超寬帶技術以其顯著的帶寬和優異的時間分辨力，在信道容量和抗多徑性能上明顯優于目前的窄帶通訊技術，從而引起廣泛的關注。超寬帶技術的高速發展需要對超寬帶信號室內傳輸特性有更深入的了解，所以構建室內模型十分重要。研究超寬帶室內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于傳輸距離的路徑損耗模型^[1]，多徑影響可以歸納為關于時間的沖擊響應模型。而沖擊響應模型中，又有將模型的參數以隨機變量表示的統計模型^[2~3]、結合射線法和一致性繞射理論(UTD)的確定信道模型^[4]。統計模型基于大量測量數據，著重描述接收信號的時域統計特性；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^[6]應用時域的UTD理論和射線跟蹤算法" title="跟蹤算法">跟蹤算法，實現了對超寬帶室內多徑的詳盡描述，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^[6]中的時域分析方法，結合本實驗室已有的基于射線法的電波傳播仿真軟件，仿真給定的室內環境，主要研究超寬帶信號室內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合的室內多徑仿真模型
　　室內多徑環境下，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。對此可以先構建傳統的頻域模型，經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果不精確的問題。針對此點，尋找信道的時域沖激響應，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，重點描述室內環境因素的影響，沒有引入收發天線的響應。模型應用反射、繞射的時域反射系數，結合射線跟蹤算法分析出的多徑信息，得到超寬帶信號經室內傳播的電場強度，模型具體形式如下：
　　
　　(1)式中L是路徑總數，n表示某一條路徑。接收電場強度E(t)是每路徑響應的和，E_in(t)是發射信號電場強度，是發生繞射前的球面波擴散系數，sⁿ是發生繞射前的傳播距離。r_n(t)、d_n(t)分別是時域反射系數和時域繞射系數，此路徑發生反射或繞射時，描述時域波形的畸變情況。
1．1 時域反射、繞射系數
　　在有損介質中，相對介電常數是頻率的函數，所以反射系數與頻率有關。對頻域反射系數作適當變換，得到時域反射系數^[6]。

1.2 模型仿真結果
　　將時域分析方法應用于本實驗室已有的射線跟蹤算法的軟件中，對簡單情況的室內傳播進行仿真。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T_c=0.5ns。脈沖波型如圖1所示。

?

　　仿真環境如圖2所示，房間高3m，天花板、地板和墻壁的電參數ε_r=5，σ=0.7。發射信號在I室A點，高2m，垂直極化發射。為計算超寬帶信號的室內電場強度分布，在II室沿X、Y方向每隔0.2m設置接收點，每接收點高1.2m，共設置了380點。接收點提取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域，點2在只有反射和繞射路徑到達的區域，點3在只有經過繞射和多次反射的路徑才能到達的區域。

　　比較圖3可以看出，在直射區域，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 超寬帶信號室內場強分布特點
　　超寬帶脈沖信號具有優異的時間分辨力，從而能較方便地提取多徑信息，因此可進行多徑接收的RAKE接收方案備受關注。RAKE接收機可依據需要調整接收徑數，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。為分析超寬帶室內電場分布特點，選取接收脈沖的電場強度，所有數據相對發射信號強度歸一化。在此基礎上，對每個接收點的多徑信號選取脈沖場強最大的路徑，得到單徑接收情況下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域場強較強，剩下的大部分區域以多次反射路徑和繞射路徑為主，歸一化場強在0.02以下。為更好地描述整個區域上的場強分布，筆者做接收點信號場強統計圖，如圖5所示，橫坐標是接收信號歸一化場強，縱坐標是達到此場強接收點所占的百分比。
　　從圖5看出，在這種仿真環境，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%。半數接收點場強在0.025以下，整體信號很弱。這是因為天線設置在房間外，房間內直射范圍很小，大部分點接收的都是多次反射和繞射路徑。
　　為了在多徑環境下改善系統性能，將不同路徑的接收信號累加起來，利用多徑現象提高總的接收信號強度。下面分析多徑接收對室內覆蓋性能的改善。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，多徑接收對室內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升；觀察六徑接收的結果，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，當繼續增加徑數時這一現象也更為明顯。隨著接收徑數的增加，接收機復雜度也會相應提高，所以適當選取接收徑數可達到接收效果與接收機復雜度的綜合最優效果。
　　本文介紹了一種射線跟蹤與時域分析結合的仿真模型，并用此模型仿真了給定布局的室內環境。從仿真結果看，模型能較準確地描述接收信號的時域特征。對給定布局的室內環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。仿真結果表明，一定程度的多徑接收能明顯改善室內信號覆蓋。本文所得結果對超寬帶室內通信具有參考意義。
參考文獻
1 S. Ghassemzadeh, R. Jana, C.Rice,W.Turin, V. Tarokh.A Statistical Path Loss Model for In-Home UWB Channels. 2002 IEEE Conference on Ultra Wideband System and Tech-nologies, May 2002:59～64
2 UWB Channel Modeling Contribution from Intel. IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks
3 M.Z. Win, D. Cassioli. The Utral-Wide Bandwidth Indoor Channel: from Statistical Model to Simulation. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2002;20(6):1247～1257
4 Bernard Uguen, Eric Plouhinec, Yves Lostanlen, Gérard Chassay. A Deterministic Ultra Wideband Channel Modeling. 2002 IEEE Conference on Ultra Wideband System and Tech-nologies, May 2002:1～5
5 Mark McClure, Robert C. Qiu, Lawrence Carin. On the Su-perresolution Identification of Observables. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1997;45(4):631～641
6 Richard Yao, Grace Gao, Zhengqi Chen, Wenwu Zhu.UWB Multipath Channel Model Based on Time-Domain UTD Tech-nique. Global Telecommunications Conference 2003 (GLOB-COM′ 03), IEEE,2003;3(12):1205～1210
7 Paul R.Rousseau, Prabhakar H. Pathak.Time-Domain Uni-form Geometrical Theory of Diffraction for a Curved Wedge. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1995;43(12):1375～1382