统计建模超宽频无线频道Body-Centric考虑房间的体积

文摘

介绍了统计建模的结果onbody超宽频无线渠道(UWB)无线区域网络(WBAN)应用程序。测量进行了在五个不同的房间。测量延迟剖面可分为两个领域;在第一个域(ns)有直接(视线)或绕射(nonline视线)波沿着周长是依赖于传播距离的身体,但本质上与房间体积无关,第二个域(ns)多路径组件是显性的,依赖于空间体积。第一个领域与传统的功率衰减律模型建模,和第二个域修改Saleh-Valenzuela模型考虑房间的体积。实现的脉冲响应提出了基于复合模型并与实测平均功率延迟配置文件。

1。介绍

无线onbody区域通信技术是重要的医学和非医学应用。超宽频技术(UWB)被认为是用于身体的无线区域网络(WBANs),因为他们可能的低功耗和antimultipath功能。许多研究已经进行超宽频传播特性和室内超宽频通信信道的建模。许多有关WBAN测量进行了描述和模型,offbody超宽频传播广播消声室或特定的房间类型(1- - - - - -4]。传统的超宽频传播损耗模型在这些研究中,然而,没有考虑周围环境的影响。由于多路径(特别是,反射波的地板,墙壁,天花板)强烈依赖于空间体积,需要评估在各种环境中传播特性的变化。为了解决这个问题,我们测量超宽频(3.1 -10.6 GHz)无线电传播在人体电台的消声室和四个不同的房间和提出了一种新的超宽频传播损耗模型根据房间体积(5]。在这项研究中,时域统计信道模型将是提出了基于相同的测量运动(5]。

至于信道脉冲响应的统计建模,堡等。3)把WBAN传播渠道分为两个部分:(1)在身体和(2)衍射反射附近的散射然后回到身体,和建模使用修改后的第二部分Saleh-Valenzuela (SV)模型(6]。修改后的SV模型的适用范围6),然而,限于无线个人区域网络不包括人类的身体。Roblin [7)审查的可分性渠道各种场景在三个不同的房间里,认为超宽频通道可以被分离的一个相对较大的房间,但它并没有建立一个通道模型。通道响应我们也分为两个部分,然后由功率衰减法建模和修改SV模型根据房间的体积。

2。测量设置

测量运动进行了五个平行六面体房间如图1。房间的尺寸(无线电消声室)测量无线电的顶点之间镶在所有表面的吸收器。收音机消声室可以视为一个房间一直延伸到无限体积(即。自由空间)的无线电传播。房间B, E是钢筋混凝土做的,和他们的地板,墙壁,天花板大多覆盖着,分别油毡,壁纸,石膏板,有损电介质。测量进行了使用人类的主题(成年男性,身高1.72米,56公斤)。主题站在直立,双脚与肩同宽在无线电消声室的一个安静的区域或房间的中心B e .超宽频(3.1 -10.6 GHz)传播损失测量矢量网络分析仪(VNA)之间onbody蜿蜒线天线(8]。天线的电压驻波比小于2.5 3.1和10.6 GHz之间,和omnidirectionality在水平面内3 dB在一个自由的空间。发射天线固定在中心的腰主题和放置在1.0米的高度从地板上,如图2。接收天线放置在躯干上大约100毫米的间隔。天线是垂直极化和分离10毫米的身体。当接收天线放置在主体的身体,路径大致视线(LOS),当在前面,这是non-LOS仿真结果)。总共69个接受点周围的躯干被雇佣。发射和接收天线通过同轴电缆,美联储在配置互相垂直交叉减少不受欢迎的电缆耦合(9]。喂点之间的校准进行同轴通过适配器。的频域传递函数(大小= 1024 + 273 = 751 7.5 - ghz内测量带宽补零)逆傅里叶转换为推迟概要文件使用一个矩形窗口。表列出了测量的主要规范1。

3所示。测量结果和建模

延迟档案接收天线时的例子放在胸部中心(仿真结果)和背面(洛杉矶)的主题呈现在图3。观察总接收功率的增加房间数量减少时(见附录A)。这是归因于较富裕的多路径从附近的地板,墙壁,天花板和房间里B大肠的主要传播路径的房间(收音机消声室)直接或绕射(身体)波,因此总接收功率低于在其他房间。与房间体积减少,平均自由程长度减少,功率组件包含在多路径增加,因此总接收功率增加。

3.1。的传播渠道

延迟概要文件可以被划分成两个域,以同样的方式(3,7):第一(大约到达时间ns)和二(ns)领域,如示意图如图4。第一个域仅代表了人类的贡献,包括直接(LOS)或绕射波(仿真结果以自由空间或电台消声室。第二个领域代表了周围环境的贡献,剩下的多路径组件组成的,这取决于房间体积。理由把配置文件附录B中给出了ns。

3.2。统计分析的第一个域

通道响应在第一个域(ns)可以表示为 在哪里的传播获得参考距离(米),是沿着身体的周长,传播距离是传播损耗指数,第一波的到达时间,狄拉克δ函数。的到达时间成正比。方程(1)代表一个特例(当房间体积)之前提出的超宽频传播损耗模型根据房间体积(5)(见附录C)的值和在(1)被发现是4.3×10⁻⁴3.8,洛杉矶和3.2×10⁻⁵仿真结果和5.1,分别从数据PL_dB如图5。的统计数据遵循对数正态分布的标准偏差为4.4 dB (dB)和3.4 dB (dB),洛杉矶和仿真结果,分别,括号中的值显示95%的置信区间。

3.3。第二个领域的统计分析

第二个域(ns)可以表示为一个修改SV模型(6基于集群射线的概念: 在哪里多路径增益系数,的延迟th集群,的延迟相对于多路径组件th集群到达时间()。延迟概要文件以房间B, C, D, E表明射线抵达集群,如图6,图的横坐标绘制真数。虽然堡等人表示集群间隔时间适合的威布尔分布3),在所有情况下,集群的到达时间间隔被发现遵循一个指数分布利用Kolmogorov-Smirnov(钴)测试95%置信区间。这意味着集群来者建模为泊松到达过程的固定利率(1 / ns)。在每个集群中,随后的射线也根据泊松过程到达另一个固定利率(1 / ns)。集群的分布和射线到达时间 在哪里和集群到达率和射线到达率在每个集群,分别。IEEE 802.15.4a通道模型(6]使用对数正态分布,而非瑞利分布采用原始的sv模型(10)多路径增益系数我们还采用了对数正态分布因为更好的拟合测量数据。的平均功率集群和集群内的射线被认为指数衰减,这样的平均功率多路径组件在给定延迟是由 在哪里的期望值是第一个到达的力量多路径组件,集群的延迟指数,射线的衰减指数在一个集群。到达第一个多路测量延迟档案中发现低与降低房间体积,如图7。第一个多路径组件,,可以用 的值和表中列出2。

的值,,,来自延迟配置文件数据测量房间B, C, D, e .数据8和9现在这些值对随着回归直线。请注意,代表的平均自由程长度射线旅行在一个房间有一个有限的体积(或无限)。集群的到达时间(1 / ns)约为0.08,而射线到达时间0.4 (1 / ns)是洛杉矶和仿真结果。而到达率和表现出没有明显的依赖或洛/场景仿真结果如图8功率衰减因子和略有增加,,如图9。传播距离(因此传播损失)的光线增加房间的体积,因此衰减因素增加。斜率是陡峭的仿真结果比《案件。集群的依赖power-decay因素和射线power-decay因素、图中所示9,是由 在哪里和的值和当虚,和斜率的集群和集群内的射线对吗,分别。的值,,,表中列出3。虽然阴影的影响没有被认为是在这篇文章中,它可以包含在(2采用相同的方法(后)6]。

4所示。实现Onbody超宽频通道基于复合模型

onbody天线之间复合统计超宽频通道模型是由加法模型中描述的部分制定3。实现计算在提供输入data-whether路径是洛杉矶或仿真结果(天线之间的距离以及身体的周长),和房间数量,如图10。一次实现的信道随机响应计算,然后用来估计传输性能(例如,平均误比特率)和/或通信系统的系统容量,检测和雷达系统的误报率,等等,通过模拟。

通道响应实现美国的例子和仿真结果,假设洛杉矶毫米和450毫米的仿真结果米³呈现在图11,20实现覆盖。平均功率延迟概要(APDPs)洛杉矶和仿真结果都源于这些实现并与实测数据。移动平均线是3 ns段进行计算APDPs。APDPs来源于实现计算和测量延迟的资料相当一致,如图12。因此提出了复合模型的有效性确认。

5。结论

在这项研究中,一系列的传播测量onbody天线之间的运动进行了五个不同的房间。测量延迟概要文件可以分为两个领域。在第一个域(ns),要么是直接(LOS)或绕射波(仿真结果取决于传播距离沿着周长的身体但本质上与房间体积无关。这个领域是建模能力衰减法对距离,及其振幅遵循对数正态分布。在第二个域(ns)、多路径组件是显性的,依赖于空间体积。第二个域观察表明,射线通常抵达集群。到达每个集群内的集群和射线被发现被泊松过程建模。结果,第二个域是由一个修改Saleh-Valenzuela建模模型使用对数正态分布,而非瑞利分布的多路径增益系数。最后,综合模型来计算超宽频onbody通道实现是通过结合两个域和验证使用的测量延迟配置文件。

附录

答:超宽频传输损耗

空间分布的超宽频传播损失的例子,以这些小节中描述的相同的五个房间2,如图13。超宽频传播损失的计算是通过整合的力量损失喂点之间的天线在占有带宽: 在哪里dB的传播损耗测量频率,和最低和最高频率。传播损失增加与减少房间的体积,如图13。

b . 4 ns分裂延迟配置文件的有效性

图14描述了平均功率延迟概要文件(平均超过3 ns)洛杉矶和仿真结果以房间E。

曲线几乎是等于0,大约4之间的一段ns:周边环境的影响是微不足道的4 ns。除了4 ns,传播损耗降低了(曲线向上移动)减少房间体积。此外,振幅分布检查证实的有效性ns划分延迟配置文件。内的振幅测量延迟概要文件被发现遵循对数正态分布到超额10纳秒的延迟。对数正态分布的平均3,4,5和7 ns估计了洛杉矶和仿真结果,如图15,95%的置信区间派生的空间数据由虚线绘制。尽管所有房间的平均4 ns B E下跌95%区间内,一些(LOS房间C, D, E和房间D和E对仿真结果区间外,如图15。这一事实也批准的有效性ns把配置文件。

提出了超宽频传播损耗模型

基于一系列的传播测量进行了从3.1到10.6 GHz频率带宽,作者提出了一种超宽频传播损耗模型(5]: 在哪里参考距离的传播损耗吗(米),房间体积时的传播损耗指数吗,的斜率是对。的值,,洛杉矶和仿真结果给出了(5]。

确认

本研究在一定程度上促进日本社会科学和芬兰科学院Japan-Finland双边核心程序。作者要感谢这个项目参与者的东京理工学院、日本和阿尔托大学,芬兰,有价值的讨论。

引用

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