超宽带通信室内非视距环境信道模型仿真分析

祁秀珍，张 静，杨牛扣，闫俊鹏，杨 宁，林 晓，杨 琼

(中国人民解放军 63628部队，北京 101601)



超宽带通信室内非视距环境信道模型仿真分析

祁秀珍，张 静，杨牛扣，闫俊鹏，杨 宁，林 晓，杨 琼

(中国人民解放军 63628部队，北京 101601)

通过对超宽带信号传播特性和信道特点研究，建立了非视距环境下相对精确信道模型。分析了超宽带信号室内传播规律，在仿真分析NLOS信道模型的基础上，发现其不能较好地体现出信道典型特点，因此对NLOS信道模型进行修正。仿真结果表明，修正后NLOS信道模型能更好地拟合实测数据，并能更好地体现信道特点和多径分量成簇到达特性。

繁殖性能；信道测量；信道模型

近年来，超宽带(UWB)通信技术以低功耗、高速率、结构简单、共享频谱以及抗干扰强等特性，成为通信领域关注的热点，是未来室内短距离短信的最佳方案[1-5]。

在通信经历窄带、宽带以后到超宽带，系统传输速率越来越高，通信系统也出现了一些新的特点，如用冲击脉冲形式传输信号，而无需传统的载波传输。UWB信道也出现了一些新的特点，如信号传输基于成簇方式的多径到达，频域上可达到GHz的范围，频率选择性衰落更加严重。为使UWB通信技术早日形成标准，需要根据其具体应用环境建立准确信道模型，因而研究UWB信道特性，对于UWB通信技术至关重要。

1 UWB脉冲室内环境传播特性

UWB通信技术主要应用于室内环境，例如家庭多媒体系统，其特点是传输距离短，约4 m以内，结构分为视距和非视距两种情况。一般室内均为非视距结构，有沙发、桌椅、墙壁、门窗等室内物品的存在，对电磁波的传播会产生阻碍作用，通常会发生直射、反射、散射、透射、衍射等。UWB室内传播的主要特点[6-7]是：发射机接收机之间存在经过反射、衍射和透射等方式的多条传播路径，发射信号传播后会会经历不同的时延和衰减，接收信号是许多多径能量的叠加。目前普遍认可的是多径成簇到达[8]方式，即多径信号是以簇的形式传播，到达时间服从泊松分布，平均功率呈指数衰减。

2 UWB室内信道模型仿真分析

若考虑信道中传播信号的所有多径，信道模型难以用简单模型表达，考虑到时变性、空间相关性等情况会变得复杂。2003年7月，IEEE802.15.3a信道模型研究小组结合了多种实验测量和理论研究的信道模型，考虑到实际应用环境和距离，发布了UWB室内4种实测信道模型的最终报告，即：CM1，LOS(0～4 m)；CM2，NLOS(0～4 m)；CM3，NLOS(4～10 m)；CM4，NLOS(4～10 m，极端NLOS环境)，用这一模型评估各物理层的性能。

UWB通信应用于室内环境典型特点是短距离和非视距结构。图1和图2是在NLOS(3 m)信道下冲击响应和功率延迟分布(PDP)仿真图。从图中可看出，离散时间多径冲击响应是由多个族依次到来并有相互叠加成分，从图2的功率延迟分布PDP中表现的非常明显，簇的功率呈指数衰减，强径周围有诸多弱径，可能是传播机理不同而导致的，如反射的衰减比透射小。仿真较好地体现了多径成簇到达特性，但未能体现出NLOS情况下即信号传播遇到障碍物的典型结果，即最强多径不是出现在第一条路径上，而是出现在第一条路径后的多径，因为最强多径应该是通过反射或衍射等衰减小的方式到达接收机，其路径比透射方式的长所以经历时间长，显而易见第一个多径是通过障碍物透射到达接收机的，一般穿透障碍物的衰减大于反射或衍射的衰减。

图1 室内NLOS(3 m)信道离散冲击响应

图2 室内NLOS(3 m)信道功率延迟分布

3 室内NLOS信道模型简单修正

理论分析表明，NLOS环境下典型特点透射信号衰减大于反射或衍射的信号衰减，文献[9～12]的相关测量实验验证了这一特点。文献[10]在一个钢架砖墙建筑物内实际测量了室内信道。图3是在NLOS(非视距)环境下接收到的多径分量。

图3 室内NLOS信道实测冲击响应

室内短距离NLOS信道模型与实际测量模型不能很好地拟合，也与理论研究并不相符。多径成簇到达要求，簇和径要呈双指数衰减，最先到达的透射信号衰减大不是最强径，后续到达的反射或衍射信号衰减相对小才是最强多径。根据文献[9～12]，对室内短距离NLOS信道模型进行修正。

图4是修正后NLOS信道模型信道冲击响应，图5是修正后NLOS信道模型PDP。图1和图4与实测图3相比，修正后NLOS信道冲击响应更接近实际测量结果，更能反映非视距信道特点。如图5所示，多径信号明显分为多径成簇到达，簇与簇内多径呈现双指数衰减，簇与簇之间区分的并不明显，前面先到达的多径是透射方式传播衰减相对大而不是最强的径，后面到达是反射等方式传播衰减相对小的才是最强多径，文献[9～10,12]分别在信道测量实验中，对这方面进行了详细的描述。在室内NLOS环境下，图5比图2更符合实际信道测量和信号传播方式的理论分析。

图4 修正后室内NLOS(3m)信道离散冲击响应

图5 室内修正后NLOS(3 m)信道功率延迟分布

4 结束语

UWB通信作为短距离高速率的主要备选方案，适用于家庭多媒体系统，如电脑、电视、音响、手机、WiFi之间的通信。通过室内典型环境信道特点及信号传播理论分析，对室内短距离NLOS信道模型进行简单修正。仿真结果表明，修正后模型对UWB通信在室内环境下建立准确信道模型具有较大的参考价值，也为UWB通信方案中接收机的设计提供了理论参考。

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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

杨牛扣(1984-)，男，硕士，工程师。研究方向：超宽带通信。

TN911.5

A

1007-7820(2016)12-062-03