S—V信道模型，保留原有S—V信道模型中多徑成簇到達(dá)和能量服從雙指數(shù)分布的特點(diǎn)，但修正S—V信道模型中每一徑的幅度不再服從瑞利分布，而是根據(jù)實(shí)測結(jié)果更加符合對數(shù)正態(tài)分布，成為研究超寬帶系統(tǒng)性能的更好的信道平臺。

1 信道測量技術(shù)
    由于UWB信號的射頻帶寬通常達(dá)到GHz量級，信號傳播特性與傳統(tǒng)的窄帶或?qū)拵нB續(xù)波信號有著明顯的不同，特別在非視距環(huán)境下對超寬帶信道的測量、分析以及建模將不同于傳統(tǒng)的方法，如何獲得信道沖激響應(yīng)是研究信道傳播特性的核心問題，因此信道測量是研究信道傳輸特性的基礎(chǔ)。
    超寬帶通信信道測量技術(shù)是利用適當(dāng)?shù)腢WB信號來探索信道，主要有兩種測量方法，一是時(shí)域測量技術(shù)；二是頻域測量技術(shù)，該技術(shù)是利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在指定頻帶上選擇若干等間隔的離散頻率點(diǎn)發(fā)射單頻信號，得到信道的時(shí)域沖激響應(yīng)及統(tǒng)計(jì)量，UWB信道可以用一個(gè)時(shí)變的脈沖響應(yīng)表示為
   
    其中，第n徑的參數(shù)an，τn，θn分別是幅度、時(shí)延、相位；N表示多徑數(shù)目。UWB信道也可以描述為頻域自回歸模型，表示為
   
    其中，bi是模型參數(shù)；p是模型階數(shù)；V(fn)是復(fù)白噪聲；H(fn，x)是位置x處復(fù)頻率響應(yīng)的第n個(gè)抽樣。

2 信道數(shù)學(xué)模型的建立
2．1 S-V信道模型
    由于超寬帶技術(shù)主要應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，所以人們對超寬帶信道的建模主要集中在室內(nèi)環(huán)境。由于墻壁、家具、人等障礙物的存在，UWB脈沖通常會發(fā)生反射、衍射等現(xiàn)象，且發(fā)送端與接收端很少存在視距傳播路徑(LOS)，因此UWB室內(nèi)傳播時(shí)的多徑現(xiàn)象嚴(yán)重且第一徑通常不具有最大能量。到目前為止，人們已經(jīng)提出了多種UWB室內(nèi)信道模型，如△-K模型、POCA-NAZA模型、S—V模型和IEEE802．15．3a室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信道模型等。目前普遍認(rèn)可的對于室內(nèi)超寬帶傳輸特性描述較好的是基于分簇方式的模型，該模型首先由Turin于1972年提出，后來Saleh和Valen zuela在對寬帶信號的研究中提出了進(jìn)一步規(guī)范化的模型，得到了普遍認(rèn)可，即S—V模型，基物理描述如下：多徑信號不是按著固定的速率均勻到達(dá)接收機(jī)，而是以簇(Cluster)的形式，分成一簇一簇地到達(dá)。S—V信道模型是一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型，由實(shí)測數(shù)據(jù)建模而成，在該模型中，來自同一個(gè)脈沖的多徑分量以簇的形式到達(dá)接收機(jī)，簇到達(dá)時(shí)間被建模成一個(gè)速率為A的泊松過程
   
    其中，Tl與Tl-1分別表示第l簇和第l-1簇的到達(dá)時(shí)間。在不考慮空間傳播延遲的情況下，可以假設(shè)第一簇的到達(dá)時(shí)間等于零。每一簇內(nèi)包含多個(gè)多徑分量，而且多徑分量的到達(dá)時(shí)間也被建模成一個(gè)到達(dá)速率為λ的泊松過程
   
    其中，τk,l與τ(k-1),l分別表示第l簇內(nèi)的第k與第k-1條徑的到達(dá)時(shí)間。用βk,lexp(jθk,l)表示第l簇內(nèi)的第k徑的復(fù)數(shù)衰減系數(shù)，則S—V信道模型的沖擊響應(yīng)可表示為
   
    其中，Tl，l=0，1，2，…為第l個(gè)到達(dá)簇的到達(dá)時(shí)間，τk,l，k=0，1，2，…為第l個(gè)簇中到第k個(gè)到達(dá)射線的到達(dá)時(shí)間，T0=0為第一個(gè)到達(dá)簇的到達(dá)時(shí)間，τ0l=0為第l個(gè)簇中第一條射線到達(dá)時(shí)間，δ(·)為狄拉克沖激函數(shù)，θk,l為在[0，2π)均勻分布的隨機(jī)變量，|βk,l|為相互獨(dú)立且服從瑞利分布的隨機(jī)變量，其平均功率服從雙指數(shù)分布
   
    算中，為第l簇內(nèi)的第k徑的平均功率；Γ為簇功率衰減因子；γ為多徑的功率衰減因子。雖然在該統(tǒng)計(jì)模型中多徑數(shù)目可以為無窮大，但是在實(shí)際測試中，當(dāng)l或k比較大時(shí)，βk,l近似為零。
2. 2 修正S-V信道模型
    S—V模型是一個(gè)適合仿真研究使用的完整的多徑模型，但存在幾個(gè)問題，首先，S—V信道能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)室內(nèi)LOS環(huán)境的傳播規(guī)律，但對于NLOS環(huán)境的性能明顯不足；其次，模型無法準(zhǔn)確預(yù)測特定環(huán)境的多徑傳播特性；最后，在實(shí)際應(yīng)用中存在模型輸入?yún)?shù)獲取困難的問題。為與超寬帶實(shí)測實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)更吻合，802．15．3a工作組對S—V模型進(jìn)行了一些修改，建議利用對數(shù)正態(tài)分布而不是瑞利分布來描述多徑增益幅度，第一簇內(nèi)部各路徑之間是獨(dú)立的衰減機(jī)制，用另一個(gè)對數(shù)正態(tài)分布隨機(jī)變量表示總多徑增益的波動，簇和簇內(nèi)路徑的到達(dá)時(shí)間分別是用獨(dú)立的泊松過程來描述，信道沖激響應(yīng)的相位分別是0或π，因此不存在虛部分量，信道誤差系數(shù)采用實(shí)變量來代替原來的復(fù)變量?？紤]到UWB信號脈沖經(jīng)過電介質(zhì)表面反射出現(xiàn)脈沖翻轉(zhuǎn)的概率是隨機(jī)的，假設(shè)θk,l等概率出現(xiàn)于±π，則修正后的信道模型沖激響應(yīng)可以表示為
   
    其中，X表示陰影效應(yīng)對應(yīng)的對數(shù)正態(tài)衰落隨機(jī)變量，它反映了信號總能量的衰落，其分布為20lg10(Xi)～N(0，)，L是觀測到的簇的數(shù)目；K(l)是第l簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目，αk,l是第l簇內(nèi)第k條徑的幅度增益，可以表示為αk,l=Pk,lξlβk,l，此處Pk,l等概率地取±1，表赤由反射引起的信號反轉(zhuǎn)，ξl反應(yīng)第l簇的衰減，βk,l對應(yīng)第l簇內(nèi)第k條徑的衰減，ξlβk,l也服從正態(tài)分布，即20lg10(ξkβk,l)～N(μk,l，)，此處的表示簇衰減系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，表示徑衰減系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，μk,l表示徑衰減系數(shù)的均值，可表示為
   
    其中，Ω0是第一簇第一徑的平均能量。

3 信道仿真及結(jié)果分析
    基于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的平均距離和是否存在視距分量，推薦4種不同的實(shí)測信道，CM1：視距(0～4 m)，CM2：非視距(0～4 m)，CM3：非視距(4～10 m)，CM4：非視距(4～10 m)，代表了極端的NLOS多徑信道環(huán)境。不同環(huán)境下的信道模型對應(yīng)的參考值，如表1所示。

    在Matlab環(huán)境下建立仿真平臺進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)定源參數(shù)為：數(shù)據(jù)長度(Data Length)為100 bit，脈沖持續(xù)時(shí)間(Impulse Duration)為0．5ns，抽樣間隔(SampleInterval)為0．05ns，周期(Period)為20 ns，信道為CM1-CM4，信道沖激響應(yīng)(CIR)間隔為0．5ns，信噪比(SNR)取為5 dB，信道估計(jì)采用的訓(xùn)練序列長度(Training Sequence Length)為10 bit，接收路徑數(shù)(RAKE Branch Number)為4，發(fā)射端發(fā)送BPSK信號，適于NLOS的CM3信道和CM4信道的信號平均每80 ns發(fā)送一次，通過仿真運(yùn)行程序可以得到不同信道環(huán)境下的信道沖激響應(yīng)，如圖1所示。

    對比CM1的LOS環(huán)境與CM4的NLOS環(huán)境下信號，可以看到LOS信道傳播環(huán)境中，多徑分量的數(shù)目較少、簇的數(shù)目明顯、信號比較好，而在NLOS環(huán)境下，由于傳播環(huán)境變差，多徑分量明顯增多，而且簇和簇的間隔不再明顯，隨著時(shí)間的增加多徑分量的幅度也在逐漸衰減。實(shí)際上室內(nèi)環(huán)境下的UWB信號傳播時(shí)，往往存在多重障礙物，參考S—V／802．15．3a標(biāo)準(zhǔn)的CM4信道可以代表NLOS的惡劣的多徑信道環(huán)境，故選取CM4信道進(jìn)行重點(diǎn)研究，發(fā)射端發(fā)送的UWB高斯窄帶脈沖信號在CM4環(huán)境下，設(shè)定信道響應(yīng)間隔為0．5 ns信噪比為5 dB時(shí)通過S—V信道后得到的信號如圖2所示。

    在CM-4環(huán)境下仿真得到的信道估計(jì)與實(shí)際信道估計(jì)對比結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)束語
    超寬帶脈沖信號在室內(nèi)傳播時(shí)的多徑現(xiàn)象很嚴(yán)重，文中對超寬帶信道模型在視距與非視距環(huán)境下存在的性能差異，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)仿真表明，通過信道仿真結(jié)果分析了超寬帶信道的傳輸特點(diǎn)，證明了修正S—V信道模型能夠完好地反映超寬帶通信系統(tǒng)信道的傳輸特征，與實(shí)際的信道響應(yīng)特性相吻合，是更為適合用于研究超寬帶通信系統(tǒng)的信道模型。