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林地场景下的超宽带无线信道模型研究作者：许慧颖李德建周正来源：《湖南大学学报·自然科学版》2013年第05期摘要：为了研究超宽带信号在林地中的传播特性，依据信道频域测量数据，提出了符合中国超宽带（UWB）技术频率使用规定的林地场景信道模型.信道总体模型采用修正S-V模型.在信道测量信号的后处理中，使用过渡带为高斯滚降特性的类高斯窗来提取符合中国超宽带频谱规范的测量信号，利用CLEAN算法得到高分辨率的离散信道响应，并为信道时域测量信号提出了一种基于小波分析的分簇算法，最后统计提取出了信道模型参数.仿真结果表明，提出的林地超宽带信道模型和实测数据有着相近的时延扩展特性和主要多径个数.关键词：超宽带；信道模型；林地；分簇算法中图分类号：TN911 文献标识码：A1测量过程UWB信道可以在时域或频域测量，分别得到冲激响应或传递函数.两种测量结果理论上等价，可以通过傅里叶变换从一个域变到另一个域.本文的测量是在频域进行的.测量系统包括一个矢量网络分析仪（VNA，Vector Network Analyzer） Agilent N5242A，两个2.3～18 GHz的全向天线，天线增益为0 dBi，两根6 m长的Rosenberger电缆，一台控制VNA的计算机.林地场景采用北京市郊的一处果园，测量时果树没有生长树叶，如图1所示.测量时，收发天线架设在1.5 m高的三脚架上.VNA测量的S参数S21作为超宽带信道的信道传递函数（CTF，Channel Transfer Function）.VNA的发射功率固定为10 dBm，发射5 600个单频信号，这些频点均匀分布在2.3～11 GHz的频带内，扫频间隔为1.55 MHz，允许测量多径的最大时延扩展为643.7 ns.测量范围为1～10 m，收发天线示意图如图1所示，共测量78个位置.为了降低噪声影响，在每一个接收点记录10次信道传输函数并取平均值作为该接收点的测量数据.由于完成一次信道测量需耗时数秒，因此测量时确保天线周边范围无人，以使信道是静态的.所有测量数据都以暗室中2 m参考距离测得的天线响应加以校准.5 结语林地信道模型是超宽带技术在林地应用的研究基础.为了得到更准确的离散信道响应估计，本文对频域测量数据使用了类高斯窗，并利用CLEAN算法解卷积得到了符合中国UWB 频率规范的高分辨率信道离散响应.此外还采用了基于小波检测能量跳变的计算机分簇方法.提出的林地信道模型显示在稀疏树木的果园环境下有较小的时延扩展特性.模型及数据结果表明，本文提出的林地信道模型与实测信道数据在时延特性和主要多径个数上有较好的符合.参考文献[1]MOLISCH A F. Ultrawideband Propagation Channels[J]. Proceedings of the IEEE， 2009，97（2）： 353-371[2]JEMAI J， PIESIEWICZ R， GEISE R， et al. UWB channel modeling within an aircreft cabin[C]// ICUWB 2008. Hannover： IEEE Press， 2008： 5-8[3]LEE J Y. UWB channel modeling in roadway and indoor parking environments[J]. IEEE Trans on Vehicular Technology，2010， 59（7）： 3171-3180[4]LIANG Q. Radar sensor wireless channel modeling in foliage environment： UWB versus narrowband[J]. IEEE Sensors Jounal，2011， 11（6）： 1448-1456[5]LIANG J， LIANG Q. Outdoor propagation channel modeling in foliage environment[J]. IEEE Trans on Vehicular Technology， 2010， 59（5）： 2243-2252[6]LIANG Q， CHENG X. Wireless channel modeling in foliage environment： UWB versus narrowband[C] // IEEE Milatary Communication. San Diego， CA：2008： 1-6[7]MOLISCH A F. IEEE 802.15.4a Channel ModelFinal Report[EB/OL].Channel Model Subcommittee， http：///15/ pub/ TG4a .html， 2005： 1-40[8]LIU T C， KIM D I， VAUGHAN R G. A aighresolution， multitemplate deconvolution algorithm for timedomain UWB channel characterization[J]. Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering， 2007， 32（4）： 207-213。
超宽带传播信道摘要：对于UWB设计以及通信与信息理论的调查研究的必要条件是要理解UWB的传播信道。
本文研究调查了关于UWB传播信道的基本内容，并提出了不同与传统传播信道的地方。
如果相对宽带太大，这个传播过程会发生频变，因此路径会丢失后者被屏蔽，同时著名的非相关散射模型将不再适用。
如果绝对宽带太大，脉冲响应的形状以及衰落信号的数据会发生改变。
本文也描述了测量UWB信道和提取通道参数的方法。
本文对信道适用和UWB其他领域的研究的相关性也进行了说明。
I.引文在电子通信技术上的一个新趋势可增加宽带的占线率通过雇用信号。
新趋势的发生基于两方面，一方面是对信息率的不断需求，例如语音通对速率的需求是10KB/S，而新的应用程序，像视频点播需求的速率是10MB/S，甚至更多。
另一方面，一些多址计划，像CDMA的传输需要更大的宽带信号，为了更好地实现他的优势，像信号变弱的坚固性等，我们需要提高多址的容量以及对信号干扰的免疫力。
UWB电子设备通过占用500MHz或者更高的宽带，把他推向一个限值。
因此，UWB系统能够充分利用宽带的优势。
学术研究社群和工业研究社群对UWB通信产生了浓厚的兴趣，尤其是近15年，之所以产生兴趣是因为以下因素：理论上的突破，尤其是20世纪90年代，win 和Scholtz 发明了调试脉冲设备。
新的通信法规，特别是联邦通信委员会2002年在美国的决定，使得UWB电子设备可以在微波测距领域的无证运行。
由于数码和模拟电路上的发展使得UWB信号的生成和处理成为可能且价格合理新应用技术的发展需要UWB信号所提供的独特特征，极高的数据传输速率，精确测距和定位，隐藏高数据速率通信基于这些应用技术在UWB技术不断发展，产生了5000多篇关于这个主题的研究论文，同时形成了一些新的通信标准。
与其他人通信系统一样，UWB通信的极值是由系统所运行的传输信道决定的。
更甚，可以说任何一个实用化的系统的性能都是由信道所决定的，其设计，测试，以及精密的链接都是基于我们对传输信道的理解。
然而，以下三个问题对于UWB信道的研究者经常会被问到：对于传输信道我们为什么不能使用现有的见解和模型呢？毕竟，在无线传输领域已有数千篇论文发表。
此问题的答案的关键在于UWB传输信道的表现形式从根本上是不同于传统的信道。
这些不同点在于UWB传输信道拥有很大的绝对和相对宽带。
为什么UWB传输信道不同于传统的信道呢？毕竟，信道并不依赖与系统的运行。
此问题的第一个答案是：原则上，它是正确的。
可是，传输的研究是一门相关性的艺术。
无线电的传输是一个极其复杂的过程，并且它几乎是不可能被发现的，无论在实践上还是理论上都不能用通用的描述和模型表现出来。
恰恰这个模型是集中于相应的具体系统的效果上。
例如，UWB信道的脉冲响应能够被稀疏。
这个效应是信道道的一个基本性能，与空间散射对象的位臵有关。
然而，在窄频带他就被忽视，系统里的带通滤波器会弄脏信号。
所以脉冲响应的稀疏是不与系统相应的。
另一方面，在UWB里，滤波器是很宽的，因此，这个效应仍然保留了有关的信号处理。
为什么我们这么麻烦呢？只要建立一个系统去试验就OK了。
这在任何情况下都比基于模型去测量，建模传输信道和模拟系统性能更加精确。
（1）重新设计一个恒量场的循环是一个极其昂贵的建立通信系统的方法。
尤其是对于标准化的系统，这样的方法是绝对不可能的。
即使，当测试结果显示在一个给定的环境下系统不能良好的运行，这也不能马上解释为什么会发生这个问题。
另外，对信道和它与系统的相互作用有详细理解才能吧见解转化为可能的解决对策。
本文的一个关键之处在于指出了信道特征和系统设计之间的相互作用的关系，并且把传播工作和其他研究领域联系到了一起。
对于UWB传播信道的研究已经有很多年了。
20世纪初以来，对于短电磁脉冲与标准对象的理论研究已初见成效。
然而，这种理论研究直到本世纪才应用到典型的无线场景模拟中。
甚者，UWB传播信道的测量工作在20世纪90年代末才完成，首篇关于UWB传播信道模型的研究论文在2001年才发表。
尽管在近10年，人类做了大量的研究，但是关于已建立的模型参数化的测量基础仍然有一点模糊。
论文的剩余部分安排如下:第二部分涵盖了UWB 信道的一些传播现象。
第三部分描述了如何测量UWB 信道。
第四五部分分别阐述了大范围的UWB 信道特征和小范围UWB 信道特征。
关于确定性信道预测和统计性信道模型的综述。
II 基本的UWB 传播A 多径传播在无线电传播里一个基本的传播机制是多径传播。
事实上，信号可以从TX 到RX 之间传播通过不同的路径和交互作用。
为了更好地理解这个现象，要描述这个通过天线从电磁场发射出来的UWB 信号，它可以发射道不同的方向（在传统的传播里，UWB 信号是一些窄频的均匀平面波，但是也有可能是其他结构）。
在空间里传播的UWB 信号可能发生反射，或者折射，当遇到物体时也可能发生散射，如图1。
每一种交互流程都能改变它的方向，并且有些作用（像折射）可能把UWB 信号分裂成许多新的信号。
UWB 信号会有不同的路径。
例如，它在到达RX 接受天线时，与某个物体发生相互作用，就会又产生不同的路径，因此称为多径分量（MPC ）。
根据 MPC 采用的路径，它出现某些延迟 ，衰减和色散。
在传统的传播研究中，人类认为它与外部环境发生作用只改变他的方向，因此，到达接收机的信号是衰减和延迟路径传输的总和信号，信道的脉冲响应 h(t)如下式①、(1)n a 和n 分别是第n 条路径时刻t 的信道增益和信道时延。
当TX 、 RX 、 和相互作用的对象可以移动，(1)中的参数为时间变量，值得注意的是，它可以被解释在两个方面：i ）一个纯粹的数学方法，在这里我们让N 趋于无穷（每一波的权力变得无限小的），从而使信道冲激响应可以代表信道任意功能; ii ）在一个物理方式，这个公式代表的只有有限数量的平面波，每一波对应的来自其他对象的反射波。
在这种情况下，①仅仅是一个近似描述，而忽略漫散射，部分衍射等的带来的影响。
方程（1）也有可能会忽视另一些对UWB信道很重要的效应。
在MPCS和对象之间的所有交互作用都有频率相依性的，例如，如果钢化玻璃的反射系数从0.9到0.65之间变化，而频率也会在7.5到10.5GHZ之间变化。
因此，单个的多路径分量的冲激响应是不是一个Dirac函数，而是一个失真的脉冲，它的失真取决于多路径分量方从发射器到接收器之间产生的的相互作用，因此，信道的冲激响应公式如下：(2) 其中表示卷积讨论到目前为止，只有讨论传播信道，但忽略了系统操作的特征，为了进一步讨论，我们必须记住每一个系统包括UWB，他都有一个有线宽带B。
因为，脉冲响应(1)和（2）与系统滤波器的脉冲响应是卷积。
一个简单而直观的图像把时间轴分割成长度为1/B的可分割延迟Bins。
所有的脉冲汇集到一个bin时，不能被分割，因此就形成了叠加。
汇集到同一个延迟bin的多径分量相互作用会导致小范围的衰减。
换句话说，MPCS叠加为construction way，还是destructive way 依赖于MPCS的相对运行时间。
短距离移动的TX 或RX可以把destructive 转化为construction add-up，反之亦然。
如果大量同样强的信号聚集到一个bin 上，中央极限定律将变为可行的，符合振幅的概率密度函数将会变成复杂的高斯函数。
这样反复运转将意味着，绝对振幅的概率密度函数将服从瑞利分布，并且接收功率的概率密度函数将变成单向指数。
图2：大约50 ns的延迟的多径分量信号的振幅累积分布函数[室外场景（加油站）]实线：累积概率分布函数。
虚线线：莱斯适合。
虚线：瑞利适合。
下面是我们制作的关于UWB-ABS和UWB-REL的区别的图示。
假设一个系统的频宽范围是fc—B/2 到fc+B/2，B是绝对频宽，B/fc是相对频宽，fc是载波频率。
UWB-ABS系统是指B＞500MHZ的系统，UWB-REL系统指的是B/fc＞20%的系统，但同时也许记住，一个系统也可能是UWB-ABS和UWB-REL的共存体。
图3 是UWB-ABS和UWB-REL系统与传统的窄频宽系统关于信号脉冲响应，系统滤波器响应和复合脉冲响应这三种响应的对比图，同样也显示了脉冲效应的傅里叶转换。
因此，作为系统带宽的增加，下面情况下可以区分如图3窄带系统：这些系统有这样的窄的带宽，所有的多径分量落入单一的解析的延迟bin。
换句话说，最大过量的延迟<1/ B;请参阅图3底部宽带系统：带宽是足够大的，一些延迟段包含多个多径分量，导致每个单独的段产生衰减。
平均小规模以上的脉冲响应的幅值的平方衰落给出的功率延迟分布（PDP）。
最常见的模型为PDP为一单指数衰减（参见文献[ 18 ，CH 7]）的冲激响应时，如（1）所述。
UWB- ABS：当系统绝对带宽变得非常大，新现象发生。
i）多径分量落入每个的延迟段的数量减少，因此衰落统计数据不一定是瑞利分布了。
图2示出一个例子，100 MHz和7.5 GHz的带宽信号的一组反射衰落统计。
ii)每一个可分辨延时包含了多径分量，因此，延迟段包含多径分量的穿插空[延迟段]。
由此产生的PDP被称为“稀疏”。
这些现象的发生所需的带宽取决于对环境与需要不重合于500 MHz的带宽，形成了“官方的”在很宽的频带和超宽的边界带系统。
UWBABS 信道的脉冲响应大约是所描述的（1）。
UWB- REL：在这些系统中脉冲失真的持续时间（支持）变得比宽带WB 要大。
因此，脉冲失真变得明显，必须考虑到信道累积描述;换句话说，（2）可以使用。
图3示出的上半部分中，每个单独的脉冲的脉冲响应是扭曲的，并由系统过滤器过滤没有不会改变这个显著的事实。
当考虑到传递函数，我们还发现，UWB -REL系统表现出频率依赖于大尺度衰落和路径增益。
这种现象可以被事实解释即频率成分显著不同的频率表现不同的环境中，一个对象的影响取决于以波长为单位的变量大小。
例如，一个信号在100 MHz的范围内可以很容易围绕汽车衍射，而信号分量在5 GHz范围内衍射被阻止。
路径增益的频率依赖性的结果就是广义平稳非相关散射（ WSSUS ）模型不适用; WSSUS要求的衰落统计（包括的平均功率）是独立的绝对频率。
另一个在UWB -REL系统中一个有趣的效果，多径分量的延迟改变了超过1/B，就像TX或RX移动在好几个波长范围，这是该区域从该小尺度衰落的统计资料中提取的。
因此，信道统计不必固定在这个地区的另一原因是WSSUS假设的故障。
B 路径增益和大范围衰减（large-scale fading）在无线电传播里，另外两个传播现象就是路径增益和大范围衰减。
所谓的大尺度衰落指的是,TX（RX）在大于10λ距离范围里移动时所发出的一个MPC的强度。
