摘 要： 采用了射線跟蹤與時(shí)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(shí)域電場強(qiáng)度?；诜抡婺Ｐ停?jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)模型基于大量測量數(shù)據(jù)，著重描述接收信號的時(shí)域統(tǒng)計(jì)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(shí)間，從早期的頻域" title="頻域">頻域模型[5]一直到最近的時(shí)域模型[6]。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用時(shí)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(shí)域波形。本文采用文獻(xiàn)[6]中的時(shí)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(shí)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(shí)域的超寬帶模型主要描述接收信號的時(shí)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(shí)域解，面對超寬帶信號會有計(jì)算量大且結(jié)果不精確的問題。針對此點(diǎn)，尋找信道的時(shí)域沖激響應(yīng)，直接從時(shí)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(shí)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(shí)域反射系數(shù)和時(shí)域繞射系數(shù)，此路徑發(fā)生反射或繞射時(shí)，描述時(shí)域波形的畸變情況。
1．1 時(shí)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(shí)域反射系數(shù)[6]。
1.2 模型仿真結(jié)果
將時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)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(jì)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(shí)場強(qiáng)與多徑信號時(shí)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(gè)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(gè)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(jì)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(shí)在每個(gè)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(shí)接收場強(qiáng)統(tǒng)計(jì)圖。兩徑接收時(shí)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(shí)，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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)域特征。對給定布局的室內(nèi)環(huán)境中一個(gè)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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