引言

超寬帶（Ultra-Wideband,UWB）是無線電通信及信號處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。FCC 在2002 年提出的UWB信號的定義為：在-10 dB的帶寬超過500 MHz的信號都是UWB 信號。而信道模型是超寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的基礎(chǔ)。超寬帶技術(shù)具有隱蔽性好、抗多徑和窄帶干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力強(qiáng)、低功耗、系統(tǒng)復(fù)雜度低等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且可以重復(fù)利用頻譜。對于無線視頻的傳輸，可以解決頻譜擁擠的問題。本文主要研究UWB 的信道模型，并對修正的S-V 的四種信道模型進(jìn)行了Matlab仿真及在NS2中構(gòu)建UWB網(wǎng)絡(luò)模型。NS構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型在模擬傳輸JM壓縮后的H.264文件時(shí)減小了構(gòu)建系統(tǒng)的復(fù)雜度，NS構(gòu)建的UWB網(wǎng)絡(luò)不需要將視頻進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，只需要將H.264文件進(jìn)行解析，解析完成后會生成一個(gè)txt格式的文件。直接傳輸txt文件形式的trace文件，為視頻傳輸減少了調(diào)制與解調(diào)帶來的復(fù)雜過程。

1 IEEE 802.15.3a 信道模型

UWB的信道模型主要有兩種：路徑損耗信道模型；多徑衰落信道模型。路徑損耗信道模型有：大尺度衰落信道路徑損耗模型和IEEE 802. 15. 3推薦的路徑損耗模型；多徑衰落信道模型有：802.11 信道模型、Rayleigh信道模型、Saleh-Valenzuela（S-V）信道模型、Δ-K信道模型和修正的S-V信道模型。本文主要對修正的S-V模型的四種信道進(jìn)行了研究和仿真。

IEEE 信道模型最終決定采用基于簇方式的模型，IEEE對S-V模型進(jìn)行了一些修改：用對數(shù)正態(tài)分布表示多徑增益幅度；用另一個(gè)對數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量表示總多徑增益的波動；最后，信道系數(shù)采用實(shí)變量而非復(fù)變量。

IEEE信道模型的信道沖激響應(yīng)為：

式中：X 為對數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量，代表信道的幅度增益；L為觀測到的簇的數(shù)目；K（l） 為第l 簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目；αlk 為第l 簇中第k 條路徑的系數(shù)；Tl 為第l 簇到達(dá)的時(shí)間；τlk 為第l 簇中第k 條路徑的延時(shí)。

信道系數(shù)αlk 定義為：

式中：plk 為以等概率取+1和-1的離散隨機(jī)變量；βlk 為第l 簇中第k 條路徑的服從對數(shù)正態(tài)分布的信道系數(shù)，表示為：

2 信道模型的Matlab 仿真

IEEE 802.15.3a 工作組給出了四種不同信道環(huán)境，見表1.各信道主要對距離和是否是視距進(jìn)行了研究。

圖1 為各信道沖激響應(yīng)模型連續(xù)時(shí)間沖激響應(yīng)的仿真結(jié)果。通過對信道模型的仿真對信道有一定的了解。通過對四種模型的仿真對四種模型的環(huán)境有更加深入的了解，對UWB網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

從圖1中可以看出CM1與CM2的傳輸距離相同時(shí)，由于CM2 在發(fā)射極與接收極之間有障礙物，能量衰減嚴(yán)重。CM3 與CM1,CM2 相比具有更大的時(shí)間彌散。

CM4發(fā)射能量的時(shí)間彌散比前面任何一種更為明顯。

3 NS2 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

3.1 NS2簡介

NS2 是目前主流的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件之一，其開源、免費(fèi)和易于擴(kuò)展的特性被大多數(shù)開發(fā)者青睞。NS2 是一個(gè)面對對象的、離散時(shí)間驅(qū)動的模擬器，使用C++和OTc（l 面對對象的Tcl語言）作為開放語言。

3.2 NS2模型的創(chuàng)建

由于在視頻傳輸?shù)姆抡嬷?，需要將真?shí)的視頻碼流在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，因此必須對NS2 進(jìn)行擴(kuò)展與修改，添加視頻傳輸仿真過程中所需的網(wǎng)絡(luò)元素，包括代理的設(shè)計(jì)。

首先為Otcl腳本的編寫，根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的要求，定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，配置網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，確定鏈路的基本特性；建立UDP代理，將UDP發(fā)送、接收代理分別綁定在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；設(shè)置好trace 對象，將trace文件，注入到NS2模擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，然后模擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)trace文件中的參數(shù)生成模型，隨后得到相應(yīng)的trace結(jié)果；最后根據(jù)trace文件對傳輸后的視頻進(jìn)行質(zhì)量評估。流程圖如圖2所示。

3.3 NS2模型創(chuàng)建結(jié)果

本文創(chuàng)建的UWB網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一字形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在CM1的條件下節(jié)點(diǎn)0向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送恒定速率的數(shù)據(jù)流CBR.圖3為NS2構(gòu)建的UWB信道兩張瞬時(shí)圖。

從圖3可以看出節(jié)點(diǎn)0會發(fā)送無線數(shù)據(jù)由節(jié)點(diǎn)1再傳給節(jié)點(diǎn)2,從圖中可以看出簡單數(shù)據(jù)流的發(fā)送過程。

4 結(jié)語

本文主要對UWB 的信道進(jìn)行研究，進(jìn)而利用NS2創(chuàng)建UWB 網(wǎng)絡(luò)。UWB 網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建為無線視頻的傳輸提供一個(gè)平臺，尤其是高清視頻的傳輸。NS網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建也為無線視頻傳輸?shù)姆抡孢^程減小了復(fù)雜度。

利用UWB網(wǎng)絡(luò)可以對無線視頻傳輸?shù)膩G包率、時(shí)延、吞吐量等進(jìn)行進(jìn)一步研究。