UWB信道冲激响应实验报告

综合课程设计之UWB无线信道冲击响应学号姓名班级指导老师目录一、UBW信道冲激响应原理 (4)1、UBW无线通信介绍 (4)2、UBW多径信道模型介绍 (5)3、UBW无线信道冲击响应原理 (5)二、UBW信道冲激响应仿真实现 (6)三、实验结果与分析 (13)四、小结 (14)一、UBW信道冲激响应原理1、UBW无线通信介绍超宽带无线通信是使用微弱的，持续时间极短的脉冲进行短距离通信。

一般脉冲持续时间为0.2ns到1ns，因此脉冲序列不必转换成较高的载波频率进行传输，而是直接利用纳秒至皮秒级的窄脉冲形式传输。

这种方式占用带宽非常之宽，具有G量级带宽。

信号占空比极低，每个信号间出现较长的无信号状态，让每个频道脉冲反应能逐渐衰减至零，并将字符间干扰降至可忽略的程度，所以它有很好的多径免疫能力。

一般认为，如果一个信号的带宽相对于载波中心频率或中心频率来说较宽，即相对带宽很大，那么这个信号就是UWB信号。

更一般的定义来自于雷达领域，规定只要一个信号在10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，则这个信号就是超宽带信号。

传统上，UWB信号是通过很窄的脉冲来获得的，这项技术目前已经在雷达系统中广泛应用，称其为脉冲无线电（IR）。

这种脉冲传输的特点是，通过对非常窄的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。

由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点：（1）系统结构的实现比较简单（2）高速的数据传输（3）功耗低（4）安全性高(5)多径分辨能力强。

超宽带技术在通信、雷达和无线定位等领域都将有广阔的应用前景。

近年来，人们对超宽带技术深入的研究使超宽带技术在系统理论、天线、功率放大器、脉冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了重大进步。

超宽带的未来研究重点是利用超宽带技术可以提供高数据率传输的能力与定位功能；利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能；超宽带信号具有很低的辐射功率，类似白噪声频谱，难以检测，具有低干扰、低截获概率特性的应用领域。

2、IEEE802.15.3a推荐的UBW信道模型介绍对室内信道模型的最初研究可追溯到1959年，从那时起，已经提出了多个用于室内窄带传输模型。

针对超宽带信道的情况，也进行了多次室内传播测量实验，提出了许多不同的信号模型，其中包括它们的信道测量时延环境、数据描述、路径损耗模型、多径模型等。

IEEE信道模型委员会最终决定采用基于簇方式的模型，该模型首先由Turin等人提出。

后来由Saleh和Valenzuela在对室内多径传播进行统计建模这一开创性工作中进一步规范化，即S-V信道模型，但是其在测量时使用的信号类似于低功率雷达脉冲，并不是专门为UWB设计的，为了与在UWB测量实验中得到的数据更加的吻合，IEEE工作组对S-V信道模型进行了一些修改，得到了IEEE802.15.3a的标准信道模型。

1、S-V 信道模型Saleh 和Valenzuela 提出了用于不同室内无线系统仿真和分析的室内无线信道统计模型。

这一模型被证实和测量结果一致，并可以通过调整参数扩展到其它的建筑物。

该模型主要用四个参数来描述不同的环境：簇到达速率、每簇中脉冲到达的速率、簇衰落因子和脉冲衰落因子。

S-V 模型假定多径成簇到达，在一簇里，多径增益幅度是一个独立瑞利随机变量，并有一个随着传播衰减和时延而指数衰减的变量。

多径中一径的相位角是一个在[0，2π]之间均匀分布的独立随机变量。

到达时间变量构成到达速率的泊松过程，簇的表达式和建筑物结构有关，一簇内的多径是由发送和接收附近物体的多次反射组成。

该模型仿真时比较简单，而且对被测信道模拟比较准确，已经成功的应用在办公室环境中，但是在一些复杂室内环境中采集数据就不行了。

2、IEEE802.15.3a 的标准信道模型在最初的S-V 模型中幅度统计是服从瑞利分布的。

然而，在UWB 信道的测试中发现幅度的分布更符合对数正态分布。

因此，IEEE802.15.3a 工作组对其子委员会在2002年11月提交的UWB 信道模型稍作改进，规定了幅度是对数分布的，并用另外个对数正态随机变量表示总的多径信道增益的波动。

这个信道模型被假定在观察期间是静止的。

IEEE 模型的信道冲激响应可以表示为：()01()()K n Nnkn nk n k h t Xt T αδτ===--∑∑ （2.1）其中，X 代表对数正态分布的信道增益的变化；N 代表观测到的簇的数目；()K n 代表第n 簇中接收到的多径数目；nk α代表第n 簇中第k 条路径的系数；nT 表示第n 簇的到达时间，n k τ是第n 簇中第k 条路径的时延。

信道系数nk α可以定义为nk nk nkp αβ=（2.2）上式中，nk p 为以等概率取+1和-1的离散随机变量，nk β是第n 簇中第k 条路径的服从对数正态分布的信道系数，nk β可以表示为2010nkx nk β= （2.3）其中，nk x 是均值为nk μ、标准差为nk σ的高斯随机变量，特别的，nk x 可以进一步分解为nk nk n nkx μξζ=++ （2.4）其中n ξ和nk ζ为两个高斯随机变量，分别表示每簇和每个分量的信道系数的变化，我们分别用2ξσ和2ζσ表示n ξ和nk ζ的方差。

另外，利用簇幅度和簇内每个多径分量的幅度都服从指数衰减的特点，可以得到nk μ的值：2222200022200|||10|||10ln(||)1010()ln 10ln 1020nk nk n nknT nk n nk nk e eT τμξζγξζββτβσσγμ++-Γ==--+Γ⇒=-（2.5）对每个实现，nk β项包含的总能量必须归一化为单位能量，即()211||1K n N nkn k β===∑∑（2.6）根据S-V 模型，到达时间变量n T 和n k τ分别为到达速率为Λ和λ的泊松过程。

幅度增益X 为对数正态随机变量：2010gX =（2.7）其中g 是均值0g 、方差为2g σ的高斯随机变量。

0g 值取决于平均多径增益G ，它是在观测位臵测量得到的，即有；20ln 1010ln ln 1020g G g σ=-（2.8）对于给定的平均衰减指数γ，G 可以功过下式确定0G G Dγ=（2.9）其中0G 是距离D =1m 时的参考功率增益，γ是能量或功率衰减指数。

根据上面的定义，当下面的参数明确后，冲激响应式表示的信道模型就可以完全表征出来：☑簇平均到达速率Λ； ☑脉冲平均到达速率λ； ☑簇的功率衰减因子Γ； ☑簇内脉冲的功率衰减因子γ； ☑簇的信道系数标准偏差ξσ； ☑簇内脉冲的信道系数标准偏差ζσ； ☑信道幅度增益的标准偏差g σ。

IEEE 给出了上述参数的一组参考值，这些值符合提交给IEEE 的一些测量结果。

IEEE 给出了不同环境下的参考值如下3、UBW 无线冲激响应室内信道传播的主要特点是：由于发射机和接收机之间存在多条传播路径，发射信号传播之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：()1()()(())()N t nn n r t at p t t n t τ==-∑ （2.10）其中，()n a t 和()n t τ分别是第n 条路径时刻t 的信道增益和信道时延，()N t 是时刻t 观测到的路径数，()n t 是接收机处的加性噪声。

式（2.9）说明，信道可以由()N t 、()n a t 和()n t τ完全表征。

从上式中可以得到信道的冲激响应，可以写成：表1——IEEE UWB 信道模型的参数设置属性 方案Λ（1/ns ）λ(1/ns) Γγ ξσ ζσ g σCase1:LOS （0~4m ） Case2:NLOS （0~4m ） Case3:NLOS （4~10m ）Case4：极限LOS （0~4m ）0.0233 0.4 0.06670.0667 2.5 0.5 2.1 2.17.1 5.5 14 244.36.77.9 123.39413.3941 3.3941 3.39413.39413.3941 3.3941 3.39413 3 3 3()()()()r t s t h t n t =*+ （2.11） 其中1()()()Nnnn h t a t n t δτ==-+∑，()t δ是Dirac 数。

在式（2.9）中，考虑了发射机和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。

而通常情况下，我们认为信道的变化速率与脉冲速率相比很慢。

我们假定在观测时间T （T 大于脉冲平均重复周期）内信道是稳定的。

在这样的假设下，式（2.9）可以表示为：1()()()Nnn n r t ap t n t τ==-+∑ （2.12）信道冲激响应可写为：1()()Nnnn h t a t δτ==-∑ （2.13）上式即为著名的Truin 模型。

这种信道假定表征信道的所有参数都是服从特定分布的随机变量。

所以我们需要知道关于信道增益n a 、脉冲到达时间n τ以及路径数N 的统计信息，他们可以在接收端得到。

但是，在应用于冲激无线电时，式（2.12）表示的模型因为没有考虑脉冲在反射或穿透障碍物时其形状的变化，从而致使这个模型存在较大缺陷。

脉冲的形状应与传播路径有关，不同的传播路径有不同的冲激响应。

因此，接收信号应表示为：1()()()Nnn n n r t ap t n t τ==-+∑ （2.14）这里，一个特定的脉冲波形()n p t 与路径n 对应。

二、UBW 信道冲激响仿真实现UBW 信道冲激仿真实现由五部分组成，步骤零，包括表征信道冲激响应的基本参数，用户可以选择观察时间OT （以秒为单位）、等效的离散时间冲激响应的时间分辨率ts ，以及表征模型的统计参数的值，即簇到达速率LAMBDA 、脉冲到达速率lambda 、簇衰减因子GAMMA 、脉冲衰减因子gamma 、簇衰落的标准差sigma1、簇内多径分量幅度变化的标准差sigma2、对数-正态多经增益标准差sigmax。

另外用户也可以选择参数rdt和PT控制多径分量的个数，最后是G，当需要图形输出时设定为1。

步骤一和步骤二完成对多径分量的编码。

特别地，步骤一主要产生观测时间内每个簇到达时间。

步骤二在步骤一确定的簇的基础上产生多径分量。

步骤三推导出等效的离散时间冲激响应。

可以通过将所有落入同时间仓ts内的多径分量相加得到的。

最后将信道连续时间冲击响应的和离散时间冲激响应都进行能量的归一化，再利用均值式所确定的对数-正态随机变量X对ho和hf进行尺度变化，从而实现对数-正态阴影。

步骤四是对连续时间和离散时间冲激响应画图。