基于uwb的室内信道模型本科毕业论文(编辑修改稿)

基于uwb的室内信道模型本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

径损耗指数（ dB） LOS 13 路径损耗指数（ dB） NLOS 阴影衰落标准差（ dB） LOS 612 阴影衰落标准差（ dB） NLOS 612 衰落范围（ dB） 5 25 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 、 等人率先开始研究 UWB 脉冲在典型室内环境中的传播特征。 20xx 年， 、 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，先后提出了频域自回归 (AR)模型、 模型和修正的 SalehValenzuela （ SV） 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2~8GHz 频段测试数据提出的修正 SV 模型是最具代表性的 UWB 信道模型，其时间分辨率为 ，多径衰落分布服从对数正态（ LogNormal） 分布。 该模型被 IEEE 确定为 IEEE 的标准信道。 但同时 IEEE 也提出了 SV 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，通过理论统计分析，对现有的 SV/IEEE 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 第 1 章 绪论 5 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。 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 系列在传输速率等方面的性能，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 6 第 二 章 ＵＷＢ 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。 UWB 信号的传播特性 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。 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 第 2 章 UWB 信道的基本理论 7 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。 信道测量技术 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、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。 （ 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。 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 第 2 章 UWB 信道的基本理论 8 天线后进入信道，接收信号经接收天线、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 )(th。 时域测量系统 及后期数据处理的具体过程如图 21 所示。 计 算 机（ 用 于 保 存 数 据 ）数 字 抽 样示 波 器低 噪 放接 收 天 线发 射 天 线功 放脉 冲 发 生 器利 用 C l e a n 算 法去 卷 积设 置 时 间 零 点根 据 系 统 时 间 分辨 率 设 置 时 间 片宽 度 计 算 每 个 时间 片 对 应 的 幅 度值实 测 信 道 冲 激 响 应 h ( t )触发信号发生器测 量 系 统后 期 数 据 处 理（ 使 用 M a t l a b ）传 输 信 道 图 21 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： ① 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。 ② 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，将接收天线放置在同心圆周的不同位置，如图 12 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 1～ 15m的范围内。 第 2 章 UWB 信道的基本理论 9 ③ 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 22 方式配置，例如每个本地点设置 7ᵡ7 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。 图 22 收发天线的位置配置图 后期数据处理方法 —— Clean 算法 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。 后期数据处理过程 设脉冲发生器发出的脉冲信号波形为 )(tp ，抽样示波器得到的接收信号波形 为 )()()()()()( tntRthtTtptr xx  （ ） 其中，  代表卷积运算， )(tTx 和 )(tRx 分别是发射和接收天线的时域冲激响应， )(th 是信道冲激响应， )(tn 是 加性高斯白噪声。 1m 90cm 90cm 实际测量位置 接收天线位置矩阵 发射天线 15cm 第 2 章 UWB 信道的基本理论。