超寬帶信號室內(nèi)場強分布

　　摘要：采用了射線跟蹤與時域分析相結(jié)合的室內(nèi)超寬帶信號仿真模型，用以分析和描述超寬帶信號經(jīng)室內(nèi)多徑環(huán)境傳播怕的時域電場強度�；�于仿真模型，計算了超寬帶信號的室內(nèi)場強分布，針對RAKE接收機可利用多徑信息的特點，比較了多徑接收相對于單徑接收的改善效果。結(jié)果表明，適當(dāng)選擇取接收徑數(shù)可以取得接收效果與接收機復(fù)雜度的綜合最優(yōu)效果，這對超寬帶室內(nèi)通信具有參考意義。

　　關(guān)鍵詞：超寬帶 時域模型 室內(nèi)場強分布

　　超寬帶技術(shù)以其顯著的帶寬和優(yōu)異的時間分辨力，在信道容量和抗多徑性能上明顯優(yōu)于目前的窄帶通訊技術(shù)，從而引起廣泛的關(guān)注。超寬帶技術(shù)的高速發(fā)展需要對超寬帶信號室內(nèi)傳輸特性有更深入的了解，所以構(gòu)建室內(nèi)模型十分重要。研究超寬帶室內(nèi)信道模型的主要思路在于重點考慮路徑損耗、陰影衰落和多徑信號的影響。路徑損耗和陰影衰落可以綜合為關(guān)于傳輸距離的路徑損耗模型，多徑影響可以歸納為關(guān)于時間的沖擊響應(yīng)模型。而沖擊響應(yīng)型中，又有將模型的參數(shù)以隨機變量表示的統(tǒng)計模型、結(jié)合射線法和一致性繞射理論（UTD）的確定信道模型。統(tǒng)計模型基于大量測量數(shù)據(jù)，著重描述接收信號的時域統(tǒng)計特性；確定信道模型偏向于給出接收端波形的確定解。

　　 UTD理論被用于超寬帶研究已有較長一段時間，從早期的頻域模型一直到最近的時域模型。文獻應(yīng)用時域的UTD理論和射線跟蹤算法，實現(xiàn)了對超寬帶室內(nèi)多徑的詳盡描述，并得到了接收信號不同極化的電場時域波形。本文采用文獻中的時域分析方法，結(jié)合本實驗室已有的基于射線法的電波傳播傳真軟件，仿真給定的室內(nèi)環(huán)境，主要研究超寬帶信號室內(nèi)電場強度的分布特點和多徑接收帶來的效果改善。

　　1 射線法和時域分析相結(jié)合的室內(nèi)多徑仿真模型

　　室內(nèi)多徑環(huán)境下，研究的接收信號主要包括直射波、反射波和繞射波。時域的超寬帶模型主要描述接收信號的時域特性，特別是波形在傳播過程中的形變。對此可以先構(gòu)建傳統(tǒng)的頻域模型，經(jīng)傅立葉逆變換或矩陣方法得到。但這種方法需要足夠的頻域信息才能得到盡可能精確的時域解，面對超寬帶信號會有計算量大且結(jié)果不精確的問題。針對此點，尋找信道的時域沖激響應(yīng)，直接從時域進行求解將是更有效更精確的解決方案。本文所介紹的仿真模型，重點描述室內(nèi)環(huán)境因素的影響，沒有引入收發(fā)天線的響應(yīng)。模型應(yīng)用反射、繞射的時域反射系數(shù)，結(jié)合射線跟蹤算法分析出的多徑信息，得到超寬帶信號經(jīng)室內(nèi)傳播的電場強度，模型具體形式如下：

　�。�1）式中L是路徑總線，n表示某一條路徑。接收電場強度E（t）是每路徑響應(yīng)的和，Ein(t)是發(fā)射信號電場強度，是發(fā)生繞射前的球面波擴散系數(shù)，sn是發(fā)生繞射前的傳播距離。rn(t)、dn(t)分別是時域反射系數(shù)和時域繞射系數(shù)，此路徑發(fā)生反射或繞射時，描述時域波形的畸變情況。

　　1．1 時域反射、繞射系數(shù)

　　在有損介質(zhì)中，相對介電常數(shù)εR=εr+120πσ(c/jw)是頻率的函數(shù)，所以所射系數(shù)與頻率有關(guān)。對頻域反射系數(shù)作適當(dāng)變換，得到時域反射系數(shù)。

　　介質(zhì)面的夾角。

　　根據(jù)時域UTD理論，對繞射系數(shù)中包含頻率分量的參量進行變換，得到時域繞射系數(shù)。

　　d垂直，平行（t）=d1(t)+d2(t)+r垂直，平行×（d3(t)+d4(t)）

　　最小整數(shù)解，β0是入射線與棱的夾角，φ、φ’是入射、繞射線與兩面的夾角，L是與距離有關(guān)的常數(shù)。觀察得到的繞射系數(shù)，除菲涅耳過渡函數(shù)f外與頻域的形式完全相同。

　　1．2 模型仿真結(jié)果

　　將時域分析方法應(yīng)用于本實驗室已有的射線跟蹤算法的軟件中，對簡單情況的室內(nèi)傳播進行仿真。仿真所用時域信號采用二階高斯脈沖w(t)。

　　（4）式中脈沖寬度τ=0.11ns，波形延遲Tc=0.5ns。脈沖波形如圖1所示。

　　仿真環(huán)境如圖2所示，房間高3m,天花板、地板和墻壁的電參數(shù)εr=5,σ=0.7。發(fā)射信號在I室A點，高2m，垂直極化發(fā)射。為計算超寬帶信號的室內(nèi)電場強度分布，在II室沿X、Y方向每隔0.2m設(shè)置接收點，每接收點高1.2m，共設(shè)置了380點。接收點提以z方向極化的電場強度。圖3給出了有代表性的三種情況，分析接收點處時域信號場強相對發(fā)射信號的歸一化值。如圖2所示，接收點1在直射路徑可到達的區(qū)域，點2在只有反射和繞射路徑到達的區(qū)域，點3在只有經(jīng)過繞射和多次反射的路徑才能到達的區(qū)域。

　　比較圖3可以看出，在直射區(qū)域，直射路徑最先到達，且信號最強，在全部多徑信號中占絕大部分能量；沒有直射路徑時，場強最大信號未必最先到達，其他多徑信號所占能量比例增大；在只有繞射和多次反射路徑到達的區(qū)域，最強路徑相對其他路徑的信號已沒有很大差距，全部接收信號場強非常弱。

　　2 超寬帶信號室內(nèi)場強分布特點

　　超寬帶脈沖信號具有優(yōu)異的時間分辨力，從而能較方便地提取多徑信息，因此可進行多徑接收的RAKE接收收方案備受關(guān)注。RAKE接收機可依據(jù)需要調(diào)整接收徑數(shù)，將多徑信號能量疊加以改善接收性能。本文計算了超寬帶信號室內(nèi)傳播的電場強度分布，分析了獲取單徑信號時場強與多徑信號時場強的區(qū)別，為超寬帶接收機做多徑接收提供參考。為分析超寬帶室內(nèi)電場分布特點，選取接收脈沖的電場強度，所有數(shù)據(jù)相對發(fā)射信號強度歸一化。在此基礎(chǔ)上，對每個接收點的多徑信號選取脈沖場強最大的路徑，得到單位接收情況下II室脈沖電場強度分布圖，如圖4所示。從圖4可看出，左上部有通過門的直射路徑，接收信號場強最大，達到0.14以上,其次一次反射路徑能到達的區(qū)域場強較強,剩下的大部分區(qū)域分多次反射中徑和繞射路徑為主,歸一化場強在0.02以下。為更好地描述整個區(qū)域上的場強分布，筆者做接收點信號場強統(tǒng)計圖，如圖5所示，橫坐標(biāo)是接收信號歸一化場強，縱坐標(biāo)是達到場強接收點所占的百分比。

　　從圖5所示，在這種仿真環(huán)境，單徑接收情況下，歸一化場強大于0.05的接收點僅占全部的22.6%.半數(shù)接收點場強0.025以下，整體信號很弱。這是因為天線設(shè)置在房間外，房間內(nèi)直射范圍很小，大部分點接收的都是多次反射和繞射路徑。

　　為了在多徑環(huán)境下改善系統(tǒng)性能，將不同路徑的接收信號累加起來，利用多徑現(xiàn)象提高總的接收信號度。下面分析多徑接收對室內(nèi)覆蓋性能的改善。所用方法是將最強幾徑信號的電場強度模值直接相加，旨在比較多徑接收帶來的變化，結(jié)果如圖6所示。

　　圖6 是兩徑接收時在每個接收點疊加最強兩徑場強的分布圖。與圖4比較可以看出，多徑接收到室內(nèi)信號覆蓋性能有較大改善。圖7給出了二、五、六徑接收時接收場強統(tǒng)計圖。兩徑接收時歸一化場強大于0.05的接收點達到42.37%，改善接近一倍；五徑接收時，較單徑和兩徑已有明顯提高，歸一化場強大于0.05的接收點達到75.8%，大于0.1的接收點也達到24%，整個房間的信號覆蓋性能得到很大提長；觀察六徑接收的結(jié)果，歸一化場強大于0.05的接收點達到83.7%，大于0.1的接收點達到27.6%。比較五徑接收效果的改善，六徑接收帶來的提高就相對有限，當(dāng)繼續(xù)增加徑數(shù)時這一現(xiàn)象也更為明顯。隨著接收徑數(shù)的增加，接收機復(fù)雜度也會相應(yīng)提高，所以適當(dāng)選取接收徑數(shù)可達到接收效果與接收機復(fù)雜度的綜合最優(yōu)效果。

　　本文介紹了一種射線跟蹤與時域分析結(jié)合的仿真模型，并用此模型仿真了給定布局的室內(nèi)環(huán)境。從仿真結(jié)果看，模型能校準(zhǔn)確地描述接收信號的時域特征。對給定布局的室內(nèi)環(huán)境中一個房間的信號場強分布進行了分析，針對RAKE接收機可接收多徑信息的特點，比較了多徑接收對信號覆蓋性能的影響。仿真結(jié)果表明，一定程度的多徑接收能明顯改善室內(nèi)信號覆蓋。本文所得結(jié)果對超寬帶室內(nèi)通信具有參考意義。

作者：閆 巖 王 薔 杜正偉 來源：電子技術(shù)應(yīng)用