发布时间 : 星期二 文章无线通信信道的建模研究 doc更新完毕开始阅读f64552ef856a561252d36f6c
的方法主要有3类 ：频域法，以电磁场的Ma x w e l l 方程组在频域的谐波解，和以F o u r i e r 变换为基础的方法； 时域法，以电磁矢量或位函数的时域波动方程导出电磁场的时域积分方程，或者将电磁场的 Ma x w e l l 方程组直接在时一空域化为差分方程，在给定的边界条件下进行数值求解；奇点展开法和极点提取法， 利用瞬态响应和散射场量表达式在复平面上极点之间的关系来求解瞬态电磁场的参量。由于场的方法过于复杂，目前针对脉冲信号的波形失真问题常常从频域进行。
信道传播环境对所传播的脉冲信号的波形会产生影响，具体表现为信号的能量发生衰减、频率发生色散。目前对该问题 主要使用频域方法进行研究。设时域入射场( 等价于初始脉冲信号) 为S(t)，通过 F o u r i e r 变换把该时域场转换为频域函数S(?)在所研究的脉冲信号频段范围内利用频域反射系数， 得到各个离散频点的场强值，最后采用F o u r i e r 逆变换把频域场转换为时域场， 这时就可以得到反射场r(t)的表达式。该过程可以用下面的公式来表示：
??1j?tr(t)?S(?)H(?)ed? （ 6 ） ?2???如果考虑每个脉冲信号的多径分量在传输过程中的时域失真，可以用一个滤波器来表示；该滤波器在频域的传递函数为Gi(?)，其对应的时域响应函数为g(t)，可以称之单径响应。则UWB脉冲多径信道的唯象模型可以表示为：
h(t)??i?1?igi(t)??(t??i) （ 7 ）
L相应的频域传递函数为：
H(?)???iGi(?)e?j??i
L ???iGi0(?)e?j?(?)e?j??i （ 8 ）
从式(8)可以看出，研究单径响应的频域传递函数Gi(?)的特性，可以分别从其幅度谱Gi0(?)和相位谱?(?)两个方面来研究。例如，如果单径响应的传递函数为：
Gi(?)??(?) （ 9 ） 式中，?函数表示定义在变量的紧支集( 记作Csup) 上、值为常数的函数。当Csup?Ws时，由于信号经历单径响应后频谱变窄，将会使得其波形在时域展宽。如果单径响应的相位出现非线性群迟延，而单径响应的幅度响应失真很小，则信号在时域的持续时间宽度基本不发生变化，脉冲波形将发生变化。 4.3脉冲无线信道建模的研究方法
传统上研究无线信道建模的方法有两类。一类是随机的方法，使用各种统计手段， 分析信道各个参量的统计特性，典型方法如基于实验测量的冲激响应法，这是一种完全随机性的方法。另一类是确定性的方法，是使用Maxwell方程对无线信道进行研究， 典型方法如射线追踪法，这是一种完全确定性的方法。这两种方法在脉冲信道研究领域都已经得到应用。冲激响应法是通过实验，对脉冲信道进行测量，研究给定发送信
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号序列和接收信号的统计特性，得出信道的冲激响应，从中提炼出信道的模型。这种方法需要非常专业的测量仪器和设备，因而对实验条件要求非常高。目前这种方法使用最为普遍，得到的研究成果也最多。射线追踪法是一种成熟的面向电磁场工程应用的方法，已经被成功地用来研究窄带通信系统。它把电磁波当作射线，结合电磁场理论，计算出特定区域的场强以此来构建信道模型。但这种方法在脉冲信道的研究中遇到了一些困难，因为脉冲信道的传播特性具有很强的频率依赖性，不像以往的窄带系统，可以使用一个有中心频率的载波的传播特性来描述。解决该问题的一个可行方法，是对脉冲信号进行频带剖分，但这样会使得计算量非常大。以每个子带100MH z 带宽为例，带宽在3.1-10.6GHz的脉冲信号要求使用75个频率样本，这在计算成本和计算结果的精度上都存在一些问题。
在无线信道研究领域，还有一种新的研究方法，即随机分析方法。这种方法基于随机分析中的随机微分方程理论，对信道的时变/空变等特性进行研究。使用随机分析方法研究无线信道早有报道，目前这方面的研究人员主要有两个研究小组， 其一是前苏联国立圣彼得堡通信大学，主要人员有 Lyandres ，Kontorovith ，Primak等，其二是加拿大渥太华大学的 Charalambous为代表。目前使用随机分析的方法在窄带通信系统得到的信道理论成果主要有：动态短距离信道模型，动态长距离信道模型，动态时域信道模型，动态空域对数正态分布信道模型，空时均值反转对数正态分布信道模型， Weybull/K分布散射簇的仿真与建模，卫星通信信道的建模，等等。
目前随机分析方法已经被用在 UWB脉冲信道研究领域，其核心思想是把无线信道中的多径传播规迹看作是随机过程的样本。这一假设已经被大量使用在许多的研究领域。Franceschetti父子在研究城市蜂窝网的路径损耗时，就使用了随机射线和随机游动模型对电磁波信号的传播进行建模。事实上随机射线这种假设非常适合于脉冲信道。在短距离传播环境中，对UWB脉冲信号产生散射作用的物体非常丰富，例如大范围的建筑物结构( 门、墙壁、过道、屋檐) 、路灯、树丛、室内的物体( 如桌椅)，以及其他日常用品等。由于这些物体的形状一般不规则，或者说某些物体的表面不光滑， 这就使得脉冲信号在和这些物体发生反射、折射和绕射作用时，传播轨迹的取向极为复杂。由于脉冲信号在无线信道中的传播轨迹，可以用其传播路径上各个反射点的 3维坐标来表示，但事实上不可能确切地知道某一条具体射线真实的传播轨迹，因此可以使用一个随机过程来描述脉冲信号的传播轨迹。
假设发射机和接收机视为一个随机过程的两个端点，记多径分量的第i次反射点为Pi(x,y,z)，Pi(x,y,z)为一个随机变量。由各个Pi决定的一条传播路径可以看作是随机过程的样本(或轨道) ，这样就可以使用随机方法研究脉冲多径信道。尽管对于某一条具体的射线来说，这样处理会和实际情况不相符，但是由于脉冲信道中存在很多可分辨的多径分量，一般脉冲信道的可分辨多径分量有几十到数百条左右，这些多径分量往往不会互相重叠而相互散开。因此从统计意义上看，把脉冲信号的传播过程当作
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一个随机过程处理是合理的。使用随机过程来逼近 UWB脉冲射线的传播轨迹，给研究脉冲信道的建模工作带来了很多方便。因此，在研究脉冲无线信道时，如果把发射机和接收机当做一个随机过程的起点和终点，就可以把在信道中传播的脉冲多径信号的轨迹当作一个随机过程来处理。每一条射线都可以看作是该随机过程的一条轨道(或一个样本，一个实现)，一条特定的随机样本对应了不同的时延。在不同时延处的来波，是运动了不同时间的随机过程的样本函数。
针对脉冲信道的特殊传播性能，可使用基于随机分析的随机桥理论对脉冲信道进行建模。这种建模方法假设脉冲多径信号的传播路径为一个随机桥过程， 从信号在信道中的传播轨迹这一角度来研究脉冲信道， 以期获得对脉冲信道更为深入和全面的认识， 对脉冲无线通信系统的设计提供帮助。目前这种方法在脉冲无线信道研究领域取得一些研究成果。
最近在脉冲无线信道建模领域出现了一些新的研究方法。例如使用FDTD方法研究脉冲信号室内传播模型，使用UTD方法研究脉冲信号的时域传播特性，以及信息论方法对脉冲信道小尺度范围内的统计特性进行研究，这些新方法在研究脉冲信道特性的某些方面具有独到的作用。 4.4脉冲无线信道路径损耗模型
电磁波信号在传播过程中所经历的路径损耗是进行通信系统链路预算分析的一个基本参数。在脉冲无线信道路径损耗研究领域，目前已经取得了大量研究成果。IEEE802.15.3a官方机构公布的“信道建模小组委员会最终报告”，对UWB信道模型的研究成果进行总结，提出一个供推荐使用的UWB信道模型，包括路径损耗模型和多径传播模型。ITU—RTG1/8工作组正在研究并撰写UWB技术与其他无线通信设备兼容的建议与报告，研究干扰源与被干扰者之间的路径损耗，以及对路径损耗模型的参数值给出详细合理的解释或修正。
研究路径损耗模型的主要 目标， 是建立一个与工作环境和收发距离有关的通信链路预算模型， 对室内脉冲信号的功率覆盖进行预测， 以保证通信系统有足够的性能。目前许多研究者认为脉冲信道的路径损耗模型可以表示成：
PL(d)?PL0?10?lg(d/d0)?Y （ 10 ）
式中PL0，PL(d)分别为参考位置和接收机位置处的功率；Y~N(0,?2)，是由测量过程中各种随机因素以及阴影效应所产生的功率波动；各变量的单位均为dB,是路径损耗指数。式(10)假设在脉冲信道中存在对数正态阴影衰落效应，目前这个假设已经被普遍接受。可以发现，以式(10)描绘的脉冲信道路径损耗模型比较简单。使用式(10) 描述随机变量 y的分布规律时遇到了困难，因为该式没有充分考虑到脉冲无线信道特性对环境非常敏感的特点：随着发射机和接收机所在的环境发生变化，测量得
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到的数据的波动性会随之变化，而且这种变化会很大。如果对每一个具体环境进行实验测量，显然不切实际。由于需要使用路径传输损耗来估计脉冲系统对其他通信系统的干扰，以及估计被干扰系统的接收机接收到的来自脉冲发射机的信号功率,因此，寻找一种可靠易行的脉冲室内信道功率覆盖预测模型和预测方法，对于脉冲无线通信技术的发展至关重要。
在研究传统窄带无线信道的路径损耗时，通常使用多径分量的矢量叠加作为某个接收点处的场强值(一般使用电场强度作为衡量指标)。射线追踪法就是使用这种处理方法来预测某区域的场强分布。这种计算某个场点场强的方法，表现在窄带通信系统的实现上，相当于接收机有一个全向天线。这种处理，可以看作是在窄带通信系统中存在一种遍历性假设，即同一个发送信号在时延域内的多径分量的能量之和，等于该发送信号在某个时刻的多径分量的能量之和，等于该场点的场强值。由于遍历性假设成立的条件对于一般工程中遇到的问题都能够满足，因此，可以提出室内脉冲无线信道存在接收功率的遍历性假设：在发射机连续发送脉冲信号且不考虑码间干扰的情况下，在脉冲信道中某个场点接收到的信号能量，和在时延轴上扩展的多径分量能量的和相等。表现在脉冲无线通信系统的实现上，相当于在接收机处有一个全Rake接收机， 能够接收到在给定阈值下所有多径分量。这样，在得到接收信号的功率延迟分布以后， 通过求解功率对时延的积分，就可以得到场点的等效功率。计算某一条路径上各个场点的功率，就可以得到脉冲信道的功率一路径损耗关系，从而得到脉冲信道的路径损耗关系。这样一旦建立起计算脉冲信道路径损耗的算法，利用适当的地形地物数据库， 就可对信道中信号功率分布进行预测。 4.5脉冲无线信道多径传播模型 4.5.1 脉冲无线信道多径传播模型概述
最先被应用到 UWB脉冲传播信道中的模型是Saleh -Valenzuela 模型( 简称S-V模型)。S-V模型与802.11模型的主要区别在于，前者在每一个取样的时间间隔内不假设一定有路径到达，而是采用两个泊松分布来对路径到达时间进行建模。其中第一个泊松分布模型用于每个路径簇的第一条路径第二个泊松分布模型用于每一簇内的到达路径(射线)。随后△-K模型也被引入到脉冲无线信道的建模中来。在△K模型中，时间轴被分成间隔宽度为△的小段，在第l个小段内有路径的概率表示为Pl，若在前面的第l?1段中有路径存在，则概率P?K?l，否则P??l。与 S-V模型一样，该模型同样可以反映多径之间存在的簇现象。之后Intel公司提出一种 UWB脉冲信道模型，它是对 S-V模型的修改，使用对数正态分布而不是瑞利分布表示多径增益强度， 是因为对数正态分布能更好的拟合实测数据。该模型使用了与前述 s — V模型类似的定义，但要加上一个幅度对数正态衰落的标准偏差项。Cassioli等人在△-K模型的基础
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