第四章超宽带信道模型

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rtstnt这里忽略收发天线对发送波形的微分作用，认为收发信端的脉冲波形相同。其中，为信道增益，为信道延时。信道增益的值由发射机和接收机之间的距离D和信道的功率衰减指数决定0cD0c01mD0这里，是是参考距离时获得参考增益的一个常数。01mDdB10lgTRAEE在时，信号的能量增益为，从而有dB20010AcDc83.10m/sc其中，c为真空中的光速（）。信道时延由接收机与发射机之间的距离D决定，表示为22在自由空间中，；在通常的非视线（NLOS）传播中，。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1Ntnnnrttsttntntnt和分别为第n条路径在时刻t的信道增益和信道时延Ntnt是在时刻t观察到的路径数，是接收机处的加性噪声。htrthtstnt，那么接收信号应该为设信道的冲激响应为（1）（2）ht1Ntnnnhtttt比较式（1）和式（2），显然，信道的冲激响应为在上式中，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1Nnnnhtt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。rms21NnNG222211rmsNNnnnnnnaaGG总多径增益均方根时延扩展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。具体的计算公式略。PDP时间S-V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。1-1nnTTnknke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：nT1nT和分别为第n簇和第n-1簇的到达时间k1k-1nnTTnknke在每一簇内，相继的多径分量的到达时间也服从速率为的泊松过程：nanknk在S-V模型中，第k簇第n径的增益为复随机变量，其模为相位为。，nknk0,2是统计独立、服从均匀分布的随机变量，即并假定是统计独立且服从瑞利分布的正随机变量，2222nknknknknke1,022nknk＜2200nknTnkeex式中，表示x的期望值，且00项表示第一簇第一条路径的平均能量，和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UWB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。11KnNnknnknkhtXtTIEEE推荐模型的信道冲激响应可以表示为2010gX幅度增益X为对数正态随机变量，可以表示为0g2g其中g是均值为、方差为的高斯随机变量1-1nnTTnknkek1k-1nnTTnknkenTnk簇、径到达时间变量和分别服从速率为和的泊松过程：nknknkp2010nkxnknknknnkx2222000222001010ln1010ln10ln1020nknknnknTnknnknkeeTnk信道系数g这样通过上面的讨论，可以得到用来确定IEEEUWB信道模型的参数如下簇平均到达速率脉冲平均到达速率簇的功率衰减因子簇内脉冲的功率衰减因子簇的信道系数标准偏差簇内脉冲的信道系数标准偏差信道幅度增益的标准偏差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。IEEEUWB信道参数值g33.39413.394112242.10.0667CM433.39413.39417.9142.10.0667CM333.39413.39416.75.50.50.4CM233.39413.39414.37.12.50.0233CM1(dB)(dB)(dB)(1/ns)(1/ns)信道UWB信道统计特性信道特性CM1CM2CM3CM4距离（m）0-40-44-10-----NLOS/LOSLOSNLOSNLOSNLOS平均过量延迟（ns）5.0510.3814.1827RMS延迟扩展（ns）5.288.0314.2825在峰值路径10dB以内的路径数13183540捕获能量占总能量85%时的路径数243661.5412500.511.522.53x10-7-2-1.5-1-0.500.511.52x10-3DiscreteTimeImpulseResponseTime[s]AmplitudeGain用IEEEUWB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。CM1信道的离散时间信道冲激响应00.511.522.53x10-7-1.5-1-0.500.511.5x10-3DiscreteTimeImpulseResponseTime[s]AmplitudeGain00.511.522.53x10-7-10-8-6-4-202468x10-4DiscreteTimeImpulseResponseTime[s]AmplitudeGain00.511.522.53x10-7-10-8-6-4-202468x10-4DiscreteTimeImpulseResponseTime[s]AmplitudeGainCM2信道CM3信道CM4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。本章结束