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1、母客阳忘廻処綜帜SB N 本蛊購如嫌目录一、UBW信道冲激响应原理41、UBW无线通信介绍42、UBW多径信道模型介绍53、UBW无线信道冲击响应原理5二、UBW信道冲激响应仿真实现6三、 实验结果与分析13四、 小结14一、UBW信道冲激响应原理1、UBW无线通信介绍超宽带无线通信是使用微弱的，持续时间极短的脉冲进行短距离通信。一 般脉冲持续时间为0.2ns到Ins，因此脉冲序列不必转换成较高的载波频率进行 传输，而是直接利用纳秒至皮秒级的窄脉冲形式传输。这种方式占用带宽非常之 宽，具有G量级带宽。信号占空比极低，每个信号间出现较长的无信号状态，让 每个频道脉冲反应能逐渐衰减至零，并将字符间
2、干扰降至可忽略的程度，所以它 有很好的多径免疫能力。一般认为，如果一个信号的带宽相对于载波中心频率或中心频率来说较宽， 即相对带宽很大，那么这个信号就是UWB信号。更一般的定义来自于雷达领域， 规定只要一个信号在10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，则这 个信号就是超宽带信号。传统上，UWB信号是通过很窄的脉冲来获得的，这项技 术目前已经在雷达系统中广泛应用，称其为脉冲无线电（IR ）。这种脉冲传输的 特点是，通过对非常窄的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信 系统无法比拟的技术特点：（1 ）
3、系统结构的实现比较简单（2 ）高速的数据传输 （3 ）功耗低（4 ）安全性高多径分辨能力强。超宽带技术在通信、雷达和无线定位等领域都将有广阔的应用前景。近年来, 人们对超宽带技术深入的研究使超宽带技术在系统理论、天线、功率放大器、脉 冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了重大进步。超宽带的未来研究重 点是利用超宽带技术可以提供高数据率传输的能力与定位功能；利用脉冲超宽带 信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能；超宽带信号具有很低的辐射功 率，类似白噪声频谱，难以检测，具有低干扰、低截获概率特性的应用领域。2、IEEE802.15.3a推荐的UBW信道模型介绍对室内信道模型的最初研究可追溯
4、到1959年，从那时起，已经提出了多个 用于室内窄带传输模型。针对超宽带信道的情况，也进行了多次室内传播测量实 验，提出了许多不同的信号模型，其中包括它们的信道测量时延环境、数据描述、 路径损耗模型、多径模型等。IEEE信道模型委员会最终决定采用基于簇方式的 模型，该模型首先由Turin等人提出。后来由Saleh和Valenzuela在对室内多 径传播进行统计建模这一开创性工作中进一步规范化，即S-V信道模型，但是其 在测量时使用的信号类似于低功率雷达脉冲，并不是专门为UWB设计的，为了与 在UWB测量实验中得到的数据更加的吻合，IEEE工作组对S-V信道模型进行了 一些修改，得到了 IEEE
5、802.15.3a的标准信道模型。1、S-V信道模型Saleh和Valenzuela提出了用于不同室内无线系统仿真和分析的室内无线 信道统计模型。这一模型被证实和测量结果一致，并可以通过调整参数扩展到其 它的建筑物。该模型主要用四个参数来描述不同的环境：簇到达速率、每簇中脉 冲到达的速率、簇衰落因子和脉冲衰落因子。S-V模型假定多径成簇到达，在一簇里，多径增益幅度是一个独立瑞利随机 变量，并有一个随着传播衰减和时延而指数衰减的变量。多径中一径的相位角是 一个在0, 2 n 之间均匀分布的独立随机变量。到达时间变量构成到达速率的泊 松过程，簇的表达式和建筑物结构有关，一簇内的多径是由发送和接收附
6、近物体 的多次反射组成。该模型仿真时比较简单，而且对被测信道模拟比较准确，已经 成功的应用在办公室环境中，但是在一些复杂室内环境中采集数据就不行了。2、IEEE802.15.3a的标准信道模型在最初的S-V模型中幅度统计是服从瑞利分布的。然而，在UWB信道的测试 中发现幅度的分布更符合对数正态分布。因此，IEEE802.15.3a工作组对其子委 员会在2002年11月提交的UWB信道模型稍作改进，规定了幅度是对数分布的， 并用另外个对数正态随机变量表示总的多径信道增益的波动。这个信道模型被假 定在观察期间是静止的。N K(n)h (t) = X 乙乙 a 8 (t - T -t )nknnkI
7、EEE模型的信道冲激响应可以表示为：n=0 k=1( 2.1 )其中，X代表对数正态分布的信道增益的变化；N代表观测到的簇的数目; K(n)代表第n簇中接收到的多径数目；a代表第n簇中第k条路径的系数；tnkn表示第n簇的到达时间，t是第n簇中第k条路径的时延。nk信道系数a可以定义为nka = p 0nknk nk(2.2)nk上式中，p为以等概率取+1和-1的离散随机变量，0是第n簇中第k条路径nk的服从对数正态分布的信道系数，0可以表示为nk(2.3)x可以进一nk0 = 10 评nknk其中，X是均值为卩、标准差为O的高斯随机变量，特别的,nknknk步分解为x 二卩 +g +匚nkn
8、knnk(2.4)其中g和匚 为两个高斯随机变量，分别表示每簇和每个分量的信道系数的变化,nnk我们分别用o 2和O 2表示g和匚的方差。另外，利用簇幅度和簇内每个多径分gQnnk量的幅度都服从指数衰减的特点，可以得到卩的值：nk110u +g +Cnk - n - nk20卩00|2n unk10 1n(l卩00|2、) 10 匕10 Lk/ r y(o 2 + o 2)ln 10g JIn 1020(2.5)对每个实现，卩项包含的总能量必须归一化为单位能量，即nk乙乙0 |2=1nkn=1 k=1(2.6)根据S-V模型，到达时间变量T和t分别为到达速率为A和入的泊松过程。nnk幅度增益X
9、为对数正态随机变量：X 二 10 20(2.7)其中g是均值g、方差为o 2的高斯随机变量。g值取决于平均多径增益G,它 0g0是在观测位置测量得到的，即有；10 ln G o 2 In 10g = g / 、 0 ln 1020( 2.8 )对于给定的平均衰减指数Y，G可以功过下式确定(2.9)G = -0-d y其中g是距离D=1m时的参考功率增益，Y是能量或功率衰减指数。0根据上面的定义，当下面的参数明确后，冲激响应式表示的信道模型就可以完全 表征出来：回簇平均到达速率A ；回脉冲平均到达速率入；回簇的功率衰减因子r ;回簇内脉冲的功率衰减因子Y；回簇的信道系数标准偏差O；g回簇内脉冲的
10、信道系数标准偏差O ；回信道幅度增益的标准偏差。gIEEE给出了上述参数的一组参考值，这些值符合提交给IEEE的一些测量结果。 IEEE给出了不同环境下的参考值如下表1IEEE UWB信道模型的参数设置属性万案A (1/ns)九(1/ns)rYg匚GgCase1:LOS (04m)0.02332.57.14.33.39413.39413Case2:NLOS( 04m)0.40.55.56.73.39413.39413Case3:NLOS( 410m)0.06672.1147.93.39413.39413Case4：极限 LOS( 04m)0.06672.124123.39413.394133、
11、UBW无线冲激响应室内信道传播的主要特点是：由于发射机和接收机之间存在多条传播路径, 发射信号传播之后会产生多个经过时延和衰减的信号。接收信号可以表示为：N( t)r(t) = Z a (t)p(t -t (t)n(t)(2.10)nnn =1其中，a (t)和t (t)分别是第n条路径时刻t的信道增益和信道时延，N (t)是时nn刻t观测到的路径数，n(t)是接收机处的加性噪声。式(2.9 )说明，信道可以 由N (t)、a (t)和t (t)完全表征。从上式中可以得到信道的冲激响应，可以写成:nn其中 h(t)=工 a 8 (t -t ) + n(t)， 5 (t)疋 Dirac 数。nn
12、在式(n2.9 )中，考虑了发射机和接收机的移动等因素引起的传播环境的变 化，信道冲激响应是时变的。而通常情况下，我们认为信道的变化速率与脉冲速 率相比很慢。我们假定在观测时间T(T大于脉冲平均重复周期)内信道是稳定 的。在这样的假设下，式(2.9 )可以表示为：(2.12)r(t)=乙 a p(t -t ) + n(t)nnn =1信道冲激响应可写为：(2.13)h(t)=工 a 5 (t -t )nnn = 1上式即为著名的Truin模型。这种信道假定表征信道的所有参数都是服从特 定分布的随机变量。所以我们需要知道关于信道增益a、脉冲到达时间t以及nn路径数N的统计信息，他们可以在接收端得
13、到。但是，在应用于冲激无线电时，式(2.12 )表示的模型因为没有考虑脉冲在 反射或穿透障碍物时其形状的变化，从而致使这个模型存在较大缺陷。脉冲的形 状应与传播路径有关，不同的传播路径有不同的冲激响应。因此，接收信号应表 示为：(2.14)r(t)=乙 a p (t -t ) + n(t)n nnn =1这里，一个特定的脉冲波形p(t)与路径n对应。二、UBW信道冲激响仿真实现UBW信道冲激仿真实现由五部分组成，步骤零，包括表征信道冲激响应的基本参 数，用户可以选择观察时间0T (以秒为单位)、等效的离散时间冲激响应的时间 分辨率ts，以及表征模型的统计参数的值，即簇到达速率LAMBDA、脉冲
14、到达速 率lambda、簇衰减因子GAMMA、脉冲衰减因子gamma、簇衰落的标准差sigma1、簇内多径分量幅度变化的标准差sigma2、对数-正态多经增益标准差sigmax。另 外用户也可以选择参数rdt和PT控制多径分量的个数，最后是G,当需要图形 输出时设定为1。步骤一和步骤二完成对多径分量的编码。特别地，步骤一主要产生观测时间内每 个簇到达时间。步骤二在步骤一确定的簇的基础上产生多径分量。步骤三推导出等效的离散时间冲激响应。可以通过将所有落入同时间仓ts内的 多径分量相加得到的。最后将信道连续时间冲击响应的和离散时间冲激响应都进 行能量的归一化，再利用均值式所确定的对数-正态随机变量X对ho和hf进行 尺度变化，从而实现对数-正态阴影。步骤四是对连续时间和离散时间冲激响应画图。Matlab代码如下三、实验结果分析以表一为依据改变程序中表征信道冲激响应的参数，得到四种 IEEE802.15.3aUWB信道，分别得到这四种UWB信道的冲激响应，加以分析（1）收发机之间距离04m，传播路径中无阻碍物（LOS ）仿真结果：Figure 3File Edit ViewInsert Tools DesktopWindow HelpD 3 O豈璽Q鹑迪1 s QXi。* Channel Impuls
