2.3　基于超宽带的无人机到可穿戴设备的无线电信道特性分析

在本节中，我们将研究测量活动的下一个部分，即数据处理和分析。我们将分析不同机体位置的路径损耗、超宽带信道衰减特性和不同环境下的时间色散特性。首先，我们进行路径损耗分析。

2.3.1　路径损耗分析

在上述测量活动的设置中，频率响应是关于频率、时间和距离的函数。因此，每个距离点的平均路径损耗是通过对随时间变化的频率响应 H （ t _i ， f _i ， d ）以及频率进行平均得到的。

式中， N =10， M =1601， H （ t _i ， f _j ， d ）是信道传递函数（或S12参数）。根据参考文献[20，21]，广泛使用的带阴影的路径损耗方程为

式中， d 是在人体特定位置拍下的超宽带接收器和发射器之间的距离，PL（ d ）是该距离的路径损耗（dB）， d ₀ 是参考距离，PL（ d ₀ ）是参考距离 d ₀ 的路径损耗（dB）， γ 是路径损耗指数， X _σ （ d ）是阴影系数。阴影因子由高斯分布表示，其平均值为零，方差为 σ ² 。这个方程可以很容易地用线性回归求解，并用于求解路径损耗指数。本章中，该方程又被用于室内和室外环境中（包含视线和非视线场景）的数据测量。图2.6显示了在室内环境中，在腰部、腹部与无人机之间使用超宽带无线电信道的情况下，应用线性拟合来求解路径损耗指数的一个案例。

表2.2显示了在视线情况下，九个身体位置在室内和室外环境中，超宽带无线电信道的路径损耗测量值和路径损耗指数。为了简化分析，两个或三个身体位置被合并为一个位置，它们各自的路径损耗测量值和路径损耗系数被平均化了。被合并的身体位置是手腕/手臂作为手，腹部/腰部/心脏作为胸部，耳朵/前额作为头部，大腿/小腿作为腿。表2.3显示了在视线情况下，四个身体位置在室内和室外环境中，超宽带无线电信道的路径损耗测量值和路径损耗指数。

表2.4中给出了在非视线情况下，室内和室外环境中，四个身体位置和无人机之间的超宽带无线电信道的路径损耗测量值和路径损耗指数。从这些测量结果可以清楚地推断出，额头是超宽带天线放置的最佳位置，因为它的路径损耗值最低；耳朵是超宽带天线放置的最差位置，在室内和室外环境的视线和非视线情况下，路径损耗值最高。耳朵效果最差的主要原因是，贴在耳朵上的天线方向与其他地方不同。这将使得耳朵上的超宽带天线和无人机上的天线之间产生指向性损失（极化损耗）。因为前额是身体最顶端的位置，所以天线指向无人机，使其具有较好的指向性。通过对比身体各部分，头部如预期的那样是超宽带天线放置的最佳位置，而腿部的结果则是最差的。在路径损耗之后，我们将阐明时间色散分析，特别是RMS延时、最大附加时延和平均时延。

2.3.2　时间色散分析

由于多径传输与大规模衰减的影响，当天线位于人体不同位置时，与无人机之间的超宽带信道会产生不同的延迟。在本节中，我们将根据功率延迟曲线（PDP） ^[20-21] 来分析三个延迟参数，即RMS延时、最大附加时延和平均时延。从数学上讲，功率延迟曲线是由以下公式给出的：

式中， h （ t ， τ ）是延迟为 τ 且距离 d 处的信道响应， P （ t ， τ ）是测量功率。平均附加时延是功率延迟曲线的第一个时刻，并给定为 ^[1]

RMS延时扩散基本上是功率延迟曲线的第二时刻，其公式为

其中 τ ² 根据下式计算：

式中， n 代表总的样本数。此外，最大附加时延是指接收功率低于特定阈值的时间延迟。在我们的案例中，该阈值被设定为5 dB。

如前所述，无线信道的功率延迟曲线描述了接收信号的平均功率，即在多径传输中相对于第一到达路径的延迟。从图2.7中可以看到不同距离下的延迟传播的平均功率延迟曲线，图2.8比较了视线情况下最大附加时延、平均附加时延和RMS时延。这里需要注意的一点是，随着发射器和接收器之间距离的增加，接收信号及其多径分量的延迟也会增加。这一点可以从图2.7中很容易看出来。

类似的规律可以推广到与功率延迟曲线相关的不同延迟（最大附加时延、平均附加时延和RMS时延），即发射器和接收器之间的距离越长，相应的延迟值就越高，这一点可以从图2.8中轻易推断出来。

此外，表2.5和表2.6显示了这些参数在视线和非视线情况下基于不同环境的时间色散分析。

2.3.3　不同姿势下的路径损耗分析

最后，我们将研究身体姿势不同时的路径损耗和时间色散特性。在不同身体姿势（站、坐、弯腰和平躺）情况下，测试者之间保持6m的固定距离。在室内环境和室外环境分别测试，待测试的位置为额头和胸部。表2.7列出了这四种不同姿势在室内和室外环境中的路径损耗值。

2.3.4　不同姿势的时间色散分析

本节将研究不同环境下两个身体位置与四种身体姿势的时间分散特性（最大附加时延、平均附加时延和RMS时延）。表2.8详细列出了室内和室外环境中不同身体姿势和身体位置的时延测量值。从这些测量值来看，在考虑到RMS时延时，对于室内的视线情况，额头是最佳位置，延迟为30.5ns；对于室外的视线情况，胸部是最佳位置，延迟为41.6ns；而对于非视线情况，腹部是最佳位置（包括室内和室外环境），在室内和室外环境中延迟分别为57.3ns和61.4ns。

现在，考虑平均附加时延，在室内视线情况下，额头是最佳位置，延迟为30ns；在非视线情况下，延迟值也分别为81.9ns和92.3ns。然而，在非视线情况下，胸部是最佳位置，室内环境的延迟为37.6ns。当考虑最大附加时延时，额头也是最佳位置，在视线情况下，室内环境中的延迟值为21.7ns，在非视线情况下，室内和室外环境中的延迟值为135ns和152ns。然而，在视线情况下，手臂和腰部是户外环境中更好的位置，每个位置的最大附加时延为12.7ns。

最后，仔细检查不同姿势的路径损耗和延迟，可以有把握地得出结论：两个位置的路径损耗和延迟相对相同；在某些姿势中，延迟较小的姿势路径损耗缺较大。总的来说，对于超宽带无线贴片来说，无论环境、传播情况（视线或非视线）以及不同的身体姿势，最佳位置是额头，因为它同时满足低路径损耗和低延迟。 ccXmgwfKOs2EKyzSeD07IrSLaRgQ7Xb0dJZyewbLl/VmfcWUgcGDmCtW9borA7wS