1、摘 要 1毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分
2、内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 摘 要 2摘 要超宽带（UWB：Ultra-Wideband）脉冲无线传输技术是国际上最近二、三十年正在蓬勃兴起的一种无线通信的革命性传输技术。UWB 技术具有传输速率高、系统容量大、抗多径干扰能力强、功耗和成本低等优点，已逐渐成为无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。为保证 UWB 信号在室内复杂环境传输的有效性和可靠性，必须要求我们准确掌握其信道特性，本文正是在此认识上完成 UWB室内信道模型的研究和 MATLAB 仿真分析。本主要对 UWB 室内信道模型进行了探讨和仿
3、真研究。文中首先简要介绍了超宽带的基本概念及特点，并对 UWB 信道的基本理论做了简要的介绍。在信道基本理论的介绍中重点介绍了时域测量技术及建模过程中的后期数据处理方法CLEAN 算法，以便于信道建模的仿真分析。针对 UWB 室内信道的特点，分析了现有的各种 UWB 室内信道模型，并且对 IEEE 802.15.3a 标准模型进行了 MATLAB 仿真分析，并且与南加州大学UWB 实验室实际信道测量得出的信道指标进行了比较，仿真结果表明 S-V 模型和 IEEE 802.15.3a 标准模型能够较好的拟合室内 NLOS 信道环境，但对室内 LOS 信道环境的性能尚显不足。而室内 LOS 半确定
4、模型（双簇模型）在 LOS 环境下能够很好的拟合实验数据。最后对本文所做的工作和结论进行了汇总，指出不足之处及改进方向。关键词 超宽带 UWB 信道模型 S-V 模型 MATLABABSTRACT 3ABSTRACTThe Ultra Wideband technology is one kind of revolutionary wireless communication technology emerged in recently 20 or 30 years in the world. For the advantage of high transmission speed, limi
5、t power wastage and low cost, UWB technology has became a hotspot gradually in wireless communication research and was considered a key technology of next wireless communication generation. In order to insure the validity and the reliability of the signals transmitted in the complex indoor environme
6、nt, the accurate characteristic of UWB indoor channel should be mastered. This article is in this understanding to complete the UWB indoor channel model and the MATLAB simulation.The principal of the UWB indoor channel model is discussed and simulation. The paper first briefly introduces the basic c
7、oncepts of UWB and characteristics, and gives a brief introduction for the basic theory of UWB channel. The basic theory of the channel focuses on the introduction of time-domain measurement and modeling in the process of post data processing method-CLEAN algorithm for modeling and simulation analys
8、is in the channel. For the UWB indoor channel characteristics of various existing UWB indoor channel model and the model for the IEEE 802.15.3a standard MATLAB simulation analysis, and the University of Southern California Laboratory of the actual UWB channel measurement indicators derived from the
9、channel comparison, simulation results show that the S-V model and the IEEE 802.15.3a standard model can fit the indoor NLOS channel environment, but on the indoor LOS channel environment of insufficient performance. LOS half to determine the indoor model (two-cluster model) in the LOS environment,
10、a good fit to experimental data.Finally, the paper work and this article summarizes conclusions, pointing out deficiencies and improvement.Key words Ultra Wideband UWB Channel model S-V model MATLAB目 录 I目 录目 录 .I第一章 绪论 .11.1 超宽带（UWB）无线通信技术概述 .11.2 UWB 技术的优点与主要应用 .21.3 UWB 信道与传统信道的比较 .31.4 UWB 信道模型的国
11、内外研究现状 .41.5 本章小结 .5第二章 信道的基本理论 .62.1 UWB 信号的传播特性 .62.2 信道测量技术 .72.3 后期数据处理方法 Clean 算法 .92.4 Clean 算法门限选择 .122.5 本章小结 .13第三章 超宽带室内信道模型 .143.1 简单的泊松模型 .143.2 修正的泊松模型 .143.3 模型 .15K-3.4 修正的 模型 .173.5 本章小结 .18第四章 超宽带室内多径传播参考模型 .194.1 UWB 多径传播模型 .194.2 S-V 模型 .194.3 修正的 S-V 模型 .224.4 本章小结 .31第五章 超宽带室内视距
12、环境多径传播模型 .325.1 超宽带室内视距环境多径传播模型 .325.2 室内 LOS 半确定多径模型 .335.3 本章小结 .35第六章 总结与展望 .376.1 结论 .376.2 展望 .37参 考 文 献 .38第 1 章 绪论 1第一章 绪论近年来，随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱资源日趋饱和。然而，人们对无线通信系统的要求仍在不断提高，希望其提供的数据传输速率更高、成本更低、功耗更小。在这样的背景下，超宽带（UWB，Ultra Wideband）技术引起了人们的重视，已逐渐成为无线通信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之
13、一。由于 UWB 技术的种种优点，UWB 技术通信系统获得了业界、媒体与学术界的极大重视，使其成为无线个人局域网络WPAN（Wireless Personal Area Network）的主要技术之一。1.1 超宽带（UWB）无线通信技术概述超宽带（UWB， Ultra Wideband）技术最早可以追溯到 100 年前波波夫和马克尼发明的越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带无线电，又称为冲激无线电（Impulse Radio， IR）技术，出现于 20 世纪 60 年代。超宽带技术出现之后的应用长期仅限于军事、灾害救援搜索、雷达定位及测距等领域。由于超宽带系统能够与其他窄带系统共享频带，从
14、 80 年代开始，随着频带资源的紧张以及对于高速通信的需求，超宽带技术开始应用于无线通信领域。超宽带技术在历史上还有一些其他的名称，如冲击雷达（Impulse Radar） 、基带脉冲、无载波技术等，这是因为在早期超宽带信号通常是不用正弦载波调制的窄脉冲，上述名称反映了当时超宽带信号的这个典型特点。2002 年，美国联邦通信委员会（FCC）发布了超宽带无线通信的初步规范，正式解除了超宽带技术在民用领域的限制。这是超宽带技术真正走向商业化的一个里程碑，也极大地激发了相关学术研究和产业化进程。FCC 对于超宽带信号的定义为任何相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于 20%或绝对带宽大于 500MH
15、z，并满足 FCC 功率谱密度限制要求的信号。这里中心频率和相对带宽表达式如下： （1.1）2/)(LHf中 心 频 率（1.2）/)(-LHf相 对 带 宽式中， 为能量功率谱密度的上限频率，GHz； 为能量功率谱密度的下限频率，Hf第 1 章 绪论 2GHz。这些特性让 UWB 系统明显不同于传统的窄带和宽带无线电系统以往的无线电系统的相对带宽不会超过 1%或带宽小于 20MHz，例如 2.4GHz 的 IEEE 802.11 无线局域网络等。1.2 UWB 技术的优点与主要应用UWB 信号由于带宽很宽和信号的持续时间为 ns 量级等特点，所以和其他通信技术相比较，UWB 技术有很多的优点
16、。具体如下： 潜在的支持高数据速率或系统容量的能力 定位精度高，探测能力强 共享频谱资源 穿透能力强 低截获、抗干扰、保密性好 低成本、低功耗表 1-1 列出 UWB 技术与其它无线局域网技术的比较。从图中可以看出，现有的无线技术802.11b 和蓝牙大部分可以实现 UWB 的功能，只是在速度上还远远未达到UWB 的传输速度。 表 1-1 UWB技术与其他通信技术的比较传输速率（ Mbit/s）功耗（mW ）传输距离（ m）频段（GHz）蓝牙 11-100 100 2.402-2.48IEEE.802.11b 11 200 100 2.4IEEE.802.11a 54 40-800 20 5I
17、EEE.802.11g 54 65 50 2.4UWB 4801103.1-10.6UWB 技术的主要应用如下： （1）短距离（10m 以内）高速无线多媒体智能局域网和个域网。 UWB 过去的应用主要是在军事领域，近些年来，随着技术的开放，UWB 应用遍及个人电脑，消费电子产品以及移动通信领域，可以将家庭，办公室，或者汽车中的电子设备连接起来，使得设备之间的互通更便捷。在家办公室中，各种计算机、外设和数字多媒体设备根据需要，利用 UWB 技术，在小范围内动态地组成分布式自组织（Ad Hoc）网络，协同工作，连接，传送高速多媒体数据，并可通过宽带网关，接入高速互联网或其带网络。这一领域第 1 章
18、 绪论 3将融合计算机、通信和消费娱乐业，被视为具有超过电话的最大市场发展潜力。如下图1-1 所示的无线连接的桌面设备。图1-1 无线连接的桌面设备（2）智能交通系统。UWB 系统同时具有无线通信和定位的功能，可以应用于智能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、智能网络、测速、监视等提供高性能、低成本的解决方案。（3）军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域。用做安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、穿墙成像、和入侵检测、医用成像、贮藏罐内容探测等。（4）传感器网络和智能环境。这种环境包括生活环境、生产环境、办公环境等，主要用于对各种对象（人和物）进
19、行检测、识别、控制和通信。1.3 UWB 信道与传统信道的比较传统的窄带和宽带带宽小于 20MHz，它的小尺度衰落分布服从 Rayleigh 分布或Rician 分布。在 UWB 系统中，UWB 信号的传播具有独特的特征：传输的信号的带宽至少要大于 500MHz，系统具有很高的多径分辨率，多径的数目则相对减少。下表 1-2 中列出了典型的超宽带信道与传统窄带信道参数的比较结果。根据文献报道的若干信道测量结果，表 1-2 列出了 UWB 信道的主要特征参数并与传统窄带信道进行了比较。由表 1-2 可见，UWB 信道的均方根时延扩展远小于窄带信道；由于 UWB 信号多径分辨率极高，多径信号衰落分布
20、不再服从 Rayleigh 分布，而演化为Nakagami、对数正态等分布；信号衰落范围只有 5dB 左右，远小于窄带信道；阴影衰落比窄带信道明显改善。这充分反映了 UWB 信号的抗衰落特征。第 1 章 绪论 4表 1-2 典型 UWB信道与传统窄带信道参数比较信道参数 传播环境 UWB 信道 窄带信道均方根时延扩展（ns） LOS 4-12 10-100均方根时延扩展（ns） NLOS 8-19 200衰落分布 LOS Nakagami、对数正态等分布 Rice衰落分布 NLOS Nakagami、对数正态等分布 Rayleigh路径损耗指数（dB） LOS 1.5-2 1-3路径损耗指数（
21、dB） NLOS 2.4-4 2.1-6阴影衰落标准差（dB） LOS 1.1-2.1 6-12阴影衰落标准差（dB） NLOS 2-5.9 6-12衰落范围（dB） 5 251.4 UWB 信道模型的国内外研究现状从 20 世纪 90 年代中期开始，美国南加州大学的 M.Z.Win、R.A.Scholtz 等人率先开始研究 UWB 脉冲在典型室内环境中的传播特征。2001 年，D.Cassioli、M.Z.Win 等人首先提出了一种基于时域窄脉冲测量方法得到的统计抽头延时线模型（STDL） ，其时间分辨率为 2ns，反映典型室内环境 1GHz 频段的信道传播特征，多径衰落服从纳卡伽米（Nak
22、agami）分布。UWB 技术向民用领域的开放极大地促进了 UWB 信道测量和建模工作的开展，测量频率范围延伸至 11GHz 甚至更高，测试环境涵盖了家庭、办公室、实验室、工厂等。根据测试结果，先后提出了频域自回归(AR)模型、 模型和修正的Saleh-Valenzuela （S-V）模型等一系列反映 UWB 特征的多径信道模型。Intel 公司的Jeff Foerster 等人根据 28GHz 频段测试数据提出的修正 S-V 模型是最具代表性的 UWB信道模型，其时间分辨率为 0.167ns，多径衰落分布服从对数正态（ Log-Normal）分布。该模型被 IEEE 确定为 IEEE 802
23、.15.3a 的标准信道。但同时 IEEE 也提出了 S-V 模型是一个参考模型，它还不能代表所有的信道环境，因此还需要对 UWB 信道模型进行进一步的研究。为改进现有超宽带信道模型中存在的上述问题，在美国南加州大学室内时域实测信道数据的基础上，通过理论统计分析，对现有的 S-V/IEEE 802.15.3a 模型进行了修正，提出了相应的 LOS 和 NLOS 环境多径传播模型。我国 UWB 无线技术的研发尚处在起步阶段，在信道测量及模型建立方面更是空白。第 1 章 绪论 5国家自然科学基金和“863” 计划己开始支持这方面的研究和开发工作，并已取得了初步进展。我国应该提出有自主知识产权的 U
24、WB 技术的理论和技术成果，以此为支撑制定自主的相关标准和规范，推动我国 UWB 产业化的发展，以便在激烈的国际市场竞争中取得应有的地位。1.5 本章小结本章主要对超宽带技术的基本概念进行了介绍，并对超宽带技术的优点和应用做了阐述，比较了超宽带技术和蓝牙技术以及 IEEE 802.11 系列在传输速率等方面的性能，更体现出了超宽带技术的显著优点和广泛的应用领域。其次，对 UWB 信道与传统窄带信道在相关信道参数方面进行了比较，充分反映了超宽带信号的抗衰落特性。最后介绍了UWB 信道模型的国内外研究现状。第 2 章 UWB 信道的基本理论 6第二章 信道的基本理论由于超宽带信号的射频带宽达到 G
25、Hz 量级，其信号传播特性也与窄带或宽带连续波信号（简称传统连续波信号）有明显不同，表现为：第一，信道的时间分辨率达到纳秒量级，换算到空间域，相当于信道可以分辨波程差为几厘米的多径分量。这使得多径信号在时间轴上呈现所谓色散现象，而不会产生所谓的瑞利多径衰落现象。第二，超宽带无线通信系统在时域极为的短暂的时间（通常是纳秒级）内将信号能量辐射出去，这使得超宽带信号表现为具有较强的穿透障碍物传播能力。由于超宽带信号传播所具有的上述两个特殊性质，使得对超宽带信道的测量、数据处理分析以及信道建模均与传统方法有所不同。2.1 UWB 信号的传播特性2.1.1 超宽带信号传播的弱衰落性在传统基于连续波的窄带
26、或宽带系统（信号带宽通常小于 20MHz）中，由于传输中信道的随机调制特性，使接受多径信号在幅度和相位上发生随机的变化，接受端信号进行相干叠加，这种叠加可以是建设性或破坏性的，从而导致信号的幅度产生剧烈的波动，也就是所谓的多径衰落。在基于脉冲的超宽带系统中，由于信号带宽通常大于 500MHz，时域脉冲信号宽度在纳秒级，所以通常基于脉冲的超宽带系统的接受多径信号是在时间轴上的分离排列的，即呈现所谓的色散现象。在室外传输环境中，多径信号基本不会叠加；在室内传输环境中，会有少量多径信号叠加或完全不叠加。这就决定了基于脉冲的超宽带系统接收信号幅度不会由于大量具有随机幅度和相位的多径信号叠加而产生剧烈的波动，即不会产生所谓的瑞利多径衰落现象。2.1.2 超宽带信号的强透射性在现有常用频段（如微波频段） ，传统连续波信号受障碍物遮挡，信号衰减明显，相应的透射信号由于强度较弱，常被忽略。然而，超宽带无线通信系统在时域极为短暂的时间（通常是纳秒量级）内将信号辐射出去，使得超宽带信号表现为具有较强的穿透障碍物传播能力。由于超宽带信号所具有的较强的穿透障碍物传播能力，使得其成为更加适合作为室
