基于UWB的室内信道模型本科毕业论文

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1、摘 要 毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内

2、容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 38摘 要 摘 要超宽带（UWB：Ultra-Wideband）脉冲无线传输技术是国际上最近二、三十年正在蓬勃兴起的一种无线通信的革命性传输技术。UWB技术具有传输速率高、系统容量大、抗多径干扰能力强、功耗和成本低等优点，已逐渐成为无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。为保证UWB信号在室内复杂环境传输的有效性和可靠性，必须要求我们准确掌握其信道特性，本文正是在此认识上完成UWB室内信道模型的研究和MATLAB仿真分析。本主要对UWB室内信道模型进行了探讨和仿真研究。文中首先

3、简要介绍了超宽带的基本概念及特点，并对UWB信道的基本理论做了简要的介绍。在信道基本理论的介绍中重点介绍了时域测量技术及建模过程中的后期数据处理方法CLEAN算法，以便于信道建模的仿真分析。针对UWB室内信道的特点，分析了现有的各种UWB室内信道模型，并且对IEEE 802.15.3a标准模型进行了MATLAB仿真分析，并且与南加州大学UWB实验室实际信道测量得出的信道指标进行了比较，仿真结果表明S-V模型和IEEE 802.15.3a标准模型能够较好的拟合室内NLOS信道环境，但对室内LOS信道环境的性能尚显不足。而室内LOS半确定模型（双簇模型）在LOS环境下能够很好的拟合实验数据。最后对

4、本文所做的工作和结论进行了汇总，指出不足之处及改进方向。关键词 超宽带 UWB 信道模型 S-V模型 MATLAB ABSTRACT ABSTRACTThe Ultra Wideband technology is one kind of revolutionary wireless communication technology emerged in recently 20 or 30 years in the world. For the advantage of high transmission speed, limit power wastage and low cost, UWB

5、 technology has became a hotspot gradually in wireless communication research and was considered a key technology of next wireless communication generation. In order to insure the validity and the reliability of the signals transmitted in the complex indoor environment, the accurate characteristic o

6、f UWB indoor channel should be mastered. This article is inthis understandingto complete theUWBindoor channelmodeland the MATLABsimulation.Theprincipalof theUWBindoor channelmodel isdiscussed andsimulation.The paperfirst briefly introducesthe basic conceptsof UWBand characteristics, and gives a brie

7、fintroductionfor the basic theory ofUWBchannel.The basic theory ofthe channelfocuses onthe introductionoftime-domainmeasurementand modelingin the process ofpost data processing method-CLEANalgorithm formodeling and simulation analysisin thechannel.For theUWBindoor channelcharacteristicsof various ex

8、istingUWBindoor channelmodel andthe modelfortheIEEE 802.15.3a standardMATLABsimulation analysis, andthe Universityof Southern California Laboratory ofthe actualUWBchannel measurementindicatorsderived fromthe channelcomparison,simulation resultsshow that theS-Vmodel and theIEEE 802.15.3a standard mod

9、el can fit the indoor NLOSchannel environment,buton the indoorLOSchannel environmentof insufficient performance.LOS halfto determinethe indoor model (two-cluster model) in theLOS environment, a goodfittoexperimentaldata.Finally, the paperwork andthis articlesummarizesconclusions, pointing out defici

10、encies andimprovement.Key words Ultra Wideband UWB Channel model S-Vmodel MATLAB 目 录 目 录 目 录I第一章 绪论11.1 超宽带（UWB）无线通信技术概述11.2 UWB技术的优点与主要应用21.3 UWB信道与传统信道的比较31.4 UWB信道模型的国内外研究现状41.5 本章小结5第二章 信道的基本理论62.1 UWB信号的传播特性62.2 信道测量技术72.3 后期数据处理方法Clean算法92.4 Clean算法门限选择122.5 本章小结13第三章 超宽带室内信道模型143.1 简单的泊松模型143

11、.2 修正的泊松模型143.3 模型153.4 修正的模型173.5 本章小结18第四章 超宽带室内多径传播参考模型194.1 UWB多径传播模型194.2 S-V模型194.3 修正的S-V模型224.4 本章小结31第五章 超宽带室内视距环境多径传播模型325.1 超宽带室内视距环境多径传播模型325.2 室内LOS 半确定多径模型335.3 本章小结35第六章 总结与展望376.1 结论376.2 展望37参 考 文 献38 第1章 绪论 第一章 绪论近年来，随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱资源日趋饱和。然而，人们对无线通信系统的要求仍在不断提高，希望其提

12、供的数据传输速率更高、成本更低、功耗更小。在这样的背景下，超宽带（UWB，Ultra Wideband）技术引起了人们的重视，已逐渐成为无线通信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。由于UWB技术的种种优点，UWB技术通信系统获得了业界、媒体与学术界的极大重视，使其成为无线个人局域网络WPAN（Wireless Personal Area Network）的主要技术之一。1.1 超宽带（UWB）无线通信技术概述超宽带（UWB， Ultra Wideband）技术最早可以追溯到100年前波波夫和马克尼发明的越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带无线电，又称为冲激无线电（

13、Impulse Radio， IR）技术，出现于20世纪60年代。超宽带技术出现之后的应用长期仅限于军事、灾害救援搜索、雷达定位及测距等领域。由于超宽带系统能够与其他窄带系统共享频带，从80年代开始，随着频带资源的紧张以及对于高速通信的需求，超宽带技术开始应用于无线通信领域。超宽带技术在历史上还有一些其他的名称，如冲击雷达（Impulse Radar）、基带脉冲、无载波技术等，这是因为在早期超宽带信号通常是不用正弦载波调制的窄脉冲，上述名称反映了当时超宽带信号的这个典型特点。2002年，美国联邦通信委员会（FCC）发布了超宽带无线通信的初步规范，正式解除了超宽带技术在民用领域的限制。这是超宽带

14、技术真正走向商业化的一个里程碑，也极大地激发了相关学术研究和产业化进程。FCC对于超宽带信号的定义为任何相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于20%或绝对带宽大于500MHz，并满足FCC功率谱密度限制要求的信号。这里中心频率和相对带宽表达式如下： （1.1） （1.2）式中，为能量功率谱密度的上限频率，GHz； 为能量功率谱密度的下限频率，GHz。这些特性让UWB系统明显不同于传统的窄带和宽带无线电系统以往的无线电系统的相对带宽不会超过1%或带宽小于20MHz，例如2.4GHz的IEEE 802.11无线局域网络等。 1.2 UWB技术的优点与主要应用UWB信号由于带宽很宽和信号的持续时间为

15、ns量级等特点，所以和其他通信技术相比较，UWB技术有很多的优点。具体如下： 潜在的支持高数据速率或系统容量的能力 定位精度高，探测能力强 共享频谱资源 穿透能力强 低截获、抗干扰、保密性好 低成本、低功耗表1-1列出UWB技术与其它无线局域网技术的比较。从图中可以看出，现有的无线技术802.11b和蓝牙大部分可以实现UWB的功能，只是在速度上还远远未达到UWB的传输速度。 表1-1 UWB技术与其他通信技术的比较传输速率（Mbit/s）功耗（mW）传输距离（m）频段（GHz）蓝牙11-1001002.402-2.48IEEE.802.11b112001002.4IEEE.802.11a544

16、0-800205IEEE.802.11g5465502.4UWB4801103.1-10.6UWB技术的主要应用如下： （1）短距离（10m以内）高速无线多媒体智能局域网和个域网。UWB过去的应用主要是在军事领域，近些年来，随着技术的开放，UWB应用遍及个人电脑，消费电子产品以及移动通信领域，可以将家庭，办公室，或者汽车中的电子设备连接起来，使得设备之间的互通更便捷。在家办公室中，各种计算机、外设和数字多媒体设备根据需要，利用UWB技术，在小范围内动态地组成分布式自组织（Ad Hoc）网络，协同工作，连接，传送高速多媒体数据，并可通过宽带网关，接入高速互联网或其带网络。这一领域将融合计算机、通

17、信和消费娱乐业，被视为具有超过电话的最大市场发展潜力。如下图1-1所示的无线连接的桌面设备。图1-1 无线连接的桌面设备（2）智能交通系统。UWB系统同时具有无线通信和定位的功能，可以应用于智能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、智能网络、测速、监视等提供高性能、低成本的解决方案。（3）军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域。用做安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、穿墙成像、和入侵检测、医用成像、贮藏罐内容探测等。（4）传感器网络和智能环境。这种环境包括生活环境、生产环境、办公环境等，主要用于对各种对象（人和物）进行检测、识别、控制和通信。1.

18、3 UWB信道与传统信道的比较传统的窄带和宽带带宽小于20MHz，它的小尺度衰落分布服从Rayleigh分布或Rician分布。在UWB系统中，UWB信号的传播具有独特的特征：传输的信号的带宽至少要大于500MHz，系统具有很高的多径分辨率，多径的数目则相对减少。下表1-2中列出了典型的超宽带信道与传统窄带信道参数的比较结果。根据文献报道的若干信道测量结果，表1-2列出了UWB信道的主要特征参数并与传统窄带信道进行了比较。由表1-2可见，UWB信道的均方根时延扩展远小于窄带信道；由于UWB信号多径分辨率极高，多径信号衰落分布不再服从Rayleigh分布，而演化为Nakagami、对数正态等分布

19、；信号衰落范围只有5dB左右，远小于窄带信道；阴影衰落比窄带信道明显改善。这充分反映了UWB信号的抗衰落特征。表1-2 典型UWB信道与传统窄带信道参数比较信道参数传播环境UWB信道窄带信道均方根时延扩展（ns）LOS4-1210-100均方根时延扩展（ns）NLOS8-19200衰落分布LOSNakagami、对数正态等分布Rice衰落分布NLOSNakagami、对数正态等分布Rayleigh路径损耗指数（dB）LOS1.5-21-3路径损耗指数（dB）NLOS2.4-42.1-6阴影衰落标准差（dB）LOS1.1-2.16-12阴影衰落标准差（dB）NLOS2-5.96-12衰落范围（d

20、B）5251.4 UWB信道模型的国内外研究现状从20世纪90年代中期开始，美国南加州大学的M.Z.Win、R.A.Scholtz等人率先开始研究UWB脉冲在典型室内环境中的传播特征。2001年，D.Cassioli、M.Z.Win等人首先提出了一种基于时域窄脉冲测量方法得到的统计抽头延时线模型（STDL），其时间分辨率为2ns，反映典型室内环境1GHz频段的信道传播特征，多径衰落服从纳卡伽米（Nakagami）分布。UWB技术向民用领域的开放极大地促进了UWB信道测量和建模工作的开展，测量频率范围延伸至11GHz甚至更高，测试环境涵盖了家庭、办公室、实验室、工厂等。根据测试结果，先后提出了频

21、域自回归(AR)模型、模型和修正的Saleh-Valenzuela （S-V）模型等一系列反映UWB特征的多径信道模型。Intel公司的Jeff Foerster等人根据28GHz频段测试数据提出的修正S-V模型是最具代表性的UWB信道模型，其时间分辨率为0.167ns，多径衰落分布服从对数正态（Log-Normal）分布。该模型被IEEE确定为IEEE 802.15.3a的标准信道。但同时IEEE也提出了S-V模型是一个参考模型，它还不能代表所有的信道环境，因此还需要对UWB信道模型进行进一步的研究。为改进现有超宽带信道模型中存在的上述问题，在美国南加州大学室内时域实测信道数据的基础上，通过

22、理论统计分析，对现有的S-V/IEEE 802.15.3a模型进行了修正，提出了相应的LOS和NLOS环境多径传播模型。我国UWB无线技术的研发尚处在起步阶段，在信道测量及模型建立方面更是空白。国家自然科学基金和“863”计划己开始支持这方面的研究和开发工作，并已取得了初步进展。我国应该提出有自主知识产权的UWB技术的理论和技术成果，以此为支撑制定自主的相关标准和规范，推动我国UWB产业化的发展，以便在激烈的国际市场竞争中取得应有的地位。1.5 本章小结本章主要对超宽带技术的基本概念进行了介绍，并对超宽带技术的优点和应用做了阐述，比较了超宽带技术和蓝牙技术以及IEEE 802.11系列在传输速

23、率等方面的性能，更体现出了超宽带技术的显著优点和广泛的应用领域。其次，对UWB信道与传统窄带信道在相关信道参数方面进行了比较，充分反映了超宽带信号的抗衰落特性。最后介绍了UWB信道模型的国内外研究现状。 第2章 UWB信道的基本理论 第二章 信道的基本理论由于超宽带信号的射频带宽达到GHz量级，其信号传播特性也与窄带或宽带连续波信号（简称传统连续波信号）有明显不同，表现为： 第一，信道的时间分辨率达到纳秒量级，换算到空间域，相当于信道可以分辨波程差为几厘米的多径分量。这使得多径信号在时间轴上呈现所谓色散现象，而不会产生所谓的瑞利多径衰落现象。 第二，超宽带无线通信系统在时域极为的短暂的时间（通

24、常是纳秒级）内将信号能量辐射出去，这使得超宽带信号表现为具有较强的穿透障碍物传播能力。 由于超宽带信号传播所具有的上述两个特殊性质，使得对超宽带信道的测量、数据处理分析以及信道建模均与传统方法有所不同。2.1 UWB信号的传播特性2.1.1 超宽带信号传播的弱衰落性在传统基于连续波的窄带或宽带系统（信号带宽通常小于20MHz）中，由于传输中信道的随机调制特性，使接受多径信号在幅度和相位上发生随机的变化，接受端信号进行相干叠加，这种叠加可以是建设性或破坏性的，从而导致信号的幅度产生剧烈的波动，也就是所谓的多径衰落。在基于脉冲的超宽带系统中，由于信号带宽通常大于500MHz，时域脉冲信号宽度在纳秒

25、级，所以通常基于脉冲的超宽带系统的接受多径信号是在时间轴上的分离排列的，即呈现所谓的色散现象。在室外传输环境中，多径信号基本不会叠加；在室内传输环境中，会有少量多径信号叠加或完全不叠加。这就决定了基于脉冲的超宽带系统接收信号幅度不会由于大量具有随机幅度和相位的多径信号叠加而产生剧烈的波动，即不会产生所谓的瑞利多径衰落现象。2.1.2 超宽带信号的强透射性在现有常用频段（如微波频段），传统连续波信号受障碍物遮挡，信号衰减明显，相应的透射信号由于强度较弱，常被忽略。然而，超宽带无线通信系统在时域极为短暂的时间（通常是纳秒量级）内将信号辐射出去，使得超宽带信号表现为具有较强的穿透障碍物传播能力。由于

26、超宽带信号所具有的较强的穿透障碍物传播能力，使得其成为更加适合作为室内环境下，穿透多墙壁和多障碍物，在封闭多隔断的有限空间下实现高速无线通信的信号形式。2.2 信道测量技术2.2.1 概述获得信道冲激响应是研究信道传播特性的核心问题，这主要是由于：（1）信道冲激响应包含所有信道信息，输入信号与信道冲激响应的卷积就是经过信道传输后的接收信号；（2）由信道冲激响应计算得出的各种统计量，如平均附加时延、RMS（Root Mean Square）时延扩展、平均多径数目、功率延迟分布等，不但能够更好地了解在各种不同信道下信号的传播特性，还可以用于优化接收机的设计；（3）在对实测信道冲激响应数据进行分类、

27、分析和建模的基础上建立的数学解析模型（即信道模型）可以对实际信道进行模拟，通过计算机仿真或解析分析计算，可以准确地预测信号经过信道后的特性，继而可以准确分析接收机在相应信道下的性能，提高接收机的设计效率。获得信道冲激响应最直接和准确的途径就是对实际信道进行测量，因此可以说信道测量是研究信道传输特性的基础和着眼点。当前主要的信道测量方法共有三种：（1）时域法。测量系统发射端发射窄脉冲（纳秒或亚纳秒级），在接收端由抽样示波器在时域对接收信号进行采样，通过一定的后期处理就可以得到信道冲激响应。（2）频域法。测量系统通过发射点扫频信号得到某一频段上的信道的频率响应，经傅里叶反变换可得到信道冲激响应。（

28、3）扩频法。测量系统利用PN序列调制发射载波，接手机采用一个宽带混频器和一个窄带接收机通过对PN序列的滑动相关检测信号。室内传输环境（如办公室、住宅），多径信号的时延通常小于几十纳秒，扩频法限制了测量系统的带宽，在室内环境下很难分辨具有较小时延的多径信号，所以当前对室内超宽带信道基本都采用时域法或频域法。2.2.2 时域测量技术（1）时域测量采用的设备脉冲发生器、数字抽样示波器、触发信号发生器、超宽带天线（通常为TEM定向天线或双锥全向天线）、宽带功放和宽带低噪放等。（2）信道时域测量过程发射端由脉冲发生器发射窄脉冲（纳秒或亚纳秒级），脉冲信号经功率发大器、发射天线后进入信道，接收信号经接收天

29、线、低噪放后直接送数字抽样示波器，并转存到计算机中。脉冲发生器和数字抽样示波器均由触发信号发生器发出的信号触发。后期处理中使用的Matlab软件利用Clean算法对接收信号进行去卷积，再通过对数据格式的处理就可以得到信道冲击响应。时域测量系统及后期数据处理的具体过程如图2-1所示。图2-1 时域测量系统及后期数据处理过程（3）测量过程室内超宽带信道测量宜采用入下的测量过程： 固定发射天线，移动接收天线。把接收天线固定在环境中预制的待测量位置，把接收天线放置在一个可以自由移动的支架上，这样可以方便地改变接收天线的位置。 路径损耗特性测量。应以发射天线为圆心，以距离间隔为1m作同心圆，将接收天线放

30、置在同心圆周的不同位置，如图1-2所示，通过对不同同心圆上实测数据的分析可以给出室内信道路径损耗特性，测量距离一般选择在115m的范围内。 多径传播特性的测量。每次选择的同心圆上接收天线位置称为本地点，在一个本地点周围的一个小区域内再选择若干测量点，这就构成一个测量点矩阵。测量点矩阵的主要作用是为后期数据处理提供计算平均值（空域平均）所需的多次测量数据。测量点矩阵可按图2-2方式配置，例如每个本地点设置77个测量点，测量点间隔为15cm。测量点矩阵的形状没有特殊要求，也可以选择圆阵，且测量点间隔一般要求大于测量系统发射信号脉冲频谱频率最大值或平均值对应的自由空间信号波长。1m90cm90cm实

31、际测量位置接收天线位置矩阵发射天线15cm图2-2 收发天线的位置配置图2.3 后期数据处理方法Clean算法2.3.1 概述在时域测量的后期处理数据中，普遍应用Clean算法。Clean算法是一种时域去卷积方法。接收信号可以看作模板脉冲与信道冲击响应作卷积的计算结果，Clean算法就是使用模板脉冲对接收信号进行去卷积，然后得到信道冲激响应。Clean算法是一个迭代过程，按照多径幅度从高到低的次序，每次只找到一条多径，当多径幅度低于某个门限值时迭代过程截止，得到多径分布结果就是信道冲激响应。2.3.2 后期数据处理过程 设脉冲发生器发出的脉冲信号波形为，抽样示波器得到的接收信号波形为 （2.1

32、）其中，代表卷积运算，和分别是发射和接收天线的时域冲激响应，是信道冲激响应，是加性高斯白噪声。时域信道测量的后期数据处理的主要任务就是从接收信号中提取信道冲激响应。根据前面的描述，时域信道测量的后期数据处理主要包括以下过程：（1）利用Clean算法对接收信号进行去卷积。利用模板信号与接收信号间的相关特性，提取时域实测接收信号中的多径分量，获得信道冲激响应。（2）设置时间零点。确定去卷积后的信道冲激响应的时间起点，并设置为时间零点，以确定后续到达多径分量的到达时间。（3）确定系统分辨率，并重新计算多径增益。直接用Clean算法处理得到的信道冲激响应中的多径分量的时间间隔远小于系统的实际时间分辨率

33、，需要按照系统的时间分辨率分成相等的时间片（Bin）；将每个时间片内的所有多径幅度相加作为此时间片多径分量增益。2.3.3 Clean算法的实现Clean算法首先通过实测的方法，获得模板信号为 （2.2） 其中，是模板测量中的加性高斯白噪声。继而通过迭代算法利用模板信号从接收信号中去掉、和的影响，计算信道冲激响应的近似值。模板信号的获得方法是：在暗室中将收发天线对齐，在满足远场要求的距离进行测量，并从接收信号中直接分离出完整的最强脉冲信号作为模板信号。模板信号的获取与实际测量的关系如图2-3所示。图2-3 模板信号的截获与实际测量的关系南加州时域实测数据中专门给出一组收发天线相距1m、最大辐射

34、方向夹角为0（即收发天线正对）的实测数据，如图2-4所示，用做提取模板信号使用。从其中提取具有最大幅度完整的脉冲信号作为时域单模板Clean算法去卷积处理的模板信号。图2-4 模板信号在得到接收信号及模板脉冲后，单模Clean算法迭代步骤如下：（1）计算模板信号的自相关函数 （2-3）（2）计算接收信号和模板脉冲的自相关函数 （2-4）（3）寻找互相关函数中的幅度极大值，取其时延，用此极大值除的最大值，得到幅度值保存数据和。（4）在位置做如下运算 （2-5）并更新；寻找极大值，如此值大于门限则转至步骤（3），如小于门限则转至步骤（5）。（5）得到的信道冲激响应（2-6）所示，其中N为多径总数。

35、 （2-6）2.4 Clean算法门限选择由Clean算法步骤（4）可知，判断迭代过程是否截止的唯一标准就是门限，所以门限的选择对Clean算法性能至关重要。门限通常分为绝对门限和相对门限两类，绝对门限由测量系统噪声决定，定义为测量系统噪声以上的某个确定值;相对门限由信道冲激响应中最大多径增益确定，定义为相对于最大增益衰减的某个确定值。通常数据处理中均选择相对门限作为Clean算法的截止门限。在使用相对门限对实测数据处理中，当逐渐降低门限值时，恢复接收信号的能量误差逐渐变少，其他各项信道指标统计量逐渐变大。如果只保证恢复接收信号能量误差最小，则应该将门限一直降低。然而，当门限下降到一点程度时会

36、出现主要多径前20ns的区域出现小增益多径信号。因此，应用相对门限时，门限值选取除保证恢复接收信号的能量误差小于特定值之外，还应该保证在噪声区无多径分量。 经过实验验证，认为满足如下两个准则的Clean算法门限为最优门限：（1）噪声区无多径分量；（2）恢复接收信号的能量误差小于30%。2.5 本章小结本章主要介绍了UWB信道的基本理论。首先，简单介绍了超宽带信号的传播特性，即超宽带信号的传播的弱衰落性和强透射性；其次，重点介绍了超宽带信道的测量技术，并以时域测量技术为重点，介绍了时域测量的测量过程；最后系统的讲述了时域测量案例中的后期数据处理方法-Clean算法，对Clean算法的原理及门限选

37、择都做了详细的讲述。为以后建立UWB信道模型及仿真做了充足的准备。 第3章 超宽带室内信道模型 第三章 超宽带室内信道模型为评估各种UWB通信实现方案的性能以及标准化工作，通常需要根据其工作环境建立一个比较精确的信道模型。大量的实验数据表明在UWB中多径的到达呈现出成簇到达的特性，UWB信道多径模型应该体现出这些新的特性，因此UWB信道的建模成为一个难点。经过大量的测量，已经建立了许多UWB信道模型，为进行系统设计提供了重要依据。3.1 简单的泊松模型简单的泊松模型是最早引入的UWB模型。假设在脉冲响应中只有一簇多径存在，到达的多径看成为到达率为泊松过程，路径是按指数衰减的，时间衰减常数为，路

38、径的幅度服从标准方差为的对数正态分布。因此，这个模型涉及三个参数为：1- 平均路径到达率2 - 衰减指数3 - 路径幅度的标准方差单一的泊松模型并没有反应出路径成簇到达以及早期到达的路径的能量居显著地位的特征，但却表达出了多径到达的次数服从泊松分布和多径增益服从对数正态分布的特点。3.2 修正的泊松模型相对单一的泊松模型而言，修正的泊松模型能更好的表达出早期到达的多径成分居显著地位的UWB室内LOS信道环境。在LOS环境下，最先到达的多径幅度比后到达的多径幅度要强，强度居显著地位的多径数目是随机的，且是等概率出现的。这些特性可从许多室内LOS信道测量实验分析得出。在此模型中，居显著地位的多径成

39、分到达的时间服从指数分布： （3.1）式中：是居显著地位路径的平均到达率， 是第个多径到达时间 每个居于显著地位的多径幅度服从对数正态分布，多径的幅度为： （3.2）式中： - 信号随机翻转 （3.3） （3.4）设最先到达的多径延迟，它由反射引起的信号符号翻转为正极性，即，因为在LOS条件下直射的路径可以假设为符号没有经过翻转。当时，是等概率发生的。随后到来的比较弱的多径成份也遵循指数分布，但是它们的平均到达率为，多径到达时间为： （3.5）比较弱的多经成份的平均能量分布服从参数为的传统指数衰落分布，这一组多径成份第一径的平均能量WdB比居显著地位的多径的平均能量要弱，紧随其后到来的多径成份

40、也要以其为参考。它们的多径幅度仍然服从对数正态分布，标准方差为。 （3.6） （3.7）3.3 模型多径到达的一个简单、常用模型是泊松过程模型。这一模型将时间长度划分为许多长度为的微小时间段，在一个时间片中的径的数目的平均值为，其中称为这一泊松过程的到达率。则在时间片中，有个径的概率为： （3.8）多径成份成簇到达的现象是实际物理环境中散射体群集的直接结果，也是在UWB信道中观察到的特性，而且，在信道的测试中发现若在某一时间间隔内有没有路径到达，则下一时间间隔内路径到达的概率表现出增加或减少，因此可分辨路径的到达时间呈非均匀分布。在泊松模型的基础上，Suzuki提出了模型，可以更好的描述多径成

41、簇分布的现象。模型作为室内宽带信道的模型，同Saleh-Valenzuela模型一样也是假设UWB信道中多径成分成簇到达。在这个模型中，将时间轴划分为许多长度为的微小时间段，如果在第个时间段内有一径到达，则第个时间段的到达率为。这里表示的是路径到达的成批性。当时，模型成为泊松模型；当时，信道出现分簇的现象；当时，多径的出现比较均匀。定义为: （3.9）式中：是第个微小时间段的占据率在用模型拟合UWB信道的实测数据时，第个微小时间段上的冲激响应的幅度可以用对数正态分布近似，且随时间延迟呈指数衰减，即： （3.10）也就是：，且多径的能量为： （3.11） （3.12）式中：- 第1径的平均功率

42、- 第径的时间延迟 - 包络衰减因子虽然模型提供了描述UWB信道多径按簇到达现象的方法，但在很多的情况下并不能很好的拟合UWB信道中的实测数据。3.4 修正的模型修正的模型是在模型的基础上，将两态马尔可夫模型和修正的泊松模型相结合。这个模型有两个状态，状态1的平均的到达率为，状态2的平均路径到达率为。如果第个微小时间段内处于状态1，且第个微小时间段内，有路径到达，则在第个微小时间段内转到状态2；在以后的若干个微小时间段内将持续状态2，直到第个微小时间段没有路径到达，状态又转回到状态1。的值由测试决定，但迄今还没有试验测试在特定的UWB系统中的取值，一般情况下，取典型值2或2.5，时，信道出现成

43、簇的现象。在每一个马氏状态下，每个微小时间段内到达的多径数量由泊松分布确定，到达多径的数量服从修正的两状态泊松过程，到达时间服从基于此状态的指数分布。具体的数学表示如下：状态1： （3.13）状态2： （3.14）其中， -第个微小时间段内有个路径到达的概率- 状态1的泊松参数 （3.15）- 状态2的泊松参数 （3.16）多径的幅度服从对数正态分布，随时间延迟呈指数衰减，表示为： （3.17）其中： （3.18） （3.19）式中： - 信号随机翻转，是等概率发生的。在修正模型中，将时间轴分成许多时间间隔，每一个时间间隔内的路径的到达率依赖于前一个时间间隔内是否有路径到达。这里时间间隔与采样

44、频率有关。这个模型由五个参数描述： - 状态1的平均到达率 - 状态2的平均到达率的缩放比例 - 微小的时间间隔 - 包络指数衰减因数 - 对数正态分布路径能量的标准方差3.5 本章小结在广泛阅读相关文献的基础上，本章对超宽带室内小尺度信道模型进行了详尽的介绍，从最开始的单一的泊松模型到修正的泊松模型，相对单一的泊松模型而言，修正的泊松模型能更好的表达出早期到达的多径成分居显著地位的UWB室内LOS信道环境。而在泊松模型的基础上，又提出了模型，可以更好的描述多径成簇分布的现象。之后又提出了修正的模型。对各个模型的原理和信道参数进行了介绍，为介绍超宽带室内多径的标准模型-IEEE 802.15.

45、3a做了理论准备。 第4章 超宽带室内多径传播模型 第四章 超宽带室内多径传播参考模型4.1 UWB多径传播模型多径传播模型主要描述无线信号经短距离（几个波长）或短时间（秒级）传输后经两个或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距离或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。 由于超宽带信号带宽通常大于500MHz，其对应的时域脉冲波形的持续时间在纳秒级，因此超宽带信道的多径分辨率通常在纳秒级。只要多径信号的波程差大于30cm，则此多径信号在超宽带信道中即可被分辨。由于室内环境中天花板、墙壁、门、家具、陈设品、人等均能造成信号的多

46、径传播，同时超宽带脉冲信号又具有较高的多径分辨率，这就导致超宽带信号在室内环境产生所谓密集多径传播的现象。4.1.1 信道的冲激响应这种多径传输可以方便的在数学上表示为信道的离散冲激响应，如下式 （4.1）其中，是路径的幅度衰减因子，它是以传输延时和发射机和接收机之间距离为变量的函数；是最小的可分辨时间;是可以分辨的多径分量的数目。有时，式（4.1）也可以表示多径强度分布。 4.1.2 室内多径信道的主要参数根据Foerster和Hashemi的研究结果，用来表征室内多径信道的主要参数为：（1）可分辨多径分量的数目；（2）多径时延；（3）多径强度分布；（4）多径幅度衰落分布；（5）多径到达时间

47、。4.2 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规范化的信道模型，得到了普遍认可，即S-V模型。S-V模型的物理描述如下：多径信道不是按着固定的速率均匀到达接收机，而是以簇（Cluster）的形式，分成一簇一簇的到达。簇和簇内射线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（幅度的均方值）随簇和簇内射线成双指数衰减，其幅度呈瑞利分布。相位在内均匀分布。Salen-Valenzula模型（简称S-V模型）是室内离散信道脉冲响应最普遍的统计模型，尽管它主要用来刻画NLOS（Non-

48、Line-of-Sight，非视距）信道环境的，但仍然也可以大致的描述LOS环境下的信道情况，是一种描述多径按簇分布现象的模型，在多数情况下，可以较好的拟合UWB 信道中的实测数据。相对于传统的无线信道模型，UWB比较宽的带宽能够产生新的特征。比如：在每个可分辨的延迟时间内（分辨路径为3cm），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 衰落的特征。甚至有可能在多径延迟内没有多径成份出现。为了与在UWB 测量实验中得到的数据更吻合，IEEE 工作组对S-V模型进行了一些修改。具体的说，用对数正态分布表示多径增益幅度，用另外一个对数正态随机变量表示总

49、多径增益的波动。图4-1 S-V模型原理图4.2.1 S-V模型的信道冲激响应S-V模型的信道冲激响应可以表示为 （4.2）其中， 为第个到达簇的到达时间， 为第个簇中第个到达射线的到达时间，为第一个到达簇的到达时间，为第个簇中第一条射线到达时间。为第个簇中第个到达射线的多径增益，其相位为。 4.2.2 S-V模型的主要参数1多径到达时间分布 S-V模型中簇到达时间，也就是每一簇中的第一条射线到达的时间服泊松过程，其具有固定的到达率（常数）。每一簇内后续射线到达的时间也服从泊松分布，其具有固定到达率（常数）。通常每一簇中包含大量射线，即。如果在任一时间长度为的区间中事件的个数服从均值为的泊松分

50、布，设为事件发生的时间间隔，则的概率分布函数为，概率密度函数为。令，可得簇到达的时间间隔是独立指数分布随机变量： （4.3）同理可得，在簇的先后到达多径信号的时间间隔概率密度为 （4.4）2多径增益分布 是统计独立的随机变量，其均方值是和的单调递减函数： （4.5）是第一个到达簇的第一条射线的平均功率增益，是簇和射线的功率延迟（Power-Delay）时间常数，也称衰减指数。多径信号的功率增益服从指数分布，其概率密度函数为 （4.6）多径增益（幅度）服从瑞利分布，其概率密度函数为 (4.7)3多径相位分布是统计独立的，在上均匀分布的随机变量。 综上，S-V模型的参数见表1-3；S-V模型多径及

51、功率分布见图4-2。表1-3 S-V信道模型输入参数参数名称 数学表示符号 平均簇到达率 平均射线到达率 簇平均功率衰减指数 射线平均功率衰减指数 瑞利分布标准差 图4-2 S-V模型多径及功率分布4.2.3 S-V/IEEE802.15.3a模型的局限性S-V/IEEE 802.15.3a模型是一个适合仿真研究使用的完整的多径模型，但存在如下问题：首先，S-V/IEEE 802.15.3a模型能够准确的反应室内NLOS环境的传播规律，但室内LOS环境的性能尚显不足；其次，模型无法准确预测特定室内环境的多径传播特性；最后，从实测数据中拟合“簇到达率”等模型输入参数非常困难。4.3 修正的S-V

52、模型在2002年到2003年间，致力于WPAN的IEEE 802.15.3工作组，尤其是它的信道模型子委员会决定采用修正的S-V（SalehValenzuela）模型作为超宽带信道的推荐模型。IEEE 802.15建议的信道模型利用对数正态分布而不是瑞利分布来描述多径增益幅度。每一簇内部各路径之间是独立的衰减机制。在S-V模型中，簇和簇内路径的到达时间分别用独立的泊松过程来描述。信道冲激响应的相位是或，因此信道不存在虚部分量。4.3.1 修正的S-V模型 根据Foerster的建议，离散时间多径信道冲激可以表示为 （4.8）其中，是多径增益系数，是第簇的延迟时间；是第条多径分量相对于第簇到达时间的延迟。表示阴影效