UWB室内信道分析
贾冰，赵成林，周正
摘 要：本文使用经典的双线模型（也称地面反射模型）来分析 UWB 信号在
短距离视距环境下传输特性，得出 UWB 信号传输特性与传统窄带信号传输特
性的差异，并根据双线模型得出的理论结果解释 DS-UWB 系统的实测结果。
关键词：自由空间损耗模型，双线模型，路径损耗指数，瑞利衰落，对数正
态阴影
1. 引言
超宽带规定为绝对带宽大于 500MHz或-10dB带宽大于 25%。美国 FCC对超宽带的频
谱规定为-10dB 带宽在 内[2]。UWB 的传输特性与窄带或传统意义上的宽带有
很大不同：UWB信号由于具有很宽的带宽，因此它有很高的时间分辨率[1]，它可以分辨出
相隔 1ns的多径分量，也就是相当于 米路径差的多径分量，因此，每个可分辨的多径分
量所包含的实际路径数往往只有 2至 3条，这远远小于窄带信号每多径分量所包含的实际路
径数目[2]。所以，对于 UWB 信道来说，传统的用来分析单个多径分量幅度统计特性的
Rayleigh和 Ricean分布已经不能适用了，最近的测试显示单独的多径成分的振幅增
益服从 Gamma 分布 [3]，肯定了低路径数的射线跟踪模型。UWB在多径信道中
传输不会出现深衰落，这一点不同于窄带[4][5]。并且，在短距离视距的环境下，UWB的路
径损耗特性甚至优于自由空间的路径损耗特性，它的路径损耗指数小于 2，而窄带的路径损
耗指数一般大于 3[6][7]。双径模型能简明直观的反映出 UWB信道的特性，对于 UWB不同
于窄带的一些特质能给出合理的解释。
2. 双径传播模型
UWB 系统的链路预算分析必须基于路径损耗模型基础之上，根据相关文献
UWB路径损耗模型近似符合自由空间损耗模型[9]。
在室内的短距离视距下，UWB 的传播模型并非自由空间，而是由小于 6 条路
径数目（通常是 2 到 3 条）的路径合成，因此，下面就用最基本的双线模型
来分析 UWB 信道。
我们先考虑单一频率的信号的双线模型，假定 UWB 发射信号在其带宽内
具有平坦的功率谱密度，再对频率进行积分，就得到 UWB 信号的双线模型的
衰落特性 [2]。
下面是双线地面反射模型的示意图 [8]：
-1-
北京邮电大学无线网络实验室，北京（100876）
1本课题得到国家自然科学基金项目（60372097；60432040；60572158；60572020）、北京市自然科学基金
项目（4052021）、教育部博士点专项基金项目（20060013008）和韩国仁荷（UWB-ITRC）合作项目的资助。
-2-
直接视距成分的电场强度矢量 LOSE
•
的复包络是：
( ) / /
0 0 0 0
jw d d c jw d c
LOSE E d e E d e
• ′− ∆= =
（ 2-1）
反射成分的电场强度矢量 gE
•
的复包络是 [2][8]：
0 0 / 'gE E d d
• = （ 2-2）
接收点处直接视距成分和地面反射成分的合成矢量 E tot
•
的复包络是 [2][8]：
/
0 0 0 0/ /
jw d c
LO S g 'E to t E E E d e d E d d
• • • ∆= + Γ = + Γ （ 2-3）
其中， 是 处的电场强度；表示双径模型中；表示在；其中 Γ是反
射系数；根据电磁场理论中的公式，可以求出接收功率
0E 0d
( , )P d w 。可以看出此
功率是接收机距离和信号频率的函数 [8]。
2
( , )
1 2 0
E to t
P d w π
•
=
（ 2-4）
对于 UWB 信号，它具有很宽的带宽，假设具有恒定的功率谱密度。我们
可以将单一频率的功率在 UWB 整个频带范围内积分来计算 UWB 信号的接收
功率。
2
( ) ( , )
120
H H
L L
f f
UWB
f f
E tot
P d P d w df dπ
•
= =∫ ∫ f
（ 2-5）
将（ 2-4）代入（ 2-5），得出：
2 2 2
0 0
2 2
1 2 2( ) [( ) cos( )sin( )]
120 'UWB c
E d c d dP d B f B
d d dd d c c
π π
π π
Γ Γ ∆ ∆= + +′ ∆ （ 2-6）
其中 d 是视距路径的路径长度， '为反射路径的路径长度， = - 是
路径差；
d d∆ 'd d
2
H L
c
f f+=f
为 UWB 信号的中心频率； H LB f f= − 为 UWB 信
号的带宽。 是光速常数。 c
分析（ 2-6）可知，当 固定， 是带宽 B 的函数，它有两项组成，d ( )UWBP d
2
2 2
1( )B
d d
Γ+ ′ 和
2 2cos( )sin( )
' c
c d df B
dd d c c
π π
π
Γ ∆ ∆
∆ ，前者随带宽增大线性增大，与
双径的路径差无关；而后者只是随 B 正弦变化，且与路径差有关。对于 UWB
信号，B 很大，前者起主要作用，后者只是在前者的曲线上叠加小幅波动；
反之，对于窄带信号，B 较小，后者起主要作用，曲线随 B 呈现明显的周期
波动。图 1 是式（ 2-6）仿真结果 :
图 1 不同带宽通信系统在 1-10 米内的路径损耗曲线
图中横坐标表示距离，纵坐标表示功率（ dB），图中的曲线簇代表带宽从
200MHz 到 4GHz 带宽中心频率为 4GHz 的信号的接收功率随距离变化的特
性。可以看出带宽越大，曲线变化越平坦，没有大的波动，当带宽较小时，
则呈现较大的波动。也就是说带宽越大，接收功率出现深衰落的可能性越小。
因为，在小于 10 米的短距离（收发天线的距离和收发天线高度和在一个数量
级）内，双径的路径差随收发天线的距离变化很快，就是说两条路径的相对
时延差变化很快，由于频率选择性衰落，窄带信号的接受功率会随着距离的
变化而出现波动，而对于 UWB，由于它有很宽的带宽，虽然有明显的频率选
择性衰落，但所有频率不可能同时发生深衰落，因此它的接受功率不会随距
离呈现明显的波动。图 2 中绘出了理想 Rayleigh 衰落，4MHz MB-OFDM，75
MHz DS-UWB， DS-UWB 的累积分布。 DS-UWB 没有深衰落，
而 4MHz MB-OFDM 却有接近理想 Rayleigh 衰落的深衰落 [7]。
-3-
-4-
图 2 不同带宽通信系统的衰落的累积分布
图 3 是飞思卡尔公司实测得到的 DS-UWB 信号的衰减特性曲线，从图中
我们可以看出：
1、 它接近的是自由空间的 2
1
R 的衰减特性，而不是 4
1
R 。
2、 它与自由空间的衰减曲线相比，有一定的波动。式 2-6 给出了合适的解释。
3、 距离越大，DS-UWB 的衰减测量数据优与于自由空间的理论数据。可以说
多径合成使得 UWB 信号比单一路径得到了加强。大量的实验数据表明，在室
内视距环境下，衰减系数一般小于 2。
图 3 实测得到的 DS-UWB 信号的衰减特性曲线
-20 -15 -10 -5 0 5
10-2
10-1
1
接受功率
小于横坐
标 x的概
率
X (dB)
4M
75
M
带
宽
G带
宽
理想瑞利衰落
DS-UWB
25%
-30
-27
-24
-21
-18
-15
-12
-9
-6
-3
0
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
dB
1
R
2
1
R
实测DS-UWB的衰减曲线
feet
26
3．对数正态阴影损耗模型
在相同 T—R 距离情况下，不同位置的周围环境差别非常大，这就导致测
试信号与预测的平均结果有很大差异。测试表明，对任意的 d 值，特定位置
的路径损耗为随机正态对数分布 [4][5]，即：
0 0 10
0
( ) ( ) 10 log ( )dPL d PL d X
d σ
γ= + ⋅ ⋅ +
（ 3-1）
对数正态阴影衰减模型是 UWB 室内信道实验研究经常建立的信道模型，
是参考点的功率损耗，通常 取 1 米，0 0( )PL d 0d γ 是路径损耗指数， Xσ是 0 均
值高斯分布随即变量。 σ 是 Xσ的标准差， γ 和 σ 是信道的两个重要参数，
它们由通信系统周围的环境的决定。 ITU 在总结了大量的统计模型的基础
上，给出了一个建议。具体参数见表 1[6][7]。
表 1 ITU 建议的 UWB 路径损耗模型的参数
UWB 路径损耗模型
1 – 10 GHz ( ) ( ) σγ Xd
ddPLdPL +⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛⋅⋅+=
0
1000 log10
环境 路 径 损 耗
指数
参 考 功 率
PL 0 [dB]
参 考 点
d 0 [m]
标准差
[dB]
室内居住环境
LOS
NLOS
Hard NLOS
~1 .7
3 .5 – 5
≥ 7
20 log(4 fd 0 /c )
20 log(4 fd 0 /c )
20 log(4 fd 0 / c )
1
1
1
1 .5
2 .7 – 4
4
室内办公环境
LOS
NLOS
hard NLOS
~1 .5
2 – 4
4 – 7 .5
20 log(4 fd 0 /c )
20 log(4 fd 0 /c )
20 log(4 fd 0 / c )
1
1
1
0 .3 – 4
1 .2 – 4
≥ 4
室外环境
LOS
NLOS
~2
3 - 4
20 log(4 fd 0 /c )
20 log(4 fd 0 /c )
1
1
[0 .5 – 1 ]
[< 3 ]
5 结论
本文以自由空间损耗模型、双径地面反射模型、对数正态阴影损耗模型三
个模型，从不同的角度和层面对 UWB 信道进行了分析。并对 DS-UWB 系统
的实验结果进行了分析和解释。
-5-
参考文献
[1 ]H Hashemi . “The Indoor Propaga t ion Channel [ J]” . Proceed ings of the IEEE, no .7 , Ju l
1993;vo l 81 :943-968
[2] Kamya Yekeh Yazdandoost Ryuj i Kohno, “The Ul t ra -Wideband Signa l
Propaga t ion” .Circuits and Systems, 2004. MWSCAS '04. The 2004 47th Midwest Symposium on , Volume:
2 , 25-28 July 2004
[3]Cassioli, D.; Durantini, A.; Ciccognani, W. “The role of path loss on the selection of the operating bands of
UWB systems”. Indoor and Mobile Radio Communications, 2004. PIMRC 2004. 15th IEEE International
Symposium on , Volume: 4 , 5-8 Sept. 2004
[4] S .S .Ghassemzadeh, , , in , , “Measurements and Model ing
of an Ul t ra -Wide Bandwidth Indoor Channe l” .Communications, IEEE Transactions onVolume
52, Issue 10, Oct. 2004 Page(s):1786 - 1796
[5] Cassioli, D. Win, . Molisch, . “The ultra-wide bandwidth indoor channel: from statistical model
to simulations” . Dipt. di Ingegneria Elettronica, Rome Univ., Italy Aug. 2002 Volume: 20
[6 ]Cont r ibut ions ITU-R 1-8/6-E-8 “UWB PATH LOSS MODELS” October 2003
Swi tze r land ,
[7] IEEE Working Group for Wire less Personal Area Ne tworks (WPANs)
“Channe l Model ing Sub-commit tee Repor t F ina l” . 18 November, 2002
[8 ]TheodoreS .Rappapor t 《Wire less Communica t ions Pr inc ip les and Prac t ice》
[9 ]朱雪田、李俊生 “UWB 信道仿真报告 ”
The Analyse of UWB Indoor Channel
Jia Bing，Zhao Chenglin，Zhou Zheng
Wireless Networks Laboratory Beijing University of Posts and Telecommunications,
Beijing(100876)
Abstract
In this paper, we analyze the UWB propagation and losses based on two ray model in the case of short
range line of sight UWB transmission. With the results of the two ray model study, we analyze the
differences between the propagation of UWB signal and traditional Narrowband signal. Then we try to
give a sound explanation of the measured data of the DS-UWB system.
keywords：Free Space Propagation Model, Two-Ray Model, the Path Loss Exponent, Rayleigh Fade,
Log-normal Shandowing
作者介绍:
贾冰：男,1981年生,硕士研究生。北京邮电大学电信工程学院电路与系统专业。
周正：男。北京邮电大学教授，博士生导师，长期从事通信电路与系统、信号处理
的教学与科研工作。近年来、主持或参加多项国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国
家 863计划、教育部科学技术研究重点项目、原邮电部重点科研项目及电子工业发展基金项
目的研究。
-6-
UWB室内信道分析
1. 引言
2. 双径传播模型
3．对数正态阴影损耗模型
5 结论
The Analyse of UWB Indoor Channel
Jia Bing，Zhao Chenglin，Zhou Zheng
Abstract
