UWB无线视频传输技术及UWB信道网络模型的研究

引言

超宽带（Ultra-Wideband,UWB）是无线电通信及信号处理领域的热点之一。FCC 在2002 年提出的UWB信号的定义为：在-10 dB的带宽超过500 MHz的信号都是UWB 信号。而信道模型是超宽带通信系统设计和研究的基础。超宽带技术具有隐蔽性好、抗多径和窄带干扰能力强、传输速率高、系统容量大、穿透能力强、低功耗、系统复杂度低等一系列优点，而且可以重复利用频谱。对于无线视频的传输，可以解决频谱拥挤的问题。本文主要研究UWB 的信道模型，并对修正的S-V 的四种信道模型进行了Matlab仿真及在NS2中构建UWB网络模型。NS构建的网络模型在模拟传输JM压缩后的H.264文件时减小了构建系统的复杂度，NS构建的UWB网络不需要将视频进行调制解调，只需要将H.264文件进行解析，解析完成后会生成一个txt格式的文件。直接传输txt文件形式的trace文件，为视频传输减少了调制与解调带来的复杂过程。

1 IEEE 802.15.3a 信道模型

UWB的信道模型主要有两种：路径损耗信道模型；多径衰落信道模型。路径损耗信道模型有：大尺度衰落信道路径损耗模型和IEEE 802. 15. 3推荐的路径损耗模型；多径衰落信道模型有：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。本文主要对修正的S-V模型的四种信道进行了研究和仿真。

IEEE 信道模型最终决定采用基于簇方式的模型，IEEE对S-V模型进行了一些修改：用对数正态分布表示多径增益幅度；用另一个对数正态随机变量表示总多径增益的波动；最后，信道系数采用实变量而非复变量。

IEEE信道模型的信道冲激响应为：

式中：X 为对数正态随机变量，代表信道的幅度增益；L为观测到的簇的数目；K（l） 为第l 簇内接收到的多径数目；αlk 为第l 簇中第k 条路径的系数；Tl 为第l 簇到达的时间；τlk 为第l 簇中第k 条路径的延时。

信道系数αlk 定义为：

式中：plk 为以等概率取+1和-1的离散随机变量；βlk 为第l 簇中第k 条路径的服从对数正态分布的信道系数，表示为：

2 信道模型的Matlab 仿真

IEEE 802.15.3a 工作组给出了四种不同信道环境，见表1.各信道主要对距离和是否是视距进行了研究。

图1 为各信道冲激响应模型连续时间冲激响应的仿真结果。通过对信道模型的仿真对信道有一定的了解。通过对四种模型的仿真对四种模型的环境有更加深入的了解，对UWB网络的构建奠定了基础。

从图1中可以看出CM1与CM2的传输距离相同时，由于CM2 在发射极与接收极之间有障碍物，能量衰减严重。CM3 与CM1,CM2 相比具有更大的时间弥散。

CM4发射能量的时间弥散比前面任何一种更为明显。

3 NS2 网络的构建

3.1 NS2简介

NS2 是目前主流的网络模拟软件之一，其开源、免费和易于扩展的特性被大多数开发者青睐。NS2 是一个面对对象的、离散时间驱动的模拟器，使用C++和OTc（l 面对对象的Tcl语言）作为开放语言。

3.2 NS2模型的创建

由于在视频传输的仿真中，需要将真实的视频码流在网络中传输，因此必须对NS2 进行扩展与修改，添加视频传输仿真过程中所需的网络元素，包括代理的设计。

首先为Otcl脚本的编写，根据实际网络的要求，定义网络节点，配置网络拓朴结构，确定链路的基本特性；建立UDP代理，将UDP发送、接收代理分别绑定在相应节点上；设置好trace 对象，将trace文件，注入到NS2模拟网络中进行传输，然后模拟网络根据trace文件中的参数生成模型，随后得到相应的trace结果；最后根据trace文件对传输后的视频进行质量评估。流程图如图2所示。

3.3 NS2模型创建结果

本文创建的UWB网络是一个由三个节点组成一字形的拓扑结构，在CM1的条件下节点0向节点2发送恒定速率的数据流CBR.图3为NS2构建的UWB信道两张瞬时图。

从图3可以看出节点0会发送无线数据由节点1再传给节点2,从图中可以看出简单数据流的发送过程。

4 结语

本文主要对UWB 的信道进行研究，进而利用NS2创建UWB 网络。UWB 网络的创建为无线视频的传输提供一个平台，尤其是高清视频的传输。NS网络模型的构建也为无线视频传输的仿真过程减小了复杂度。

利用UWB网络可以对无线视频传输的丢包率、时延、吞吐量等进行进一步研究。