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" title="超寬帶">超寬帶信號仿真模型" title="仿真模型">仿真模型,，用以分析和描述超寬帶信號經(jīng)室內(nèi)多徑" title="多徑">多徑環(huán)境傳播后的時域電場強(qiáng)度,。基于仿真模型,，計算了超寬帶信號的室內(nèi)場強(qiáng)分布，針對RAKE接收機(jī)可利用多徑信息的特點(diǎn),，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)選取接收徑數(shù)可以取得接收效果與接收機(jī)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(qiáng)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(diǎn)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[1],，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)模型中，又有將模型的參數(shù)以隨機(jī)變量表示的統(tǒng)計模型[2~3]、結(jié)合射線法和一致性繞射理論(UTD)的確定信道模型[4],。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" title="頻域">頻域模型[5]一直到最近的時域模型[6]。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用時域的UTD理論和射線跟蹤算法" title="跟蹤算法">跟蹤算法,，實(shí)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(xiàn)[6]中的時域分析方法,，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室已有的基于射線法的電波傳播仿真軟件,，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(qiáng)度的分布特點(diǎn)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[5],。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(diǎn),，尋找信道的時域沖激響應(yīng)，直接從時域進(jìn)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(diǎn)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(qiáng)度,，模型具體形式如下：
(1)式中L是路徑總數(shù)，n表示某一條路徑,。接收電場強(qiáng)度E(t)是每路徑響應(yīng)的和,，Ein(t)是發(fā)射信號電場強(qiáng)度，
是發(fā)生繞射前的球面波擴(kuò)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)
是頻率的函數(shù),，所以反射系數(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)[6]。
1.2 模型仿真結(jié)果
將時域分析方法應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行仿真,。仿真所用時域信號采用二階高斯脈沖w(t)[6]。
(4)式中脈沖寬度τ=0.11ns,，波形延遲Tc=0.5ns,。脈沖波型如圖1所示。
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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(diǎn)，高2m,，垂直極化發(fā)射,。為計算超寬帶信號的室內(nèi)電場強(qiáng)度分布，在II室沿X,、Y方向每隔0.2m設(shè)置接收點(diǎn),，每接收點(diǎn)高1.2m，共設(shè)置了380點(diǎn),。接收點(diǎn)提取z方向極化的電場強(qiáng)度,。圖3給出了有代表性的三種情況，分析接收點(diǎn)處時域信號場強(qiáng)相對發(fā)射信號的歸一化值,。如圖2所示,，接收點(diǎn)1在直射路徑可到達(dá)的區(qū)域，點(diǎn)2在只有反射和繞射路徑到達(dá)的區(qū)域,，點(diǎn)3在只有經(jīng)過繞射和多次反射的路徑才能到達(dá)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(dá),，且信號最強(qiáng),，在全部多徑信號中占絕大部分能量；沒有直射路徑時,，場強(qiáng)最大信號未必最先到達(dá),，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(dá)的區(qū)域,，最強(qiáng)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(qiáng)非常弱。
2 超寬帶信號室內(nèi)場強(qiáng)分布特點(diǎn)
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(jìn)行多徑接收的RAKE接收方案備受關(guān)注。RAKE接收機(jī)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(qiáng)度分布，分析了獲取單徑信號時場強(qiáng)與多徑信號時場強(qiáng)的區(qū)別,，為超寬帶接收機(jī)做多徑接收提供參考,。為分析超寬帶室內(nèi)電場分布特點(diǎn)，選取接收脈沖的電場強(qiáng)度,，所有數(shù)據(jù)相對發(fā)射信號強(qiáng)度歸一化,。在此基礎(chǔ)上，對每個接收點(diǎn)的多徑信號選取脈沖場強(qiáng)最大的路徑,，得到單徑接收情況下II室脈沖電場強(qiáng)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(qiáng)最大，達(dá)到0.14以上,，其次一次反射路徑能到達(dá)的區(qū)域場強(qiáng)較強(qiáng),，剩下的大部分區(qū)域以多次反射路徑和繞射路徑為主，歸一化場強(qiáng)在0.02以下,。為更好地描述整個區(qū)域上的場強(qiáng)分布,，筆者做接收點(diǎn)信號場強(qiáng)統(tǒng)計圖，如圖5所示,，橫坐標(biāo)是接收信號歸一化場強(qiáng),，縱坐標(biāo)是達(dá)到此場強(qiáng)接收點(diǎn)所占的百分比。
從圖5看出,，在這種仿真環(huán)境,，單徑接收情況下，歸一化場強(qiáng)大于0.05的接收點(diǎn)僅占全部的22.6%,。半數(shù)接收點(diǎn)場強(qiáng)在0.025以下,，整體信號很弱,。這是因?yàn)樘炀€設(shè)置在房間外，房間內(nèi)直射范圍很小,，大部分點(diǎn)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強(qiáng)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(qiáng)幾徑信號的電場強(qiáng)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。
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圖6是兩徑接收時在每個接收點(diǎn)疊加最強(qiáng)兩徑場強(qiáng)的分布圖,。與圖4比較可以看出,，多徑接收對室內(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(qiáng)統(tǒng)計圖,。兩徑接收時歸一化場強(qiáng)大于0.05的接收點(diǎn)達(dá)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(qiáng)大于0.05的接收點(diǎn)達(dá)到75.8%，大于0.1的接收點(diǎn)也達(dá)到24%,，整個房間的信號覆蓋性能得到很大提升,；觀察六徑接收的結(jié)果，歸一化場強(qiáng)大于0.05的接收點(diǎn)達(dá)到83.7%,，大于0.1的接收點(diǎn)達(dá)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(jī)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(dá)到接收效果與接收機(jī)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,，模型能較準(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(qiáng)分布進(jìn)行了分析,，針對RAKE接收機(jī)可接收多徑信息的特點(diǎn),，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,。
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