超宽带室内信道模型研究
卢 勋
（中国民用航空桂林空中交通管理站 技术保障部 广西 桂林 541006）
摘 要： 信道模型研究与分析是无线通信系统的基础，而超宽带是一种全新的无线通信技术，分析超宽带信道模型对于研究超宽带通信有着重要的意义，超宽带室内信道是典型的短距离多径多散射体环境，主要有两簇模型、STDL 模型和IEEE 802.15.3a标准模型等，主要分析IEEE 802.15.3a标准模型，并对其进行仿真。
关键词： 超宽带；信道模型；多径；Matlab 仿真
中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210081－02
超宽带是一种短距离高速无线通信技术。它通过组建高速个人无线局域网，使无线局域网和个人局域网以无线的互联接入成为可能。与现有的
无线通信技术相比，超宽带具有对信号衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低以及定位精度高等特点，可应用于无线多媒体家域网、个域网、雷达定位和成像系统、智能交通系统等多个领域
[1]。2006年，国际电信联盟第一研究组宣布，超宽带成为“全球性监管标准”。目前，超宽带技术已成为短距离高速无线通信领域研究热点。
由于发射功率受到限制和频带极宽，超宽带市内信道模型和传统的室
内无线通信信道模型有很大不同。信道模型的建立与分析是通信系统研究的基础，超宽带室内信道是典型的短距离多径多散射体环境，主要有两簇模型、STDL 模型和IEEE 802.15.3a标准模型等。本文主要分析IEEE 802.15.3a标准模型，并对其进行了仿真。
1 室内信道模型分析
2003年7月，在经过了多次的修改之后，IEEE 标准化组织802.15.3a 工作组提交了一份超宽带室内多径信道模型的最终报告[2]。该模型是根据Intel 公司所进行的UWB 信号传播实验的数据在经典的S-V 模型的基础上作了少量的修改后得到的。S-V 模型基于这样的观测：同一个脉冲的多径分量会以簇的形式到达接收机，簇的到达时间被视为一个泊松过程；每一簇内，相继的多径分量的到达时间也被视为一个泊松过程；多径的能量和幅度分别服从于双指数分别和Rayleigh 分布。802.15.3a 工作组所建议的超宽带室内信道模型保留了S-V 模型中多径成簇出现以及能量服从双指数分布的特点，但根据实际的测量数据对多径的幅度作了修正，用对数正态分布表示多径增益幅度，用另外一个对数正态随机变量表示总多径增益波动，所以该模型又称之为修正S-V 信道模型。
IEEE 模型的信道冲激响应可以表示为[3]：（1）
的簇和簇内径衰落相对应。
3 信道仿真
IEEE 802.15.3a工作组给出了四种不同信道环境下的信道参数，如表1所示。四种信道环境命名为CM1、CM2、CM3和CM4，分别对应0～4m 视距（LOS ）、0～4m 非视距（NLOS ）、4～10m 非视距和极限非视距四种情况[4]。
表1 标准模型四种环境下的信道参数
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道幅度增益。
簇和簇内多径到达时间均服从泊松分布过程：（2）
定义为小尺度衰落和大尺度衰落系数的乘积：
（3）
l 簇第k 的对数正态分布，即
（4）
图1 CM1LOS信道冲激响应
图1显示，发射端发射了一个脉冲，接收端产生多个多径分量，其中第一条分量传输的能量最高，不同簇表现有明显相同。图3显示，CM3信道比前两者具有更大的时间弥散和脉冲的时间间隔，最强峰值也不是出现在第一条路径上。
图2 CM2NLOS信道冲激响应
图2显示，多径冲激响应由多个簇相互叠加而成，由于障碍物的影响，最强峰值不是出现在第一条路径上，而是出现在第一条路径之后大约4ns 的地方。
图4 CM4极端NLOS 信道冲激响应
图4显示，在极端NLOS 情况下，发射能量的时间弥散比前面三者都要大，在第一条接收路径到达50ns 的地方仍然有接收能量的存在。
4 结束语
本文主要分析IEEE 802.15.3a室内信道标准模型的基础上，对其进行了仿真。仿真分为四种情况：CM1、CM2、CM3和CM4，分别对应0～4m 视距（LOS ）、0～4m 非视距（NLOS ）、4～10m 非视距和极限非视距，仿真结果与实际情况相符。
X 10
图3 CM3NLOS
信道冲激响应
参考文献：
[1]朱刚，超宽带（UWB ）原理与干扰，清华大学出版社，2009，4：2-3. [2]葛利嘉等译，超宽带无线电基础，北京：电子工业出版社，2005，5：196-203.
[3]Theodore S.Rappaport,Wireless Communications Principles and Practice,1996,Prentice Hall Inc.
[4]M.Z.Win,R.A.Scholtz.On the Robustness of Ultra-wide Bandwidth Signals in Dense Multipath Environments.IEEE Commun.Lett,1998,2(2):51-53.
（上接第149页）
4.3 故障分析
根据保护动作信息，经说明书查明手动合闸零序IV 段不带方向，经延时100ms （判别是否手合于故障，以躲开断路器三相不同期）。220kV 某站手动合闸后，启动手动加速模块+经零序IV 段保护动作--零序IV 段保护压板经零序保护IV 投退（保护控制字，当时处于投入）→实现“零序永跳”出口（见图4-1），并以图3-2中，此时，永跳逻辑开入节点接通，线圈1TJR1励磁动作后节点接通，并经远跳跳闸开入压板，经通道发远跳令传输到对侧。本侧1TJR1' 、1TJR2' 线圈励磁，并接通三相跳闸出口，并同时闭锁重合闸。保护动作正确。
1）是验收时应防止将手跳接点并接入永跳回路。否则，将发生手动分闸时，使本侧保护发出远跳信号给对侧，而对侧“远方跳闸受启动元件控制”整定为0时，则会直接三相跳闸出口，同时闭锁重合闸，引发误跳闸事故。
2）是当母差保护、失灵保护校验时，需要切除该母差失灵保护屏相应的出口压板，防止远跳误动作。
图4-1 零序IV 段启动永跳出口
5 结论
当前，220kV 及以上线路微机保护中都配置了远跳功能，其保证母线故障及断路器与电流互感器之间故障时，本侧及对侧能够将开关快速跳闸，切除故障。通过案例分析得出以下结论：
参考文献：
[1]北京四方，CSC-103A （B ）数字式超高压线路保护装置说明书，2008.08. [2]北京四方，220kV 线路光纤差动保护柜1-水乡侧说明书，2009.11.
[3]国家电力调度通信中心，《电力系统继电保护实用技术问答》，2000.2.
作者简介：
陈泽鹏，男，广东普宁人，本科，助理工程师，高级工，从事500kV 及220kV 变电站运行技术管理工作。
超宽带室内信道模型研究
卢 勋
（中国民用航空桂林空中交通管理站 技术保障部 广西 桂林 541006）
摘 要： 信道模型研究与分析是无线通信系统的基础，而超宽带是一种全新的无线通信技术，分析超宽带信道模型对于研究超宽带通信有着重要的意义，超宽带室内信道是典型的短距离多径多散射体环境，主要有两簇模型、STDL 模型和IEEE 802.15.3a标准模型等，主要分析IEEE 802.15.3a标准模型，并对其进行仿真。
关键词： 超宽带；信道模型；多径；Matlab 仿真
中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210081－02
超宽带是一种短距离高速无线通信技术。它通过组建高速个人无线局域网，使无线局域网和个人局域网以无线的互联接入成为可能。与现有的
无线通信技术相比，超宽带具有对信号衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低以及定位精度高等特点，可应用于无线多媒体家域网、个域网、雷达定位和成像系统、智能交通系统等多个领域
[1]。2006年，国际电信联盟第一研究组宣布，超宽带成为“全球性监管标准”。目前，超宽带技术已成为短距离高速无线通信领域研究热点。
由于发射功率受到限制和频带极宽，超宽带市内信道模型和传统的室
内无线通信信道模型有很大不同。信道模型的建立与分析是通信系统研究的基础，超宽带室内信道是典型的短距离多径多散射体环境，主要有两簇模型、STDL 模型和IEEE 802.15.3a标准模型等。本文主要分析IEEE 802.15.3a标准模型，并对其进行了仿真。
1 室内信道模型分析
2003年7月，在经过了多次的修改之后，IEEE 标准化组织802.15.3a 工作组提交了一份超宽带室内多径信道模型的最终报告[2]。该模型是根据Intel 公司所进行的UWB 信号传播实验的数据在经典的S-V 模型的基础上作了少量的修改后得到的。S-V 模型基于这样的观测：同一个脉冲的多径分量会以簇的形式到达接收机，簇的到达时间被视为一个泊松过程；每一簇内，相继的多径分量的到达时间也被视为一个泊松过程；多径的能量和幅度分别服从于双指数分别和Rayleigh 分布。802.15.3a 工作组所建议的超宽带室内信道模型保留了S-V 模型中多径成簇出现以及能量服从双指数分布的特点，但根据实际的测量数据对多径的幅度作了修正，用对数正态分布表示多径增益幅度，用另外一个对数正态随机变量表示总多径增益波动，所以该模型又称之为修正S-V 信道模型。
IEEE 模型的信道冲激响应可以表示为[3]：（1）
的簇和簇内径衰落相对应。
3 信道仿真
IEEE 802.15.3a工作组给出了四种不同信道环境下的信道参数，如表1所示。四种信道环境命名为CM1、CM2、CM3和CM4，分别对应0～4m 视距（LOS ）、0～4m 非视距（NLOS ）、4～10m 非视距和极限非视距四种情况[4]。
表1 标准模型四种环境下的信道参数
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道幅度增益。
簇和簇内多径到达时间均服从泊松分布过程：（2）
定义为小尺度衰落和大尺度衰落系数的乘积：
（3）
l 簇第k 的对数正态分布，即
（4）
图1 CM1LOS信道冲激响应
图1显示，发射端发射了一个脉冲，接收端产生多个多径分量，其中第一条分量传输的能量最高，不同簇表现有明显相同。图3显示，CM3信道比前两者具有更大的时间弥散和脉冲的时间间隔，最强峰值也不是出现在第一条路径上。
图2 CM2NLOS信道冲激响应
图2显示，多径冲激响应由多个簇相互叠加而成，由于障碍物的影响，最强峰值不是出现在第一条路径上，而是出现在第一条路径之后大约4ns 的地方。
图4 CM4极端NLOS 信道冲激响应
图4显示，在极端NLOS 情况下，发射能量的时间弥散比前面三者都要大，在第一条接收路径到达50ns 的地方仍然有接收能量的存在。
4 结束语
本文主要分析IEEE 802.15.3a室内信道标准模型的基础上，对其进行了仿真。仿真分为四种情况：CM1、CM2、CM3和CM4，分别对应0～4m 视距（LOS ）、0～4m 非视距（NLOS ）、4～10m 非视距和极限非视距，仿真结果与实际情况相符。
X 10
图3 CM3NLOS
信道冲激响应
参考文献：
[1]朱刚，超宽带（UWB ）原理与干扰，清华大学出版社，2009，4：2-3. [2]葛利嘉等译，超宽带无线电基础，北京：电子工业出版社，2005，5：196-203.
[3]Theodore S.Rappaport,Wireless Communications Principles and Practice,1996,Prentice Hall Inc.
[4]M.Z.Win,R.A.Scholtz.On the Robustness of Ultra-wide Bandwidth Signals in Dense Multipath Environments.IEEE Commun.Lett,1998,2(2):51-53.
（上接第149页）
4.3 故障分析
根据保护动作信息，经说明书查明手动合闸零序IV 段不带方向，经延时100ms （判别是否手合于故障，以躲开断路器三相不同期）。220kV 某站手动合闸后，启动手动加速模块+经零序IV 段保护动作--零序IV 段保护压板经零序保护IV 投退（保护控制字，当时处于投入）→实现“零序永跳”出口（见图4-1），并以图3-2中，此时，永跳逻辑开入节点接通，线圈1TJR1励磁动作后节点接通，并经远跳跳闸开入压板，经通道发远跳令传输到对侧。本侧1TJR1' 、1TJR2' 线圈励磁，并接通三相跳闸出口，并同时闭锁重合闸。保护动作正确。
1）是验收时应防止将手跳接点并接入永跳回路。否则，将发生手动分闸时，使本侧保护发出远跳信号给对侧，而对侧“远方跳闸受启动元件控制”整定为0时，则会直接三相跳闸出口，同时闭锁重合闸，引发误跳闸事故。
2）是当母差保护、失灵保护校验时，需要切除该母差失灵保护屏相应的出口压板，防止远跳误动作。
图4-1 零序IV 段启动永跳出口
5 结论
当前，220kV 及以上线路微机保护中都配置了远跳功能，其保证母线故障及断路器与电流互感器之间故障时，本侧及对侧能够将开关快速跳闸，切除故障。通过案例分析得出以下结论：
参考文献：
[1]北京四方，CSC-103A （B ）数字式超高压线路保护装置说明书，2008.08. [2]北京四方，220kV 线路光纤差动保护柜1-水乡侧说明书，2009.11.
[3]国家电力调度通信中心，《电力系统继电保护实用技术问答》，2000.2.
作者简介：
陈泽鹏，男，广东普宁人，本科，助理工程师，高级工，从事500kV 及220kV 变电站运行技术管理工作。