矿井下超宽带多径信道仿真与特性分析

摘要 本文分析了矿井下回采工作面的多径传播的特点，建立了IEEE802.15.3a信道模型和修正的UWB信道模型，通过仿真分析可以看出，矿井下回采工作面较为复杂，发送信号经多径传播后时间弥散非常明显，延时扩展很大，严重的影响和限制了传输速率和信道容量，因此。在矿井下对UWB基站的设置要求更高。

关键词 超宽带；IEEE802.15.3a模型；S-V模型；修正的模型；仿真

中图分类号TD8 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）47-0231-02

Simulation and characteristics analysis of UWB Multipath Channel in mine

Abstract The characteristics of multipath propagation in stope face in mine are analyzedIEEE802.15.3a model and modified model are created. The analysis show that stope face in mine is complicated, the signal dispersion is obvious after multipath propagation and delay spread is serious, which influence and limit transmission speed and channel capacity. Therefore, the UWB base station demands higher requirements.

Keywords UWB；IEEE802.15.3a model;S-Vmodel；modified model；Simulation

0引言

超宽带（UWB）无线电是近几年来发展比较快的一种新型通信技术，UWB信号频谱极宽，系统可在相对较低信噪比的条件下，实现1Gbps的无线传输速率。与此同时，UWB系统可采用与其它通信系统共享的方式使用谱，无需独占特殊的频段，因为UWB极低的发射比功率使系统可以使系统有效地避免对其它系统的干扰，也符合矿井下本安和隔爆的要求。

信道模型是无线通信系统研究和设计的基础，尤其对矿井下空间狭小的特殊环境，信号传输多径现象是十分严重的，本文通过分析几种超宽带信道模型，给出适合矿井下信道模型。

1 UWB矿井下多径传播模型

本文针对煤矿回采工作面的环境进行分析。限定环境为没有大型的遮挡物的情况，如图1所示。

UWB信号包括直射信号和反射信号，反射信号包括一次反射信号多次反射信号。在矿井下，发射和接收处于移动状态，传输距离是在不断地改变的，但其与直射信号间的波程差在收信机距离增加到一定程度的时候，将不随其继续增加而增加，多次反射信号也具有相似的特性。

2 适合矿井下的UWB信道模型

在S-V模型和IEEE802.15.3a信道模型的基础上，进行改进，建立起适合矿井下的UWB信道模型。通常情况下多径衰落信道，建模是以线性时变系统的冲激响应形式：

这其中：为时间间隔内由于多径成分的迭加而产生的衰落振幅, 如果在此时间间隔内，没有任何的多径成分到达，则；为在时间间隔内所有到达的多径成分累计的相移，常用在上具有同一分布的随机变量来建模；L 用来描述信道的冲激响应的时间间隔的总数；T为单个时间间隔的长度，关于最小信道的分辨率，通常用脉冲持续的时间来确定。

由于大部分矿井下信道的延迟扩展表现为大约200ns[5,6,7]，而且UWB 系统所用脉冲的持续时间在 ns级，因此，T 也在ns 级，L 在200 个水平。另外，假定对于M > 100 个左右的脉冲序列，典型的UWB信道为慢变化信道, 它的冲激响应如下式：

可以看出，多径成分成批量的到达，是由于实际物理环境中散射体群集的直接结果, 也可以说是在UWB信道中可以观察到的一个特性, 而且， [1, 4]的信道测试发现，如果在某一时间间隔内有一个或多个路径到达, 那么，下一时间间隔内路径到达的概率就会表现出增加或减少, 因此，可以看出，可分辨路径的到达时间是成非均匀分布的。

修正了、适合矿井下的的模型，采用了两态的马尔可夫模型结合了修正的泊松过程，非常好地表征了多径信号的到达时间和到达数量的全部特征，这一特征与实际测量的结果符合得非常好。这个模型中有两个状态, 其中，状态1的平均到达率为 , 状态2的平均到达率为，K表示的是路径到达的成批性, 它是由测试来决定, 但是，到目前为止，还没有试验测试K在特定的UWB 系统中的取值，一般情况下，取其典型值为K = 2或2.5。过程从状态1开始, 详细情况为: 若有路径落入第个时间间隔内, 单元时间间隔为，则状态1转移到状态2，果在这段时间内没有其他路径到达, 则在时刻又回转到状态1。在每一个马氏状态下，每个单元格内到达的路径数量由

Poisson 分布确定。

具体的数学表示如下：

此模型为我们提供了许多对多径到达有益的内容，主要对是否有路径到达的单元时间间隔以及路径到达数目的数学建模。

2 仿真效果

根据上面理论分析，我们分别对IEEE 802.15.3a和修正的UWB信道模型进行仿真，仿真如图2、图3所示。从图2可以看出，更为明显的是发射能量的弥散，散布在一个大的时间窗内，于第一条接收路径到达之后约80ns的地方仍有接受能量的存在。对于修正的多径信道模型仿真可以看出，平均时延较小，与实测值接近。

3结论

通过本文对3种类行信道模型的研究可以看出，矿井下回采工作面环境非常复杂，发送的信号，在不同方向的经多径传播后，时间的弥散就非常明显，延时的扩展非常大，对传输速率和信道容量产生了严重的影响和限制，因此。在矿井下对UWB基站的设置要求更高。

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