文摘
我们当前统计模型的宽带和超宽频无线频道(UWB)一个工作机器客舱环境。基于一组测量,发现一个小和有限空间等原因主要是扩散路径而不是镜面散射路径。信道脉冲响应的振幅在宽带情况下主要是瑞利分布的小规模衰落信号,只有几个路径展示Ricean分布,而在超宽频的情况下倾向于对数正态分布的分布。对于振幅的路径,我们建议一个指数衰减,在dB规模斜率常数,与相应的参数超宽频的情况。对于宽带的情况,一个双重的指数衰减概要文件提供了出色的实测数据相吻合。也指出,均方根(RMS)延迟扩展是独立于视距/阻碍视线的情况下的通道。多路径组件造成重大能源发挥重要作用在这样一个小环境相比,如果直接路径。此外,广播频道收益减毒与车内的司机。
1。介绍
无线传感器网络(WSN)是一种无线网络组成的空间分布式自治设备使用传感器协同监控物理或环境条件(1今天),覆盖在许多工业和民用应用领域非常广泛,包括工业过程监测和控制、健康监测、环境和栖息地的监控、家庭自动化和交通管制。无线intra-vehicle通信系统已被建议作为一种新型的通信系统,可以为机上乘客提供双向高速数据交换服务的通信和娱乐(2,3]。为目的的安全、舒适和方便,网络部署新车型的汽车等信息收集温度、速度、压力等。利用了网络的概念并不局限于应用程序在一个工作的机器。信息和通信系统中使用一个工作机器使司机更容易控制操作,例如,在木材加工指导树干切割根据订单系统的输入。这能保证快速处理日志,和高生产力。这个信息系统将无线控制的驱动程序。使用无线通信链接代替有线连接可以节省大量的安装成本。此外,测量振动作用于人体,所谓“人类振动”是健康风险的预防和舒适度的评价,例如,在车辆(4]。身体无线振动传感应用嵌入式无线区域网络(WBANs)也可以包括在未来的系统。
信息和通信系统的设计需要很好地理解相应的无线电波传播信道。室内无线传播的特点是其特有的行为。许多现有的广播频道测量活动和相应的信道模型局限于典型的住宅和办公环境,高度有限的墙壁的衰减5,6]。只有少数的广播频道测量都是在一个车辆(7,8]。据我们所知,没有工作在工作机环境中,可以有不同的无线电频道特征由于其小而有限空间。
论述了实验测量无线电频道上进行一个工作机器环境在两个不同的频带,即工业、科学、医疗(ISM)无线电频段(-2.4835 ? 2.4 GHz)和超宽频频带(UWB)(3.1和10 ? GHz)。统计无线电信道模型的基础上,测量结果是那么发达。本文的新颖来自无线电频道特征建模的新环境。
部分2论文的致力于测量设置包括场景的描述。部分3地址的描述测量广播频道。每个场景的平均信道脉冲响应进行了分析和讨论。统计信道模型的参数也提出了在这一节中。部分4处理的实现信道模型及其评价。这项工作的结论给出了部分5。
2。测量活动
2.1。测量设置
的测量进行了频域使用安捷伦8720 es参数矢量网络分析仪(VNA) [9]。网络分析仪的操作在传递函数测量模式下,端口1和端口2的传输和接收端口,分别。因此,测量结果作为通道的频率响应。
测量是在2.4 - -2.4835之间的频段?GHz, ISM乐队,和使用,也就是说,内部标准IEEE 802.11和802.15.4专门提供服务的无线局域网(WLAN)的沟通。超宽频的测量频带之间3.1 -10 ?GHz也同时进行。因此,测量带宽是83.5吗?兆赫和6.9吗?分别GHz。因此,相应的延迟决议是11.97 ?ns和0.14 ? ns。每扫描频率点的最大数量是1601,然后可以用来计算最大的可检测延迟频道的 使用(1),最大可检测延迟,19.16通道的两个不同的带宽?和231.88 ?ns,对应5.75 ?公里和69.56吗?m,分别在空间距离。基于最大可探测的延迟是一个测量系统的参数。介绍了表明测量系统能够检测所有传播路径有重要贡献的接收功率。然而,可用的信号能量比最大可检测延迟在更短的延迟可以看到。
在2.4 - -2.4835 WLAN波段的天线测量吗?GHz HGA7S 7吗?dBi高增益天线(10]。的SkyCross SMT-3TO10吗?—天线(11在超宽频带)被用于测量。这两种类型的天线是线性偏振的。的SkyCross SMT-3TO10吗?—天线方位全向,而HGA7S 7 ?dBi高增益天线设计为360度的报道(10]。VNA的扫描时间取决于扫描带内的频率点,由网络分析仪自动调整的,也就是说,广播频道在一个频域测量感兴趣的频段。这对应于一个传统参数(参数是指信号在端口2退出信号事件在VNA的端口1)测量设置中,广播频道的测试设备(DUT)。本研究中使用的传输功率5 dBm(相当于3.16 ? mW)作为VNA输出端口。表1总结了测量系统参数。
2.2。信道测量描述
机舱内的测量进行了工作机的尺寸如图1。传输(Tx)天线和接收(Rx)天线,一般来说,将面临彼此,和视距(LOS)路径总是存在链接被座位时除外。安排天线的位置如图1。Tx天线的位置是固定在座位上1.08 ?米机舱地板上。Rx天线的位置被转移到17个不同的地方,也就是说,从Rx17 Rx1位置到位置。在每一个位置,100年连续测量的通道被送往提高统计的可靠性。这通常用在静态情况下的数量。为了研究广播频道在机舱工作机在现实情况下,以下三种情况调查:(我)场景1:没有一个司机,当发动机。(2)场景2:司机坐,当发动机。(3)场景3:司机坐着,当发动机。
3所示。信道测量和数据分析的结果
测量参数,即信道传输函数,转换为时域,也就是说,信道冲激响应使用快速傅里叶逆变换(传输线)。汉明窗用于降低旁瓣。信道脉冲响应通常是由一个抽头延迟线模型(12] 在哪里的振幅是吗th路径,的到达时间吗th路径,的阶段吗th路径,是路径的数量。代表了狄拉克函数,这是冲动的象征,有时被称为“狄拉克δ函数。“相由均匀分布建模。统计参数定义信道模型提出了在接下来的段落。
3.1。平均信道脉冲响应
一百个人实现信道脉冲响应的平均为每个位置。使用一百实现的原因是由于这是通常用于保证统计的可靠性。这个数字扫描记录的所有单独的链接来衡量,所以清洁工的总数进行测量活动期间要高得多。当使用频域测量技术、环境需要静态的,这意味着一百连续测量/链接就够了。
进行进一步分析,以上测量信道脉冲响应首先被截断噪声阈值,设置为噪声添加10 ?dB(约-98 dBm)。唯一的路径在考虑噪声阈值之上。这里给出一些例子来解释分析。(即大规模特性。,path loss) and also small-scale features (due to the change in pulse shape) of the channels are taken into account. The large-scale models are necessary for network planning and link budget design while small-scale models are necessary for efficient receiver design and performance analysis. This kind of models is not publicly available at open literature for working machine’s cabin environment so far.
作为初步所示(13),测量通道脉冲响应ISM乐队有两个常数斜坡在dB规模,这对应于一个典型的指数衰减在线性范围内。这表明有许多反射而不是一个重要的镜面路径。这是极好地适合描述漫散射(14]。
超宽频带的平均信道脉冲响应(6.9 ?在场景1 GHz带宽),但没有一个司机,当发动机如图2也代表(13]。超宽频测量允许我们检查中存在有许多路径到达接收机延时分辨率和最大延迟。首先,在dB信道脉冲响应有一个恒定的斜坡,这对应于一个典型的指数衰减在线性范围内。超宽频测量的另一个优点是高时间分辨率、可以看到第一个路径更精确。第一个路径到达时间大约可以转化为Tx和Rx天线之间的距离。因此,Tx和Rx1之间的距离,Rx3, Rx8以及Rx17著1.17 ?米,1.35 ?米,1.05 ?m和0.81吗?m,分别为(3.9吗?ns, 4.5 ?ns, 3.5 ?ns, 2.7 ?ns,职责)。阻碍视线的Rx1和Rx3(卡); thus the first path is not the strongest path. Depending on the position, the constructive multipaths can create a stronger path to the receiver. The Rx8 and Rx17 are LOS cases; therefore, the first path is also the strongest path. Figure3说明了ISM波段的平均测量信道脉冲响应,Rx5(卡),在三个不同的场景。当司机在机舱内,无线电波在所有多路径Tx靠近身体的驱动程序(˜3 ?厘米)减毒。此外,第一个路径到达时间长于在车内没有司机。
注意,在以下的分析进行了对几个发行版,和最适合的选择。此外,所有使用的参数模型在后处理中从测量数据中提取。从提取的参数,我们开发measurements-based确定的信道模型ISM波段和超宽频带的情况。
3.1.1。指数衰减因子()
正如上面介绍的那样,振幅的路径在(2)大约是建模的指数衰减Ricean因素概要文件和一个指数衰减的因素为超宽频的情况 ISM的情况下,信道脉冲响应有两个常数斜坡在dB,因此振幅的路径在(2)大约是由两个指数衰减与两个Ricean因素概要文件和以及两个指数衰减的因素和作为 在哪里是最后一个路径的第一部分。
图中展示了一个例子从每个频带4显示平均信道脉冲响应ISM波段和Rx17 (LOS)在第一个场景中(没有一个司机,引擎关闭)和双重的最小二乘(LS)线性拟合曲线在dB规模。相应的因素和是-44吗?dB - -81 ?分别dB,以及指数衰减的因素和分别是2.33和24.39。图5显示了超宽频带平均信道脉冲响应和Rx17 (LOS)和LS dB的线性拟合。相应的因素和指数衰减的因素是-66吗?dB和21.74。
3.1.2。振幅变化()
这部分代表振幅变化振幅平均值的路径。累积分布函数(CDFs)数据6和7描绘的振幅变化的平均信道脉冲响应都符合对数正态分布的分布与零均值和标准差6.69吗?dB和4.50吗?分别dB。
3.1.3。路径()
CDFs的路径的数量(噪声阈值以上)极好地安装了泊松分布具有一定的意思。Rx14的一个示例(LOS)超宽频带图所示8,分别。路径的数量随司机的存在。ISM的乐队,CDFs的路径的数量由高斯分布拟合与某些意味着什么和标准偏差例如在图9Rx14(洛杉矶)。路径给出的数量是信道建模的目的。尽管如此,他们不仅仅是典型的路径在系统设计中,例如,路径的数量在10 ?dB最强的路径和路径包含85%的能量的数量,大概给~路径的超宽频带的情况。可以看到,振动的影响(引擎)的数量的路径清晰,尤其是在阿尔卡的情况下与其他渠道的特点。
3.2。小规模的信道特性
3.2.1之上。延迟色散
为了比较不同的多路径通道和开发总体设计指南,参数严重量化使用多路径通道。意味着过多的延迟和均方根(RMS)延迟传播通常用来表示宽带多路径通道的延时色散特性参数可以从权力决定推迟概要文件。接收到的信号会传播时间相比,传输信号。这分散也可以暗示频率选择性衰落和码间干扰(ISI)。不可能发生严重ISI如果符号持续时间长于,说,十倍RMS时延扩展(14]。RMS时延扩展的标准偏差(或均方根)值是反射的延迟,加权比例的能量反射波定义为(14] 在哪里表示为
数据10和11描绘了CDFs RMS时延测量利差的洛卡的情况下,分别对超宽频带测量。所有的值都在1.7 - -5.8的范围?ns,典型的室内RMS相比非常小,如果延迟扩展14至18岁之间的不同?ns (14]。我们可以看到,RMS时延扩展是独立于洛杉矶/卡的情况下通道。没有距离的,这是因为舱室空间非常小。多路径组件造成重大能源发挥重要作用在这样一个小环境相比,如果直接路径。这是非常重要的选择的天线位置和接收机结构。
一个例子对于司机的小屋中,当Rx天线在Rx12(洛杉矶),如图12。RMS时延扩展减少大约1.2吗?ns,因为人的存在在客舱内变弱的路径收益。相应的CDFs卡(Rx4)如图13。的标准偏差年代RMS的延迟传播,当发动机(机舱振动),比那些更大,当引擎。这表明广播频道的情况差别很大,没有司机。
3.2.2。振幅分布
在ISM波段,每个延迟的权力收到开发的矢量和许多多路径组件到达相应的延迟。中心极限定理是有效的,延迟的振幅垃圾箱表现出瑞利(nonLOS或卡)或Ricean (LOS)分布(15]。相反,只有少数多路径组件(mpc)落入每个可分解的超宽频带的延迟。因此,中心极限定理,不适用的振幅延迟垃圾箱因此不表现出瑞利分布或大米。
在ISM乐队的情况下,在所有情况下,第一个延迟垃圾箱往往Ricean分布由于其高因素(16),而其他延迟垃圾箱可以假定为瑞利分布由于他们很小的因素。
洛杉矶情况下的超宽频带,如上所述,只有少数mpc落入每个可溶解的延迟和中心极限定理因此不适用。测量振幅分布,而对数正态分布(17]。
3.3。大规模的信道特性
路径损耗(PL)是一个重要的大规模的链路预算计算和系统设计特点。在传统窄带通道,Friis传输公式是用来模拟接收到的信号功率,在自由空间的18] 在哪里是传输功率,和分别是Tx和Rx天线增益。是波长,是Tx-Rx分离距离。Friis传输公式表明,接收到的信号功率下降Tx-Rx分离距离的平方。从(7),PL是由这个词预测信号功率会减少与增加的频率和距离的平方。这些显示的距离和频率依赖的路径损耗。然而,感兴趣的频率带宽内的是恒定的,因此可以忽略不计。然而,对于超宽频系统,频率依赖性在PL可以明显由于大带宽(500 ? MHz)。通道会扭曲的信号的频谱信号直接关系到信号扭曲,也就是说,脉冲形状畸变。PL可以获得直接从测量通道传递函数。的距离依赖路径损耗的计算时间快照和频率平均在每个处方地位的总带宽 在哪里表示通道传递函数时间快照的频率在一个距离。和表示带内的采样点数量和快照的数量,分别。
的意思是请洛卡情况下计算(8从所有Rx)和平均结果位置在每种情况下。每个案例和每个场景的结果总结在表2。正如所料,PL增加在阿尔卡的情况下和一个司机的存在。此外,它指出,PL在引擎时不是很不同的案例当发动机。在此之前最初的假设。
4所示。信道建模和评估
在本节中,我们描述了一个基于实验确定的信道模型,开发ISM波段和超宽频带的情况。如数据所示14和15节3.2。2,前五的振幅延迟本在ISM乐队的《案件往往是Ricean分布。其余延迟垃圾箱可以认为是由于他们的小瑞利分布因素。对于阿尔卡的情况,只有第一个延迟本倾向于Ricean分布的,而其余的可以认为是瑞利分布。在超宽频的情况下,所有延迟垃圾箱的振幅往往是对数正态分布。实现一个随机向量,每个组件的值是每延迟本与相应的分布、Ricean或瑞利或日志正常的情况下,零(dB)的意思是生成的。随后,振幅矢量的通道通过扩展的随机向量和一个指数衰减概要文件与相应Ricean因素呢和指数衰减的因素节中描述3.1。1。最后,信道的相位矢量被认为是均匀分布。
作为一个例子,渠道的情况下Rx17 (LOS)在ISM波段和Rx17的情况下(LOS)在超宽频带(数字4和5)是模拟。对于前一种情况中,这是通过使用(3),表中给出的仿真参数3。对于后一种情况,(4)是用于仿真参数表3。
平均信道脉冲响应和RMS时延扩展用于验证模拟模型中描述的数据吗16和17。我们可以看到,模拟通道与测量通道有一个很好的协议。
5。结论
为了部署无线信息通信系统在这样一个封闭环境像小屋一个工作的机器,很好地理解无线电传播的渠道,和一个简单的相应的通道模型是必需的。据我们所知,没有工作在工作机环境中,具有不同的无线电频道特征由于其小而有限空间。工作机机舱内的测量活动是两个不同的频率范围,也就是说,在2.4 - -2.4835吗?GHz ISM波段使用,例如,内部标准IEEE 802.11和802.15.4专门提供服务的无线局域网通信,以及在一个超宽带频带3.1 -10 ? GHz。三个不同的场景对于每个频带,即没有一个司机,引擎是关闭的,吗??司机,引擎,与引擎是一个司机,进行。
传播渠道的特点是完全不同于一个传统的室内环境;即有许多反思,而不是一个巨大的镜面路径。这是极好地适合描述漫射。超宽频测量具有高时间分辨率的优势,因此使我们可以看到第一个路径准确。这是翻译成Tx和Rx天线之间的距离。车内还有司机的存在,广播通道增益衰减。此外,第一个路径到达时间是晚于车内的情况没有司机。之间没有发现显著差异的情况下发动机时,只有数量的路径是不同的,尤其是在阿尔卡的情况下;即振动(引擎)只有对路径的数量的影响,而对其他频道属性的影响是微不足道的。
在两个频率范围,指数衰减概要文件路径与相应的参数建模。振幅分布,许多mpc到达相应延迟本的ISM波段,因此中心极限定理是有效的,延迟的振幅垃圾箱表现出瑞利(non-LOS或卡)或Ricean (LOS)分布。相反,只有少数mpc落入超宽频带中的每个可溶解的延迟。因此,中心极限定理,不适用的振幅延迟垃圾箱因此不表现出瑞利或Ricean分布,而是对数正态分布分布。延迟色散,RMS时延扩展是独立于洛杉矶/卡的情况下通道。没有距离的,这是因为舱室空间非常小。mpc贡献重大能源发挥重要作用在这样一个小环境相比,如果直接路径。这是非常重要的选择的天线位置和接收机的设计。路径损耗的频率依赖的路径损耗超宽频带首先观察到。其次,平均路径损耗增加卡和司机的存在。 Moreover, it was noted that the mean path loss in the case, when the engine is on, is not very different than in the case, when the engine is off. The measurements obtained were used to estimate the corresponding channel parameters in order to build statistical simulated channel models.
发达的广播频道模型给一个伟大的附加信息在工作机机舱环境中无线通信的设计。
承认
作者要感谢Ari伊索拉先生在测量他的贡献。这项工作是由芬兰技术和创新融资机构通过欧洲区域发展基金。