三维低损耗障碍物环境下的时域超宽带传输模型

主办方：工程科学与技术，国际期刊18（2015）385e393全文三维低损耗障碍物环境下的时域超宽带传输模型Bajrang Bansal*，Sanjay Soni德里科技大学电子与通信工程系，德里110042，印度A R T IC L EIN F O文章历史记录：收到日期：2014年10月18日收到日期：2015年2015年1月26日接受2015年3月5日在线发布保留字：超宽带传播模型传输衍射频域时域A B S T R A C T在这项工作中，时域（TD）的解决方案，提出了超宽带（UWB）传输通过三维（3-D）的低损耗介质材料的情况下。在考虑软硬极化的情况下，分析了接收机（Rx）在任意位置时通过建筑物、楔形物等不同结构的传播。 此外，所提出的TD解决方案的传输进行了比较，TD UWB衍射;单衍射，双衍射和衍射后反射时，发射机（Tx）和Rx都在一个平面垂直的边缘。本文详细分析了脉冲波形在有耗障碍物中的传播和衍射衰减和畸变。据观察，传输脉冲波形遭受相对较小的衰减和形状失真相比，衍射脉冲低损耗障碍。TD的结果已与相应的精确频域（FD）结果的快速傅立叶逆变换（IFFT）进行了验证©2015 Karabuk University.由爱思唯尔公司制作和主持这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近年来，由于超宽带（UWB）通信具有抗多径、高分辨率、高比特率、精确定位和测距、低功率密度、低复杂度和低成本等独特的特性，室内环境下的UWB传播研究受到了极大的关注[1，2]。在UWB 信 号 的 无 线 电 传 播 中 ， 特 别 是 在 深 阴 影 区 域 的 非 视 距（NLOS）通信中，发射场分量被证明是非常重要的[3，4]。考虑到UWB信号的巨大带宽（3.1和 10.6 GHz）[5]，直接在时域（TD）中研究UWB传播比将数值快速傅里叶逆变换（IFFT）应用于频域（FD）解将其转换为TD更有效此外，TD解决方案似乎更有效，因为所有频率都被同时处理[1]。在TD中，衍射和反射已经得到了很好的研究[6，7]。考虑到深阴影区透射的重要性，文献[8]给出了介质平板透射场的TD解。 测量表征了*通讯作者。联系电话：电话918826435527电 子 邮 件 地 址 ： bajrangbnsl@gmail.com （ B.Bansal ） ， sanjoo. gmail.com（S.Soni）。由Karabuk大学负责进行同行审查1联系电话：电话919540390146http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.01.005在UWB范围内的不同材料以及UWB信号由于穿透墙壁而遭受的色散[9、10]。参考文献中给出了UWB信号通过介质板传输的简化TD模型。[11、12]。文献[1]给出了介质平板反射和透射的TD解。[13]第10段。参考文献[14]中给出了通过多层壁结构传输的TD解。在参考文献中给出了UWB信号在微蜂窝和室内场景[15]第10段。为了优化设计无线通信系统的接收机，准确的信道特性是一个重要方面。重要的多径分量和脉冲失真的知识有助于UWBRx的优化设计[16]。超宽带传输通过有耗障碍物的衰减和失真的分析还没有得到很好的研究。本文对UWB传输的衰减和失真进行了全面的TD分析该分析背后的动机是脉冲失真会显著影响UWB Rx的性能，因此需要对其进行适当的分析[16]。在参考文献[16]中，解释了如果不包括对这种失真的补偿，脉冲失真将如何影响系统性能。众所周知，如果匹配滤波器Rx与发射脉冲匹配，则匹配滤波器Rx产生最大信噪比对于窄带情况，这不是问题，因为发射的脉冲没有失真或失真可以忽略不计。在超宽带通信中，由于信道的频率选择性，超宽带脉冲会受到严重的失真2215-0986/©2015 Karabuk University.由爱思唯尔公司制作和主持这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestch386B. Bansal，S. 索尼/工程科学与技术，国际期刊18（2015）385e393.Y我的天啊Y因此，在与匹配滤波器卷积之后，产生较低的SNR输出。因此，Rx处的脉冲失真的准确知识有助于Rx的最佳设计。传播被认为是通过低损耗障碍物，因为建筑工程中使用的大多数建筑材料都是低损耗类型，如玻璃、木材、砖、干混凝土等[9]。我们在工作中考虑的传播环境在办公室、住宅结构和户外场景等各种场景中都非常重要这些环境的详细列表以及相应的范围在参考文献中给出[17，表1]。见参考文件[18]，已经考虑了典型室内场景中的UWB传播测量，包括视线（LOS）、NLOS、房间到房间、室内和走廊。见参考文件[16]，研究了由高层建筑组成的著名的Bertoni城市环境中的UWB传播。在其他可用的文献中，UWB传播建模已经被考虑在房间内[19，20]和家庭内[21]，其包括也位于不同地板上的发射器（Tx）和Rx。在参考文献中。[1，8，11e 15，22，23]，散射对象已被建模为板，建筑物，半平面和楔形。本文的目标是提出一种超宽带传输的TD解决方案任务通过三维（3-D）的情况下，并进行比较与UWB衍射时，Tx和Rx都在一个高度h分别为b。 射线通过建筑物从Tx传播到Rx所沿的平面随着Rx沿y方向的移动而改变（可以在图1A和1B中看到）。1和2）。因此，对于特定的Rx位置，3D场景被转换为2D射线路径在建筑物的屋顶和侧壁处的交点（例如图1中的点P和S）使用线[26]的方程的参数形式来找到。对于ht>hb，传输通过建筑物的拐角，包括屋顶和侧壁传输。侧壁宽度d2随着包含Tx和Rx的平面的变化而变化。而对于hthb，透射通过建筑物的侧壁，并且d1和d2都随着Rx沿y方向的移动而改变。<图 3示出了通过楔形结构的3-D和2-D（正视图）传播。与建筑场景类似，Rx沿x和z方向固定，同时沿y方向移动参数dl、d2和内部楔角ai随着Rx沿y方向的移动而改变2.2. 制剂对于通过特定平面中的建筑物或楔形结构传输的信号，Rx处的FD传输场为[4，27]垂直于边缘的平面深入分析了超宽带脉冲波形失真背后的物理机制，有助于理解失真的本质。本文的组织如下：在第二节中，三维propa-NERX;s;huEinc u=r总 u u1/1Ti;s;h！Ltotal;s;hu（1）发射和接收的通信环境和TD公式，其中Einc是球形源的相对振幅[22]，衍射场。衍射包括单衍射、双衍射和衍射后反射。下一RJ传输i1Ri 表示通过的总距离在结果部分，给出了UWB传播的详细TD分析。根据相应精确FD结果的IFFT[24，25]验证TD结果进一步比较了两种方法（IFFT-FD和TD）的计算效率，以强调TD解决方案的重要性。最后，对TD和IFFT-FD解决方案之间的归一化均值和均方误差进行了比较分析，以显示低损耗假设的准确性。2. 通过三维场景2.1. 传播环境从Tx到Rx的字段（对于建筑物，J等于5，对于建筑物，J等于3）N楔形结构）。T total;s;hTi;s;hu表示总计1/1FD传输系数[27]，它等于沿Tx和Rx之间的传输路径出现的所有FD传输系数的乘积，下标对于建筑物和楔形结构，参数N分别对应Ltotal ，s ，h（u）[11，12]表示发射场在Tx到Rx之间传输通过建筑物或楔形结构的相应TD透射场如下：eRXshtz. e在c中的值*G 总 值*l总值（2）的情况。图图1和图 2示出了 不同 的 三维和二维（侧视图）视图rtotal;通过建筑物（具有低损耗材料）的传播机制，其中Tx高度ht大于和低于建筑物其中 Gtotal，s，h（t）和l total，s，h（t）[11，12]是T total，s，h（u）和Ltotal，s，h（u）的TD对应物Fig. 1. 在ht>hb的建筑场景中传播。B. Bansal，S. 索尼/工程科学与技术，国际期刊18（2015）385e393387因为jtffiffiffiffiffiffi2¼M=32- -m324kh;s=1-k2e-pt ½Kh;s=2Xh;s1-Xh;s=2Kh;s-ptXh;s=4]，总计;s;hM=32 Dm32D总计;s;h2ju3的情况。Rl;C1/4t-pm3@一RX;s;h2小时 *2;s;h;f22017年2月 7日2图二. 通过具有hthb的建筑场景的传播。<分别考虑到低损耗假设，硬极化和软极化的TD传输系数由[7，11，15]给出。类似地，根据附录，楔形结构的FD路径损耗表达式可以给出为：ghtzdt-rht（3）Lzexp我知道了。rjpgstz½dt-rst]。Cosqi（4）其中d（t）是脉冲函数[24]，-rh（s）（t）是TD反射×exp½-jkr1r3]对应于Eq.（7）由下式给出：用于生产的成本h;sKh;spt=h，sh，sh，sH我不R2tzexp我知道了。布雷尔特pr*。不r1r3CX½e-βh;s2 π，K¼（1-k/1千克），k1/4cosq=cosj=1/3posq= 1/3 p o sj = 1/3 p o s q = 1/3 p o s j =1/3 p o s q = 1/3p o s j = 1/3 p o s q = 1/3 p o s j = 1/3 p o s j = 1/3 p o s j = 1/3 p o s j =1/3 p o s j = 1/3 p oks/1=cosqi=p3r2n，p/1t/2anddt/1s/32. Qistheincident角和jt是真正的折射角[15]。S是介电介质的电导率，其中分别用3r2和3r2作为介电常数和相对介电常数对于远小于单位损耗角正切的损耗角正切s=u31 Ω，建筑场景的FD路径损耗表达式Ltotal，s，h（u）如[14，15]所示（在论文末尾的附录<hb）平均误差1.388E-3 1.642E-3 3.244E-3 6.612E-3 1.465E-2 2.54E-2 2.712E-2 3.047E-2 3.906E-24.327E-2均方误差3.877E-5 5.561E-5 2.256E-4 8.547E-4 3.694E-31.027E-2 1.139E-2 1.425E-2 2.318E-22.845E-2建筑物（hthb）平均误差7.507E-4 6.308E-4 2.121E-4 5.269E-4 1.931E-3 4.029E-3 5.383E-3 6.223E-3 9.438E-31.104E-2均方误差1.154E-5 8.158E-6 7.595E-7 3.878E-6 5.032E-52.376E-4 4.582E-4 6.155E-4 1.444E-31.954E-3<楔形平均误差6.078E-4 6.223E-4 4.465E-4 1.542E-3 4.55E-3 6.142E-3 9.533E-3 1.04E-2 1.808E-2 2.154E-2均方误差4.852E-6 4.849E-6 2.935E-6 2.656E-5 2.374E-4 4.131E-4 1.021E-3 1.189E-3 3.277E-3 4.328E-3对于低损耗障碍物，信道示出了对于传输的脉冲响应（曲线1），即，对于低损耗障碍物，传输路径的脉冲响应是恒定的。因此，Rx处的发射脉冲的形状保持不失真。另一方面，对于衍射，信道是频率相关的（曲线2、3、4），即脉冲响应本质上是变化的。这主要是因为衍射系数的频率依赖性更强[32]。因此，Rx处的衍射脉冲波形显示出较大的形状失真。如图5所示，双衍射的频率响应幅度非常小。因此，如图4所示，Rx处的双衍射场几乎可以忽略不计。对于先绕射后反射的情况，由于地面反射的影响，接收到的脉冲波形发生了反转。图6示出了在图2中针对硬极化考虑的传播场景的Rx处的透射场和衍射场。同样，透射场大于衍射场，这表明了透射场在阴影区的重要性。由于上述相同的原因，差分UWB脉冲波形显示出更大的衰减和形状失真。TD和IFFT-FD的结果是在良好的协议，从而验证了TD解决方案。图7示出了针对图1中考虑的具有不同Rx位置的传播场景的Rx处的发射场，用于软极化和硬极化两者。接收场随Rx的移动而略有变化。两种偏振的透射场的TD结果与精确FD结果的相应IFFT非常一致。图8示出了图8中考虑的传播场景的Rx处的透射场和衍射场。 3为硬极化。与建筑物情况相同，透射场比衍射场畸变更小，强度更强，TD结果与相应的IFFT-FD结果吻合良好，从而验证了TD解决方案。图9示出了图1的Rx处的透射场，其中建筑结构由不同的介电材料制成，用于软极化。TD结果与IFFT-FD结果符合得很好。据观察，TD和IFFT-FD的结果匹配更好地降低损耗角正切，从而验证了我们的低损耗的UWB信号传输的假设。表2中给出了IFFT-FD方法和TD解决方案在不同情况下传输的计算时间之间的比较，这表明与IFFT-FD解决方案相比，TD分析在计算上非常有效TD中计算时间如此显著减少的两个主要原因是：（i）有效的卷积技术（第10.1节，图2）。参考10.1和10.2[24]），由于这几个时间样本足以提供准确的结果。(ii)在低损耗介质情况下，用单一有效路径近似FD中的多个传输路径。表3显示了在所有考虑的情况下，归一化平均误差和均方误差（对于传输场）随损耗角正切增加的变化从该表中可以得出结论，对于较大的损耗角正切值或在其他情况下，误差趋于增加。换句话说，TD解决方案对于低损耗正切值表现得更好此外，它是观察到的TD解决方案传输通过低损耗障碍物是准确的损耗正切值高达10- 2的顺序。鉴于TD和IFFT-FD之间的良好一致性，解决方案，可以得出结论，TD的方法是准确的UWB带宽中的低损耗角正切值。所提出的工作还确定了TD解决方案在计算上比传统的IFFT-FD方法更有效4. 结论在这项工作中，TD解决方案已经提出了通过3-D的情况下传输低损耗的介电性能。不同的结构，如建筑物和楔形被认为是与任意位置的Rx。考虑软极化和硬极化，并且Tx的高度被认为高于和低于障碍物高度。通过与相应精确FD解的IFFT进行比较，确认了TD解的准确性。进一步的TD透射场已与衍射场分量进行了比较，当Tx和Rx都在垂直于边缘的平面内时。据观察，所发送的UWB波形示出较小的衰减和失真。由于衍射路径的频率选择性，衍射场会产生畸变，文中给出的解对UWB接收机的优化设计有一定的参考价值。确认作者感谢先生。感谢Piyush Tewari先生的不断支持、指导和宝贵建议。附录本附录包含通过建筑物（如图1或图2所示）和楔形结构（如图3所示）传输的路径损耗表达式的推导。首先，考虑通过建筑物结构的传输，路径损耗表达式被写为：5Ltotal;s;h尿失禁指数-giri g（13）1/1其中，g <$a<$jb是传播常数，a是衰减常数，b <$k<$2 p/l是相移常数。L是波长，ri（i 1 5）是传播距离。现在Eq。（13）可以写成：L总计;s;h×exp-abr3（十四）B. Bansal，S. 索尼/工程科学与技术，国际期刊18（2015）385e3933932ju32ju31/4-p¼2ju33-2sinΣ12@X.X其中g1½juXm30。考虑到低损失假设（即s=u31<<的情况。2ju34 42ju32-sinq5u1s2ju3其中ab是建筑物内部的假定特定衰减常数[3]，g2zjupm3.1þS中国（25）g2g4qjuuu uuffiffiffiffi1ffiffiffiffiþffiffiffiffiffiffiffiffiffisffiffiffiffiffiffiffiffiΣffiffi ffip（十五）现在使用Eq。（25），Eq.（23）给出为：Ltotalshuzex p-jkr1r3ex p.-jupm3.1秒2秒[27]），Eq.（15）可以写成：g2¼g4zjupm3。16岁以上（16）其中，r = 303。现在使用Eq。（16）和r2d1sec（q2），exp（g2r2）方程。（14）表示为：其可以进一步写成：Ltota l;s;huzex p-m=3。s2r2exp-jupm3r2×exp½-jkr1r3]（二十六）（二十七）ex p-g2r2-zex p.-jupm3.1秒1秒2秒3秒（17）使用Snell折射定律，即g1sinq1g2 sinq2，sec（q2）在等式（17）可以写成：因此，Eq. （27）给出了通过由低损耗材料制成的楔形结构的引用第二节第二节第一节第二节第一节第二节第二节第三节第四节第五节第六节第五节第六节第七节第八节第七节第现在使用Eq。（18），Eq. （17）表示为：（十八）[1] A.卡鲁索斯角Tzaras，UWB信号的多时域衍射，IEEETrans.Propag. 56（5）（2008）1420e 1427。[2] A.M. Attiya，A.超宽带室内传播仿真，微波。可选技术信函42（2）（2004）103e 108。[3] 基督教青年会Jong，H.J.L.Koelen，M.H.A.J.Herben，建筑物传输模型，ex p-g2r2-z ex p.— ju下午3点。1þSD2ju3s3r3-2sin（十九）改进的传播预测在城市微小区，IEEE Trans. Veh. 技术-不。53（2）（2004）490e 502。[4] S. Soni，A. Bhattacharya，确定性传播建模的建筑物传输分析表征，Microw。选购配件同样，exp（-g4r4）可以写成：ex p-gr zex p.-jupm3.1 s s s s s s s s s s s3R最后使用Eqs。（19）和（20），方程。（14）表示为：二、ΣLtotal;s;hþ技术信函53（8）（2011）1875e 1879。[5] FCC第一次报告和命令：关于修订委员会关于超宽带传输系统的规则第15部分的事项，2002年4月。 FCC 02-48[6] P.R. Rousseau，P.H.张文龙，曲劈绕射的时域均匀几何理论，国立成功大学机械工程研究所硕士论文。43（12）（1995）1375e 1382。[7] P.R. Barnes，F.M. Tesche，关于从有限导电半空间反射的瞬态平面波的直接计算，IEEE Trans.Electromagn。兼容性33（2）（1991）90e 96。[8]Z.陈河，巴西-地Yao，Z.郭，UWB信号通过有损介质板传输的特性，在：IEEE第60届车辆技术会议（VTC 2004-Fall）洛杉矶，CA，美国，2004，pp. 134和138。01s3R[9] A. Muqaibel，A.Safaai-Jazi，A.Bayram，上午Attiya，S.M.里亚德，超宽带穿墙传播，IEE程序-微波炉科洛纳斯·普罗帕格152（6）×di11/43R -sin2q4i1A5（二十一）（2005）581e 588。[10] A. Muqaibel，A.张文，超宽带雷达信号的频散和衰减特性研究，北京：科学出版社，2001。Inst 345（6）（2008）640e 658.×exp.3— JK1/12i-1 ！！exp-abr3[11] W. 杨，Z.Qinyu，Z.奈通角Peipei，超宽带脉冲信号的传输特性，在：IEEE无线通信网络和移动计算国际会议论文集（WiCom 2007）上海，2007，pp.550和553。总结，Eq. （21）给出了通过由低损耗材料构成的建筑结构的传输的路径损耗表达式。现在考虑通过楔形结构的传输（图3），路径损耗表达式如下：3[12] W.杨，Z.耐通、Z. 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