超宽带室内LOS环境信道模型研究

杨牛扣，周 杰

（南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京210044）

0 引言

近年来，超宽带无线技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强、低损耗以及设备简单等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。UWB信道不同于一般的无线衰落信道。它的可分离的不同多径到达时间之差可短至ns级;从频域上看，它的脉冲横跨了几GHz的频域范围，所经历的频率选择性衰落要比一般的窄带信号严重的多;从时域上看，会导致接收波形的严重失真，而且时延扩展极大。因此，建立一个可以表征信道传播特性的精确信道模型是进行UWB无线通信系统设计和系统性能评估的先决条件。

自FCC 2002年批准了超宽带技术可以用于民用领域，世界许多著名的大公司、研究机构、标准化组织都积极投入到超宽带技术的研究、开发和标准化工作之中。为评估超宽带通信方案的性能和开展各种标准化工作，需要根据其具体的应用环境建立精确的信道模型。然而，无线信道环境非常复杂，以及超宽带技术特殊性，如脉冲持续时间纳秒级等，建立精确的信道模型非常困难。

1 超宽带室内多径信道模型

UWB通信系统的信道测量和建模[7，8]是最近几年的研究热点。UWB室内多径信道模型主要描述UWB信号经短距离传输后经多个路径以微小的时间间隔到达接收天线的传播特性，由于其能清晰地描述接收信号能量在短时间内的快速变化，则对传输技术的选择和接收机的设计至关重要。目前普遍认可的UWB室内传输特性描述的较好的是基于分族方式的S-V模型。该模型首先由Turin于1972年提出，后来Saleh和Valenzuela在对宽带信号的研究中提出了进一步的信道模型，得到了普遍认可，即S-V模型。描述如下:多径信号不是按着固定的速率均匀到达接收机，而是以族的形式到达。族和族内多径的到达时间服从泊松随机过程分布。先后到达的多径信号增益统计独立，多径信号的平均功率随族和族内多径呈双指数衰减，其幅度呈瑞利分布。相位在[0，2]内均匀分布。但是，在与实测数据的拟合中发现，S-V模型可以很好的拟合NLOS环境下实测数据，但不能很好的拟合LOS环境下实测数据。

相对于传统的无线信道模型，UWB的信道产生新的特征。在每个可分辨的延迟时间内，只有极少的多径成分重叠，因此中心极限定理不再适用，幅度衰落统计不再表现为Rayleigh衰落特征。因此IEEE802.15.3工作组建议的信道模型利用Lognormal分布而不是Rayleigh分布来描述多径增益幅度，相位是等概率的取0或。

IEEE802.15.3a信道模型的离散时间信道冲击响应:

信道模型的仿真输入参数:

Λ:簇到达率;

λ:径到达率;

Γ:簇衰减因子;

γ:径衰减因子;

σ1:簇对数正态衰减项的标准差;

σ2:径对数正态衰减项的标准差;

σ:总的多径实现的对数阴影衰减项的标准差。

基于发射机和接收机的平均距离和是否LOS环境，IEEE802.15.3a给出了4种不同的实测信道:

CM-1:LOS（0-4m）;CM-2:NLOS（0-4m）;

CM-3:NLOS（4-10m）;CM-4:NLOS（4-10m），代表了极端的NLOS多径信道环境。

图1和图2分别是在Matlab6.5仿真CM-1信道环境（3m）的离散时间冲击响应和功率延迟分布。

图1 CM-1信道环境（3m）的离散时间冲击响应

图2 CM-1信道环境（3m）的功率延迟分布

S-V模型和IEEE802.15.3a模型是一个适合仿真研究使用的完整的多径模型，但在实际应用中存在如下不足:首先，其能够精确的反应室内NLOS环境的传播规律，但室内LOS环境的性能不足;其次，模型输入参数获取困难的问题;再次，利用该模型生成的信道冲击响应中可能存在与实测数据不符的过多的随机到达的族。

2 超宽带室内LOS信道模型研究

许多文献指出，超宽带室内传播是按簇形式到达，簇的到达时间是服从泊松分布，簇内多径的到达时间也是服从泊松分布，簇的个数M=2;3;4是等概率的。后续大量室内信道测量数据表明[3-5]，在室内LOS环境下，一般只有2个族，即使有第3个族，它的功率增益也是特别的小，对整个信号能量没有太大的影响，因此，在室内LOS环境下，把簇的个数定为2个，能更好地符合信号传播规律。

超宽带室内LOS传播具有下述特点[6]:确定性，即直射多径信号一定最先到达接收天线;规律性，即较早到达接收天线的多径信号在信道中经历了较少的能量损耗。通过对南加州大学的实验数据的分析认为:①第1簇的首径增益可以用自由空间的路径损耗近似得到;②第2簇的首径可由室内各墙体的一次反射信号确定。由此提出一种具有2个确定的簇、每个簇内具有随机到达的多径射线的超宽带室内LOS环境信道模型。即第1个簇是由收发信机的相对位置确定，第2簇为经室内6个主要反射面（天板、地板、四壁）一次反射较早到达接收机的多径射线。每个簇内的后续多径射线的到达时间为具有固定到达率的泊松过程，其多径增益服从对数正态分布。相位分布是等概率的取0或。

新两族模型的离散时间信道冲击响应:

图3和图4分别是在Matlab6.5仿真新两族模型室内LOS环境（3m）的离散时间冲击响应和功率延迟分布。

图3 新两族信道模型离散时间冲击响应

图4 新两族信道模型功率延迟分布

3 新模型与IEEE802.15.3a模型性能比较

图1和图3是在同一室内LOS环境下仿真的IEEE802.15.3a模型和新两族模型的离散时间冲击响应。可以发现，图1比图3的信号衰减缓慢。通过上面分析室内LOS环境信号传播规律表明，信号衰减应该很快，所以新两族模型比IEEE802.15.3a模型更能反映室内LOS环境信号传播规律。图2和图4是这2个模型的PDP，可以看出0～5ns是功率较大的第1族，5～15ns是功率次大的第2族，15ns以后的就是信道持续时间功率非常小的多径分量，2个模型的PDP基本一致。新模型与IEEE模型的模型输出参数与实测数据比较如表1所示。

表1 模型与实测数据比较

平均附加时延τm是信道冲击响应功率延迟分布的一阶矩，它描述了多径信号的离散程度。RMS时延扩展τrms是信道冲击响应功率延迟分布的二阶矩，它描述了附加时延的标准差。这2个参数是多径测量的重要参数，对于UWB系统设计中数据传输速率和接收机设计具有重大意义。可以发现，新两族模型与IEEE802.15.3a信道模型相比，τm减少0.7ns，τrms减少0.2ns，更加接近实测数据。

4 结束语

主要分析了室内LOS环境下信号传播规律，多径分量成簇到达。仿真分析了IEEE802.15.3a信道模型，此模型中簇的出现个数M=2，3，4是等概率出现的，存在模型代表的类型不完整，即在NLOS环境下，能很好的拟合实测数据，但在室内LOS环境下却不能很好地拟合。在室内LOS环境下，提出把簇的个数定义为2个，建立了新两族模型。通过模型仿真，并与IEEE802.15.3a信道模型进行比较，结合南加州大学的室内实测数据进行拟合，发现新模型在不改变其他信道参数的情况下，能减少平均附加时延τm（0.7ns）和RMS时延扩展τrms（0.2ns），更加接近实测数据，同时对UWB系统设计时提高数据速率，物理层方案和接收机设计具有重大参考价值。

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