第四章超宽带信道模型

为了与在UWB信道测量试验中得到的数据更为 吻合，IEEE信道模型分委会对S-V模型进行了一 些修改。用对数正态分布表示多径增益幅度，用 另一个对数正态随机变量表示总多径增益的波动， 而且信道系数使用实变量而不是复变量 。
IEEE推荐模型的信道冲激响应可以表示为
h ( t ) = X ∑ ∑ α nk δ ( t − Tn − τ nk )
() r (t ) = h (t ) ∗ s (t ) + n (t )
比较式（1）和式（2），显然，信道的冲激响应 h ( t ) 为
h (t ) = ∑ α n (t )δ (t − τ n (t ))
n =1
N (t )
在上式中，考虑了发射机或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，然而，在通常情况下，信道的变化速率相 对脉冲速率而言是很慢的，因此，假定在观测时间T 内信道是稳定的。 故，信道冲激响应可以表示为
在S-V 模型中，第k 簇第n 径的增益为复随机变量 an ，其模为 β nk ，
θ是统计独立、服从 nk
[0,
2π ) 均匀分布的随机变量，即
2β nk
β nk 2
ρ ( β nk ) =
ρ (θ nk ) =
β nk
2
e
β nk
2
1 , 0 ≤ θ nk＜2π 2π
式中， x 表示 x 的期望值，且
β nk
2
= β 00
2
e
−
Tn Γ
−
e
τ nk γ
β 00 项表示第一簇第一条路径的平均能量，
Γ 和 γ 分别为簇和多径的功率衰减系数。
根据上式，平均PDP表现为簇幅度的指数衰减，而在每簇内接收脉冲 的幅度呈现另一个指数衰减，如下图示意。
PDP
时间 S-V模型的PDP示意图
IEEE推荐的 推荐的UWB信道模型 推荐的 信道模型
IEEE802.15.3a工作组根据传输距离及有视距 （LOS）、无视距（NLOS）路径等特点，将超 宽带信道分为四种，分别用来描述四种典型的信 道状况： CM1：0～4米，LOS； CM2：0～4米，NLOS； CM3：4～10米，NLOS； CM4：很差的无视距多径信道。
IEEE UWB信道参数值
第四章 超宽带信道模型
信道模型研究信号在信道中传输的衰减、时延、 多径干扰等问题。 超宽带通信的环境是无线多径环境，相应的是无 线多径信道。 我们从无多径的信道开始介绍。
无多径的AWGN模型 模型 无多径的
信号在无多径的AWGN信道上传播，则是在自由空间直达路径传播， 受到加性噪声 n(t)的干扰，n(t)为随机高斯过程，双边功率谱密度为 N0/2。 设发射机发射的信号为是s(t) ，那么经过AWGN信道传播，到达接收机 的信号r(t) 为
Tn Γ
−
e
τ nk γ
⇒ µnk =
(
β 00
2
τ nk Tn − 10 − 10 (σ ξ 2 + σ ζ 2 ) ln10 γ Γ − ln10 20
)
这样通过上面的讨论，可以得到用来确定IEEE UWB信道 模型的参数如下 簇平均到达速率 Λ 脉冲平均到达速率 λ 簇的功率衰减因子 Γ 簇内脉冲的功率衰减因子 γ 簇的信道系数标准偏差σ ξ 簇内脉冲的信道系数标准偏差 σ ζ 信道幅度增益的标准偏差 σ g
-4
0.5 0 -0.5 -1
2 0 -2 -4 -6 -8
-1.5 0
2
2.5 x 10
3
-7
-10 0
0.5
1
1.5 Time [s]
2
2.5 x 10
3
-7
CM2信道
Discrete Time Impulse Response
CM3信道
有了信道的冲激响 应，就可以方便地 进行通信系统的仿 真。
0.5 1 1.5 Time [s] 2 2.5 x 10 3
-7
CM4信道
-10 0
本章结束
1.5 Time [s]
2
2.5 x 10
3
-7
CM1信道的离散时间信道冲激响应
1.5 1
x 10
-3
Discrete Time Impulse Response 8 6 4
x 10
-4
Discrete Time Impulse Response
Amplitude Gain
Amplitude Gain 0.5 1 1.5 Time [s] 8 6 4 Amplitude Gain 2 0 -2 -4 -6 -8 x 10
n =1 k =1
N K ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱn)
幅度增益X为对数正态随机变量，可以表示为
X = 10
g 20
其中g 是均值为g 0 、方差 σ g 2为的高斯随机变量
簇、径到达时间变量 Tn 和τ nk 分别服从速率 Λ 为 λ 和的泊松过程：
ρ τ nk τ ( n -1) k = Λe−Λ (T −T
n
( ρ (τ
用IEEE UWB信道参数值及信道模型的冲激响应表达式，用 MATLAB仿真得到CM1、CM2、CM3、CM4信道的冲激响应 。
-3
2 1.5 1 Amplitude Gain 0.5 0 -0.5 -1 -1.5
x 10
Discrete Time Impulse Response
-2 0
0.5
1
nk
τ ( n -1) k
) ) = λe
n−1
)
− λ Tnk −T( n−1)k
(
)
信道系数α nk
α nk = pnk β nk
β nk = 10
xnk 20
xnk = µ nk + ξ n + ζ nk
µnk + ξ n + ζ nk 2
20
β nk
2
= 10 10 ln
= β 00
2
e
−
r (t ) = ∑ α n (t ) s (t − τ n (t )) + n (t )
（1）
α n ( t ) 和 τ n ( t ) 分别为第 n 条路径在时刻t的信道增益和信道时延
n N ( t ) 是在时刻t观察到的路径数， ( t ) 是接收机处的加性噪声。
设信道的冲激响应为 h t，那么接收信号应该为 （2）
信道 CM1 CM2 CM3 CM4
Λ (1/ns)
0.0233 0.4 0.0667 0.0667
λ (1/ns)
2.5 0.5 2.1 2.1
Γ
7.1 5.5 14 24
γ
4.3 6.7 7.9 12
σ ξ (dB)
3.3941 3.3941 3.3941 3.3941
σ ζ (dB) σ g (dB)
2

2
多径信道的功率延迟剖面（PDP）可以用一个图形表示，其坐标分 量分别为不同分量的到达时间和相应的接收功率。
PDP
时间
具体的计算公式略。
S-V模型 模型
S-V 模型首先由Turin等人于1972年提出，后来由Saleh和Valenzuela在对 室内多径传播进行统计建模中规范化。 S-V 模型基于这样的观测：通常，来自同一个脉冲的多径分量以簇的 形式到达接收机。簇到达时间被模拟为一个速率为 的泊松过程： Λ
c0 = 10− AdB
20
在自由空间中，γ = 2 ；在通常的非视线（NLOS）传播中，γ > 2 。 信道时延 τ 由接收机与发射机之间的距离D决定，表示为
τ =D c
其中，c 为真空中的光速（ c ≈ 3.108 m / s ）。
多径信道模型
Turin模型 S-V模型 IEEE802.15.3a推荐的UWB信道模型
Turin模型 模型
Turin模型是由Turin于1956年提出的。Turin模型假定表征信道的所有参数 都是服从特定分布的随机变量，在接收端可以统计得到这些参数的特征。 在无线多径信道下，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 ) n =1
3.3941 3.3941 3.3941 3.3941 3 3 3 3
UWB信道统计特性
信道特性 距离（m） NLOS/LOS 平均过量延迟（ns） RMS延迟扩展（ns） 在峰值路径10dB以内的路径数 捕获能量占总能量85%时的路径数 CM1 0-4 LOS 5.05 5.28 13 24 CM2 0-4 NLOS 10.38 8.03 18 36 CM3 4-10 NLOS 14.18 14.28 35 61.54 CM4 ----NLOS 27 25 40 125
ρ τ nk τ ( n -1) k = Λe−Λ (T −T
n
(
)
n −1
)
Tn 和 Tn −1 分别为第 n 簇和第n-1簇的到达时间
在每一簇内，相继的多径分量的到达时间也服从速率为
λ 的泊松过程：
ρ τ nk τ ( n -1) k = λ e
(
)
− λ Tnk −T( n−1)k
(
)
相位为 θ nk 。 并假定 β nk 是统计独立且服从瑞利分布的正随机变量，
h ( t ) = ∑ α nδ ( t − τ n )
n =1
N
由Turin模型可以导出表征无线多径信道的三个参数：总多径增益D、均方 根时延扩展 、功率延迟剖面PDP 。 τ rms
总多径增益
N
G = ∑ αn
N =1