超宽带信道模型经典分析

超宽带系统传输信号的带宽极宽，系统具有很高的多 径分辨率，多径数目相对较少，不再满足中心极限定理的 假设，小尺度衰落分布也不再满足传 统 的 瑞 利 分 布 条 件[2]。 这些特性决定了目前广泛应用于常规无线信号的传播特 性和信道模型不能直接应用于 UWB， 因 此 需 要 对 不 同 环 境 下 的 UWB 的 传 播 特 性 进 行 测 试 ， 建 立 不 同 环 境 下 的 UWB 无线信道模型，并对其进行评测。 本文以北京市海淀 区 学 院 路 51 号 首 享 科 技 大 厦 12 层 的 实 验 室 测 试 区 为 室 内超宽带信道研究场景，分析信道的模型参数。
功率 10 dBm
表 1 PNA 参 数 设 置
Hale Waihona Puke 扫描频率扫描次数5 600
10
时域测量扫描时间 600 ns
输出存储格式 CSA 和 CSV
3 实测过程
布点的原则是：选择的位置要有代表性，能反映整个场 景空间的信道特征，特殊点与普遍点兼顾[3]。 具体介绍如下。
· 覆盖面积最大：以测量场景的面积尽量覆盖全面为 基础。
2 超宽带信道模型测试方案
建立信道模型的关键是通过收集大量的测试数据，测
* 国家科技重大专项资金资助项目（No.2009zx03006-009）
量超宽带信号在不同环境中的传播特性。 测量方案为：利用矢 量 网 络 分 析 仪 （PNA）、全 向 天 线 、
射频电路在 PNA 上采集 UWB 信道的频域数据。 本测试采用频域测量方法，利用频率扫描技术，使用
图 3 测 试 点 Tx1_Rx74（收 发 天 线 距 离 为 3.49 m，视 距 ） 的分簇结果
图 4 测 试 点 Tx1_Rx66（收 发 天 线 距 离 为 3.925 m，非 视 距 ） 的分簇结果 253
（3） 路径增益 αk,l 的定义为：
（4） 其中，Pk, l 可以等概率地选择 1 或-1，表示信号因反射而 造成的反相；ξl βk,l 服从对数正态分布，其正态分布式为：
PNA 对信道的频率响应进行记录。 频率响应与冲激响应互 为傅立叶变换对，得到信道的冲激响应后可以进一步得到 信道的特征参数。 测量系统如图 1 所示。
图 1 测试环境搭建示意
Agilent 公 司 的 N5242A（属 于 PNA-X 系 列 高 性 能 矢 量 网络分析仪）、型 号 为 LA2-C125-6000 的 射 频 电 缆 、全 向 天 线（2.3~18 GHz，0 dB）和远程控制终端组成了测试环境。
（1）
其中， l 表示簇的编号 ，k 为簇中各个径的编号 ， Xi 为 阴影效应损耗，αk,l 为路径的增益，Tl 为第 l 簇 的 到 达 时 间 ， τk,l 为第 l 簇 k 径的到达时间。
簇和径的到达时间服从泊松分布，服从泊松分布的各 个 变 量 之 间 的 差 服 从 指 数 分 布 ，如 式 （2）和 式 （3）所 示 ：
（5）
（6）
图 5 测 试 点 Tx1_Rx22（收 发 天 线 距 离 为 9.6241 m，非 视 距 ） 的分簇结果
5.2 参数提取 5.2.1 3a 模型介绍
IEEE 802.15.3a 对超宽带室内信道模型的 4 种典型环 境 作 了 定 义[5]。
· CM1： 直 接 视 距 路 径 （LOS）， 发 送 机 和 接 收 机 距 离 <4 m。
5 数据分析
5.1 分簇 本文采用折线分簇算法，对延时和幅度两维参数进行
估计[4]。 首先在数据中发现非零路径 ，在时间分簇内使用最 小二乘法发现一组最适线，使其与拟合点的纵坐标的误差 平方和最小。 如果平方和很小，说明数据点靠近最适线，因 此没有很大的偏差， 而一个大的偏差表示一个新簇的开 始。 这里需要人为地设置另一个幅度门限，取决于某路径 和最适线之间的标准差。
4 信道后处理过程
PNA 得 到 的 频 域 信 道 响 应 H(f)包 含 了 天 线 响 应 以 及 噪声。 为了提取出真实的信道响应，要对 PNA 得到的 H(f) 进行去除天线响应以及噪声的处理。
后处理包括去除天线响应、傅立叶反变换、调整分辨 率、去除噪声、设置时间零点。
去除天线响应包括去除发送功率 P(f)、发射天线、接收 天线的影响，这里采用的数据是在全电波暗室收发天线距
Λn 0.0202 0.0233 0.0357 0.0217 0.0264 0.0233 0.0311 0.0233 0.0248 0.0310 0.0186 0.0215 0.0305 0.0241 0.0312 0.0225 0.0233 0.0294 0.0218 0.0310 0.0256 0.0269 0.0233 0.0312 0.0206 0.0268 0.0284 0.0233 0.1928 0.1698 0.2139 0.2581 0.1792 0.1687 0.2018 0.1453 0.1831 0.1692 0.147 0.1292 0.1682 0.1928 0.2817 0.3018 0.2871 0.2937 0.2817 0.1938 0.2871 0.1354 0.1825 0.2178 0.2981 0.0712 0.1824 0.1928 0.2487
关键词 信道模型；冲激响应；分簇；参数提取
1 引言
UWB 技术由于其具有超宽带宽 、对 信 道 衰 落 不 敏 感 、 发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低、定位精 度高等优点而普遍引起军事 、科技和商业领域的兴趣[1]。 尤 其在室内短距离通信、传感器网络和个域网等密集多径场 所的高速无线接入方面，受到了极大的关注，有着广阔的 市场前景。
频 域 测 量 的 原 理 为 ：PNA 产 生 频 率 为 2.3~11 GHz、功 率为 10 dBm 的一系列单音频射频信号 ， 经天线发射—空 间传播—天线接收将信号传回 PNA，PNA 进行频域扫描并 输出频率范围的 S21 参数。
PNA 参数设置见表 1。
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测量参数 S21
频率范围 2.3~11 GHz
第 2 组数据为收发天线距离在 0~4 m、 非视距的测试点， 即CCM2 环境，包括 Tx1_Rx37、Tx1_Rx47~Tx1_Rx49、Tx1_Rx58、 Tx1_Rx61、Tx1_Rx62、Tx1_Rx64~Tx1_Rx66，共 10 个点。
第 3 组数据为收发 天 线 距 离 在 4~10 m、 非 视 距 的 测 试 点 ， 即 CCM3 环 境 ， 包 括 Tx1_Rx22、Tx1_Rx25、 Tx1_Rx33 ~ Tx1_Rx36 、 Tx1_Rx38 ~ Tx1_Rx46 、 Tx1_Rx50 、 Tx1_Rx51、Tx1_Rx54、Tx1_Rx57，共 19 个测试点。
· CM2：无 直 接 视 距 路 径 （NLOS），发 送 机 和 接 收 机 距 离<4 m。
· CM3：无 直 接 视 距 路 径 （NLOS），发 送 机 和 接 收 机 距 离为 4~10 m。
· CM4：有严重时延色散，时延扩展为 25 ns。 该模型有 7 个 关 键 的 参 数 ：Λ（簇 的 到 达 率 ）、λ（径 的 到 达 率 ）、Γ（簇 的 能 量 衰 减 因 子 ）、γ （ 径 的 能 量 衰 减 因 子 ）、 σ12（簇 的 对 数 正 态 分 布 的 标 准 差 ）、σ22（径 的 对 数 正 态 分 布 的 标 准 差 ）、σx2 （阴 影 衰 落 因 子 X 的 对 数 正 态 分 布 的 标 准 差），不同的环境参数值不同。 超宽带射频无线信道的冲激响应函数由式(1)给出。 影 响冲激响应的因素有：簇到达率、簇中各个径的到达率、路 径的增益以及阴影效应损耗。 其中，簇和径的到达时间服 从泊松分布，路径增益和阴影效应损耗服从对数正态分布[6]。 下面给出这几个因素涉及的数学表达式。
将 3 组数据分别进行统计平均，得出 3 个簇到达率和 径到达率，见表 3。
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CCM1 环境 0~4 m 的视距
CCM2 环境 0~4 m 的非视距 CCM3 环境 4~10 m 的非视距
表 2 Λn 和 λn 的 数 值
测试点
Tx1_Rx67 Tx1_Rx68 Tx1_Rx69 Tx1_Rx70 Tx1_Rx71 Tx1_Rx72 Tx1_Rx74 Tx1_Rx96 Tx1_Rx97 Tx1_Rx98 Tx1_Rx99 Tx1_Rx100 Tx1_Rx101 Tx1_Rx102 Tx1_Rx103 Tx1_Rx104 Tx1_Rx105 Tx1_Rx106 Tx1_Rx107 Tx1_Rx108 Tx1_Rx109 Tx1_Rx110 Tx1_Rx111 Tx1_Rx112 Tx1_Rx113 Tx1_Rx115 Tx1_Rx116 Tx1_Rx117 Tx1_Rx037 Tx1_Rx047 Tx1_Rx048 Tx1_Rx049 Tx1_Rx058 Tx1_Rx061 Tx1_Rx062 Tx1_Rx064 Tx1_Rx065 Tx1_Rx066 Tx1_Rx022 Tx1_Rx025 Tx1_Rx033 Tx1_Rx034 Tx1_Rx035 Tx1_Rx036 Tx1_Rx038 Tx1_Rx039 Tx1_Rx040 Tx1_Rx041 Tx1_Rx042 Tx1_Rx043 Tx1_Rx044 Tx1_Rx045 Tx1_Rx046 Tx1_Rx050 Tx1_Rx051 Tx1_Rx054 Tx1_Rx057
· 应用需求优先：数据需求量大的位置优先考虑。 · 典型环境：要考虑阻挡物周围的位置。 · 收发点间距：从收发天线的距离进行全方位考量。 实验室测试区最典型的设置就是放置在中间的长工 作台，除了靠近墙壁放置的一些柜子，内部没有其他陈设 物体，实验室测试区的测试场景布局如图 2 所示。
离为 1 m 处的测量数据。
超宽带信道模型分析 *
张培艳，刘 云，李英丹，李 周 （工业和信息化部电信研究院 北京 100191）