摘要 對超寬帶通信室內修正S—V信道模型的進行仿真，在分析S—V信道模型的參數特點的基礎上，探討修正S—V信道模型的數學模型的建立方法，在CM4的非視距(NLOS)信道環(huán)境下，用Matlab進行仿真實驗，結果表明修正S—V信道模型更接近實際，比S—V信道模型具有更好的信道沖激響應特性，能夠更好地應用于超寬帶通信系統(tǒng)性能的信道傳榆特性研究。
關鍵詞 超寬帶；修正信道；Matiab仿真

    超寬帶(Ultrawideband，UWB)無線通信是一種能夠和其他通信系統(tǒng)共享頻譜資源的新型無載波通信技術。由于UWB信號的功率譜密度遠低于其他通信系統(tǒng)噪聲的容許門限，所以基本感覺不到UWB信號的存在，同時為恢復被嚴重干擾的UWB信號，超寬帶通信系統(tǒng)采用信號多次重傳的方式提高接收端的信噪比，以保證能夠實現信號的有效解調。又考慮到多址接入和保密性的需要，UWB系統(tǒng)為每個用戶分配一個惟一的偽隨機碼，利用這些偽隨機碼來調制不同用戶之間的數據信息，實現多用戶通信和提高通信系統(tǒng)的保密性。
    目前為止，人們對于超寬帶信號的傳播問題進行了大量測量，尤其是集中在室內環(huán)境信道下的測試較多，由于進行分析的數據量不足，對不同的測量不能進行統(tǒng)一的規(guī)范化，已有的超寬帶室內統(tǒng)計模型中較為著名的是S—V信道模型，這是一種描述多徑按簇分布的信道模型，文中進行仿真研究了修正S—V信道模型，保留原有S—V信道模型中多徑成簇到達和能量服從雙指數分布的特點，但修正S—V信道模型中每一徑的幅度不再服從瑞利分布，而是根據實測結果更加符合對數正態(tài)分布，成為研究超寬帶系統(tǒng)性能的更好的信道平臺。

1 信道測量技術
    由于UWB信號的射頻帶寬通常達到GHz量級，信號傳播特性與傳統(tǒng)的窄帶或寬帶連續(xù)波信號有著明顯的不同，特別在非視距環(huán)境下對超寬帶信道的測量、分析以及建模將不同于傳統(tǒng)的方法，如何獲得信道沖激響應是研究信道傳播特性的核心問題，因此信道測量是研究信道傳輸特性的基礎。
    超寬帶通信信道測量技術是利用適當的UWB信號來探索信道，主要有兩種測量方法，一是時域測量技術；二是頻域測量技術，該技術是利用矢量網絡分析儀，在指定頻帶上選擇若干等間隔的離散頻率點發(fā)射單頻信號，得到信道的時域沖激響應及統(tǒng)計量，UWB信道可以用一個時變的脈沖響應表示為
   
    其中，第n徑的參數an，τn，θn分別是幅度、時延、相位；N表示多徑數目。UWB信道也可以描述為頻域自回歸模型，表示為
   
    其中，bi是模型參數；p是模型階數；V(fn)是復白噪聲；H(fn，x)是位置x處復頻率響應的第n個抽樣。

2 信道數學模型的建立
2．1 S-V信道模型
    由于超寬帶技術主要應用于室內環(huán)境，所以人們對超寬帶信道的建模主要集中在室內環(huán)境。由于墻壁、家具、人等障礙物的存在，UWB脈沖通常會發(fā)生反射、衍射等現象，且發(fā)送端與接收端很少存在視距傳播路徑(LOS)，因此UWB室內傳播時的多徑現象嚴重且第一徑通常不具有最大能量。到目前為止，人們已經提出了多種UWB室內信道模型，如△-K模型、POCA-NAZA模型、S—V模型和IEEE802．15．3a室內標準信道模型等。目前普遍認可的對于室內超寬帶傳輸特性描述較好的是基于分簇方式的模型，該模型首先由Turin于1972年提出，后來Saleh和Valen zuela在對寬帶信號的研究中提出了進一步規(guī)范化的模型，得到了普遍認可，即S—V模型，基物理描述如下：多徑信號不是按著固定的速率均勻到達接收機，而是以簇(Cluster)的形式，分成一簇一簇地到達。S—V信道模型是一個統(tǒng)計模型，由實測數據建模而成，在該模型中，來自同一個脈沖的多徑分量以簇的形式到達接收機，簇到達時間被建模成一個速率為A的泊松過程
   
    其中，Tl與Tl-1分別表示第l簇和第l-1簇的到達時間。在不考慮空間傳播延遲的情況下，可以假設第一簇的到達時間等于零。每一簇內包含多個多徑分量，而且多徑分量的到達時間也被建模成一個到達速率為λ的泊松過程
   
    其中，τk,l與τ(k-1),l分別表示第l簇內的第k與第k-1條徑的到達時間。用βk,lexp(jθk,l)表示第l簇內的第k徑的復數衰減系數，則S—V信道模型的沖擊響應可表示為
   
    其中，Tl，l=0，1，2，…為第l個到達簇的到達時間，τk,l，k=0，1，2，…為第l個簇中到第k個到達射線的到達時間，T0=0為第一個到達簇的到達時間，τ0l=0為第l個簇中第一條射線到達時間，δ(·)為狄拉克沖激函數，θk,l為在[0，2π)均勻分布的隨機變量，|βk,l|為相互獨立且服從瑞利分布的隨機變量，其平均功率服從雙指數分布
   
    算中，為第l簇內的第k徑的平均功率；Γ為簇功率衰減因子；γ為多徑的功率衰減因子。雖然在該統(tǒng)計模型中多徑數目可以為無窮大，但是在實際測試中，當l或k比較大時，βk,l近似為零。
2. 2 修正S-V信道模型
    S—V模型是一個適合仿真研究使用的完整的多徑模型，但存在幾個問題，首先，S—V信道能夠準確地反應室內LOS環(huán)境的傳播規(guī)律，但對于NLOS環(huán)境的性能明顯不足；其次，模型無法準確預測特定環(huán)境的多徑傳播特性；最后，在實際應用中存在模型輸入參數獲取困難的問題。為與超寬帶實測實驗中得到的數據更吻合，802．15．3a工作組對S—V模型進行了一些修改，建議利用對數正態(tài)分布而不是瑞利分布來描述多徑增益幅度，第一簇內部各路徑之間是獨立的衰減機制，用另一個對數正態(tài)分布隨機變量表示總多徑增益的波動，簇和簇內路徑的到達時間分別是用獨立的泊松過程來描述，信道沖激響應的相位分別是0或π，因此不存在虛部分量，信道誤差系數采用實變量來代替原來的復變量。考慮到UWB信號脈沖經過電介質表面反射出現脈沖翻轉的概率是隨機的，假設θk,l等概率出現于±π，則修正后的信道模型沖激響應可以表示為
   
    其中，X表示陰影效應對應的對數正態(tài)衰落隨機變量，它反映了信號總能量的衰落，其分布為20lg10(Xi)～N(0，)，L是觀測到的簇的數目；K(l)是第l簇內接收到的多徑數目，αk,l是第l簇內第k條徑的幅度增益，可以表示為αk,l=Pk,lξlβk,l，此處Pk,l等概率地取±1，表赤由反射引起的信號反轉，ξl反應第l簇的衰減，βk,l對應第l簇內第k條徑的衰減，ξlβk,l也服從正態(tài)分布，即20lg10(ξkβk,l)～N(μk,l，)，此處的表示簇衰減系數的標準差，表示徑衰減系數的標準差，μk,l表示徑衰減系數的均值，可表示為
   
    其中，Ω0是第一簇第一徑的平均能量。

3 信道仿真及結果分析
    基于發(fā)射機和接收機的平均距離和是否存在視距分量，推薦4種不同的實測信道，CM1：視距(0～4 m)，CM2：非視距(0～4 m)，CM3：非視距(4～10 m)，CM4：非視距(4～10 m)，代表了極端的NLOS多徑信道環(huán)境。不同環(huán)境下的信道模型對應的參考值，如表1所示。

    在Matlab環(huán)境下建立仿真平臺進行仿真實驗，設定源參數為：數據長度(Data Length)為100 bit，脈沖持續(xù)時間(Impulse Duration)為0．5ns，抽樣間隔(SampleInterval)為0．05ns，周期(Period)為20 ns，信道為CM1-CM4，信道沖激響應(CIR)間隔為0．5ns，信噪比(SNR)取為5 dB，信道估計采用的訓練序列長度(Training Sequence Length)為10 bit，接收路徑數(RAKE Branch Number)為4，發(fā)射端發(fā)送BPSK信號，適于NLOS的CM3信道和CM4信道的信號平均每80 ns發(fā)送一次，通過仿真運行程序可以得到不同信道環(huán)境下的信道沖激響應，如圖1所示。

    對比CM1的LOS環(huán)境與CM4的NLOS環(huán)境下信號，可以看到LOS信道傳播環(huán)境中，多徑分量的數目較少、簇的數目明顯、信號比較好，而在NLOS環(huán)境下，由于傳播環(huán)境變差，多徑分量明顯增多，而且簇和簇的間隔不再明顯，隨著時間的增加多徑分量的幅度也在逐漸衰減。實際上室內環(huán)境下的UWB信號傳播時，往往存在多重障礙物，參考S—V／802．15．3a標準的CM4信道可以代表NLOS的惡劣的多徑信道環(huán)境，故選取CM4信道進行重點研究，發(fā)射端發(fā)送的UWB高斯窄帶脈沖信號在CM4環(huán)境下，設定信道響應間隔為0．5 ns信噪比為5 dB時通過S—V信道后得到的信號如圖2所示。

    在CM-4環(huán)境下仿真得到的信道估計與實際信道估計對比結果如圖3所示。

4 結束語
    超寬帶脈沖信號在室內傳播時的多徑現象很嚴重，文中對超寬帶信道模型在視距與非視距環(huán)境下存在的性能差異，經過實驗仿真表明，通過信道仿真結果分析了超寬帶信道的傳輸特點，證明了修正S—V信道模型能夠完好地反映超寬帶通信系統(tǒng)信道的傳輸特征，與實際的信道響應特性相吻合，是更為適合用于研究超寬帶通信系統(tǒng)的信道模型。