专利名称：Cdma移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法
技术领域：
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及在第三代蜂窝移动通信系统中，用于移动台定位的一种可视信道或非可视信道的识别方法。
用于移动台定位的识别非可视信道(NLOS)的技术，首先由M.P.Wylie在题为“The Non-Line of Sight Problem in Mobile Location Estimation”的论文中涉及(以下简称文献1)。在1997年9月，M.P.Wylie向美国专利局递交了一份申请号为US 5,974,329，名称为“Method and System for MobileLocation Estimation”(以下简称文献2)的专利申请，旨在解决移动台定位中的NLOS误差矫正，在该专利申请中，将NLOS识别技术作为构成其发明的一个要素。其NLOS识别方法的基本思路是(1)对各个基站测量得到的用户设备(UE)到该基站间的距离进行长时间的记录；(2)对记录的大量数据进行平滑处理；(3)利用NLOS情况下测量的方差(相对于平滑后的数据，该方差由地貌特征造成)远大于LOS情况下测量的方差(该方差由系统误测量差造成)这个事实，进行NLOS识别。
文献1～2提出的NLOS识别方法，需要利用移动台的时间相关特性，也就是只适用于移动台运动时的可视路径识别，不适用于在移动台静止情况下的可视路径识别，而且由于需要较长的数据积累时间，会产生大的时延，难以满足联邦通信委员会(FCC)对响应时间的要求。
本申请人在申请号为01105808.0、名称为“码分多址蜂窝移动通信系统中非可视路径的识别方法和装置”的专利申请中(以下简称文献3)，提出一种利用多径功率分布进行可视路径识别的技术，是一种综合利用路径损耗、多径功率分布进行可视路径识别的方法。
文献3给出的方法虽然克服了文献1、2所述方法只能对移动状态下的终端进行可视路径识别的缺点，但是没有给出利用同一个功率时延分布中的径间功率差和平均时延与时延扩展之比τ/σ来实现LOS识别的方法，而且文献3中，对特征参量的选择也不够简洁，系统实现相对复杂。
T.S.Rappaport，“Characterization of UHF multipath radio channels infactory buildings”IEEE trans antenna and propagationvol.37，no.8，pp.1058-1069，Aug.1989(以下简称文献4)，根据室内测试的数据，讨论了室内可视路径的功率时延分布的τ/σ，与室内非可视路径的功率时延分布的τ/σ之间的差异，即文献4只是对室内可视路径和非可视路径情况下多径功率分布的规律做了讨论，其结论是较小的τ/σ表明能量朝首径集中；较大的τ/σ表明能量朝功率时延分布的中后部集中。文献4对τ/σ的讨论是建立在LOS距离已知、从而可以计算出直达径到达时间的前提下的，而在实际应用中，检测到的首径不一定是直达径，此外，对在实际应用中，如何计算τ/σ以及如何利用τ/σ的规律，文献中则未涉及。
本发明的一个目的是给出一种根据同一个功率时延分布上的直达径功率强度和非直达径功率强度之间的差异进行LOS与NLOS识别的方法；
本发明的另一个目的是给出一种在上述径功率差识别的基础上，再利用可视路径的功率时延分布的τ/σ(τ多径功率分布的平均时延；σ多径功率分布的均方根(RMS)时延扩展)和非可视路径的功率时延分布的τ/σ之间的差异，作进一步识别的方法。
实现本发明目的的技术方案是这样的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于包括以下处理步骤A.读入功率时延分布；B.从整个功率时延分布中挑选出幅度最大的最强径；C.确定平均噪声功率，并确定第1径的到达时间和最强径的到达时间；D.在局部最强径的搜索窗宽度内，检测到局部最强径并取值，判断最强径与局部最强径的比值是否大于门限K；E.判断第1径的到达时间与最强径的到达时间之差是否小于一时间定值T；F.在同时满足最强径与局部最强径的比值大于门限K，和第1径的到达时间与最强径的到达时间之差小于时间定值T时，判断为可视信道，否则判断为非可视信道。
所述的步骤F后，还设有对判断为非可视信道的功率时延分布，利用其功率时延分布在多径功率分布的平均时延与多径功率分布的均方根时延扩展(τ/σ)之间的差异作可视信道与非可视信道的进一步判决，包括G.计算表示为第i径的各可检测径的到达时间与第一个可检测径的到达时间之差τi；H.按公式对各可检测径计算平均时延(τ)和均方根时延扩展(σ)，n为可检测径的个数，Pi为第i径的功率，i为1至nτ-=Σi=1nτi*piΣi=1npi]]>2-=Σi=1n(τi)2*piΣi=1npi]]>σ=τ2--(τ-)2;]]>I.计算多径功率分布的平均时延与多径功率分布的均方根时延扩展之比(τ/σ)，在该比值小于Delta(Δ)时，判断为可视信道，在该比值不小于Delta(Δ)时，判断为非可视信道。
所述步骤I中，所述的Delta取值为0.5～1之间。
所述的步骤D中，在局部最强径的搜索窗宽度内没有可检测径存在时，用Theta(θ)倍的平均噪声功率作为局部最强径的取值。
所述Theta(θ)的参考取值为2。
所述步骤D中，所述的局部最强径是从最强径后选出的，并相对于最强径滞后Alpha(α)微秒范围内选取；所述的Alpha(α)值大于一个码片的宽度。
可以在步骤D中，让选取的室内信道的门限值K小于选取的室外信道的门限值K，将选取的室外信道参考门限值K定为10。
还可以在所述的步骤D中，进一步将门限值K取为K1与K2，且K1＞K2；并在所述的步骤F中，当最强径与局部最强径的比值大于K1时判为可视信道，当最强径与局部最强径的比值小于K2时判为非可视信道，当最强径与局部最强径的比值位于K1与K2之间时，判为不确定信道。
所述门限值K1的取值10，门限值K2的取值为5。
所述步骤E中，时间定值T的取值在3个码片宽度以内，典型值为2个码片的宽度。
本发明所述的功率时延分布，是指在系统完成多径搜索的基础上得到的功率时延分布，包括解扩、相干累加和非相干累加。
本发明技术方案与文献3的技术方案相比，是给出了利用同一个功率时延分布中的径间功率差，和利用多径功率分布的平均时延(τ)与多径功率分布的均方根(RMS)时延扩展(σ)之比τ/σ来实现LOS识别。
本发明的识别LOS方法的特点是既可用于移动台(终端)在移动情况下的可视信道的识别，也可用于移动台(终端)在静止情况下的可视信道的识别。从实现方法上，本发明利用现有通信系统的信号处理方法，如解扩、相干累加、非相干累加后的输出，作为特征参量提取的基础，具有实现简单、易于与现有的各种移动通信系统融合的特点。
仿真结果表明本发明的利用同一个功率时延分布上的直达径功率强度和非直达径功率强度之间的差异，进行NLOS识别的方法，和在该径功率差识别基础上，再利用可视路径的功率时延分布的τ/σ和非可视路径的功率时延分布的τ/σ之间的差异，作进一步识别的方法，都可以有效地区分LOS信道与NLOS信道，在移动台位置估计算法中引入上述识别法后，可以显著提高移动台的定位精度。
本发明的识别LOS的方法，也可作为一种信道辩识方法应用于高速数据传输等方面。
图1.a所示是一个典型的经过相干累加和非相干累加处理后的LOS信道的功率时延分布，图1.b所示是一个典型的经过相干累加和非相干累加处理后的NLOS信道的功率时延分布。
图1.a中，LOS信道功率时延分布的特点是在功率时延分布的起始位置或略微滞后1～2个码片位置处，存在一个最强径(Max_Path)，Max_Path径的强度服从莱斯分布；在紧跟主径后侧的一个区间Alpha(α)内，是由于地面强反射产生的准直达径，这些准直达径的幅度与最强径的幅度无巨大差异，但是迅速衰减；在Alpha(α)区间之后，是典型的NLOS径，径的强度服从瑞利分布，Local_Max_Path就在这个Local_Max_Path的搜索窗宽度区间内寻找(图中所示的起点至终点间)。实际测量表明，Local_Max_Path的幅度(图中所示为-30dB)显著低于Max_Path(图中所示为0dB)，一般Local_Max_Path低于Max_Path 10分贝以上(图中所示为30dB)。这种幅度上的差异成为实现本发明LOS识别的一个依据。
图1.b中NLOS信道功率时延分布的特点是在功率时延分布的起始位置或略微滞后1～2个码片位置处，是一个第1径(First_Path)，然后是最强径(Max_Path)；紧跟主径后侧是一个区间Alpha(α)；在Alpha(α)区间之后，是典型的NLOS径，Local_Max_Path在这个Local_Max_Path的搜索窗宽度区间内寻找(图中所示的起点至终点间)。实际测量表明，Local_Max_Path的幅度与Max_Path的幅度间无明显差别，这种幅度上的无差异特性成为实现本发明NLOS识别的一个依据。
参见图2，图中示出可视路径与非可视路径的功率时延分布的τ/σ之间的差异(τ是多径功率分布的平均时延；σ是多径功率分布的均方根(RMS)时延扩展)。图中横坐标表示功率时延扩展样本序号(即功率时延分布的序号)，纵坐标表示比值τ/σ，即平均时延/RMS时延扩展。
图2.a是以直达径到达时间为起始点，所计算的τ/σ曲线取值变化。可以看出，位于门限(图中所示为1.0)下方LOS信道的τ/σ的均值在0.65左右，位于门限(图中所示为1.0)上方NLOS信道的τ/σ均值在1.5左右，而且，以τ/σ＝1为门限，可以很好地区分这两种信道。
图2.b，表示以实际检测到的首径为起始点，所计算的LOS和NLOS功率时延分布的τ/σ，图中实线表示LOS信道的τ/o，虚线表示NLOS信道的τ/σ。图2.b中的τ/σ与图2.a中LOS及NLOS信道的τ/σ相比较，图2.b中LOS信道τ/σ均值只有略微降低(图中所示基本为0.65)，而NLOS信道τ/σ的均值则有显著的降低(从1.5降到1.0，降0.5左右)。
图2.b曲线表明，虽然在LOS信道的τ/σ和NLOS信道的τ/σ之间存在模糊带，但是，当τ/σ小于特定值后(图2.b中为0.65)，仍可以判为LOS信道。这就是本发明在利用径间幅度差进行LOS识别后，再利用τ/σ进一步进行LOS识别的依据。
参见图3，图中示出利用直达径和非直达径在功率强度(幅度)上的差异进行LOS信道与NLOS信道判决的基本流程。
第1步骤，读入功率时延分布，提取特征参量，该功率时延分布是系统在完成相干累加、非相干累加基础上实现的功率时延分布，以相干累加、非相干累加的输出作为特征参量提取的基础。
第2步骤，挑选出最强径Max_Path，Max_Path是指在整个功率时延分布中幅度(功率强度)最大的那个径。
第3步骤，确定平均噪声功率(Average_Noise_Power)，并确定第1径(首径)的到达时间(Time_Of_First_Path_Arrival)和最强径(Max_Path)的到达时间(Time_Of_Max_Path_Arrival)。求取平均噪声功率可采取目前已经成熟的技术，由两大步骤完成。第一步是在功率时延分布中去掉N个(如N＝5)最强径，去除的方法是在功率时延分布上选取取值最大的采样点，然后将这个最大采样点两侧三个样点范围内(含三个样点)的样点值都置为零，得到去掉一个径的功率时延分布，重复本步骤，每次都是在去掉一个径的功率的基础上进行的，直到重复N-1次，就去掉了N个径的功率(当径的个数少于N时，会将噪声功率当作径功率去掉，但这对实际应用没有影响)；第二步是在搜索窗内对去掉N个径的功率时延分布进行平均，就得到平均噪声功率。
第4步骤，确定局部最强径(Local_Max_Path)，从最强径之后选出局部最强径(如果存在局部最强径)，Local_Max_Path必须在相对于Max_Path滞后Alpha(α)微秒范围内选取，如果在这个区间内没有可检测径存在，就取噪声平均功率的Theta(θ)倍(如Theta＝2)作为Local_Max_Path的取值。选取Local_Max_Path的区间，定在最强径之后且和最强径相隔Alpha(α)微秒的目的，是为了避开LOS信道中紧跟在最强径后的强反射径，Alpha(α)值的选取应该大于一个码片(CHIP)的宽度。
第5步骤，利用下面两式(1)、(2)进行判断Max_Path/Local_Max_Pat＞K (1)Time_Of_First_Path_Arrival-Time_Of_Max_Path_Arrival＜T(2)式(1)中，是判断最强径与局部最强径的比值(Max_Path/Local_Max_Path)是否大于门限值K，其中的局部最强径(Local_Max_Path)有两种取值情况，一是存在局部最强径的情况，另一个是不存在局部最强径的情况，此时的局部最强径取为Theta(θ)倍的平均噪声功率，Theta(θ)的参考取值为2。对于室内和室外信道，门限值K的选取会有差异，一般来说，对于室内信道所选取的K值要小于对于室外信道所选取的K值，对于室外信道选取的K的参考取值为10。
式(2)中，判断第1径的到达时间与最强径的到达时间之差是否小于时间定值T，T的取值在3个码片(CHIP)以内，典型值为2个码片(CHIP)的宽度。
第6步骤，如果同时满足式(1)、式(2)，则判为LOS信道，如果不能同时满足(1)、式(2)，则判为NLOS信道。
实际信道的功率时延分布是多种多样的，在一些特定的环境下，LOS信道的最强径与局部最强径的比值(Max_Path/Local_Max_Path)可能和NLOS信道的最强径与局部最强径的比值(Max_Path/Local_Max_Path)在取值上产生交叠。为了区分这种情况，可以对门限K的取值进一步细分为K1与K2，且K1＞K2，如K1取10，K2取5。
当最强径与局部最强径的比值(Max_Path/Local_Max_Path)＞K1时，判为LOS信道；当最强径与局部最强径的比值(Max_Path/Local_Max_Path)＜K2时判为NLOS信道；当K1＞(Max_Path/Local_Max_Path)＞K2时，判为不确定信道。
参见图4，图中示出综合利用径间功率差和τ/σ进行NLOS识别的流程，主要包括由步骤41、42、43构成的第一部分操作和由步骤44至48构成的第二部分操作，在第一部分操作中，利用径间功率差进行识别，即利用直达径和非直达径在幅度上的差异进行判决，先判决出可视信道(LOS)，然后对于判决出的非可视信道再进行第二部分操作，进一步判决出可视信道(LOS)或非可视信道(NLOS)。
第1至第2步骤的操作，是利用直达径和非直达径在幅度上的差异进行判决，该部分的操作同图3步骤，不再详述。
由于在选取门限值K时，其选取准则是以较高的漏判概率来保证低的虚判概率，所谓漏判即是将一部分LOS信道漏判成NLOS信道了，所谓虚判则是将NLOS信道误判为LOS信道了，于是导致了在不满足关系式(1)的功率时延分布中存在一些LOS信道的功率时延分布，为了对这些LOS功率时延分布作进一步的挑选，需要利用LOS信道和NLOS信道的功率时延分布在τ/σ之间的差异作进一步判决。由第3至第7步骤，利用LOS信道和NLOS信道的功率时延分布在τ/σ之间的差异作进一步判决。
第3步骤由公式(3)计算各径(各可检测径，表示为第i径)相对于第一个可检测径(首径)的时延，即第i径的到达时间与第一径的到达时间之差τi，τi＝Time_Of_iTh_Path_Arrival-Time_Of_First_Path_Arrival (3)。
第4步骤计算平均时延τ和时延扩展σ，理论分析中对平均时延τ和时延扩展σ的定义为τ-=Σi=1nτi*piΣi=1npi---(4)]]>τ2-=Σi=1n(τi)2*piΣi=1npi---(5)]]>σ=τ2--(τ-)2---(6)]]>式中，n为可检测径的个数；τi为第i径相对于直达径(假设存在)到达时间的时延；Pi为第i径的功率。
实际系统中，一般情况下无法测量得到公式中定义的LOS径的到达时间，为了计算τ，本发明采用的变通方法是把实际检测到的首径的位置即出现时间(Time_Of_First_Path_Arrival-Time)作为时间起点，这样得到的τ比理论分析中(按照基站和移动台间的直线距离所对应的时延为起点得到的.)得到的平均时延要小，这种减小量在LOS情况下是很微小的，但是在NLOS路径情况下，按照式(3)得到的τ比实际的τ有较大的差异，这种情况通过对比图2.a和图2.b就可以看出。
由于是不随式(3)的计算方法改变的，因此，在NLOS情况下，τ/σ会比实际值有明显的减小，而在LOS情况下，τ/σ与实际值间的差异则不明显，即τ/σ相对实际值不会明显减小，从而导致LOS情况下的τ/σ值和NLOS情况下的值τ/σ之间的差异缩小，降低了识别的准确性。
第5步骤利用关系式(7)求取τ/σ值，根据τ/σ的取值区间，对信道类别进行判断，Gama＝τ/σ (7)。
第6步骤，利用关系式(8)，判断Gama与delta间的大小关系，进行NLOS识别，Gama＝τ/σ＜delta(Δ) (8)第7步骤，可以令Delta(Δ)＝0.6(Δ的取值是0.5到1之间的某个值)，满足τ/σ小于0.6，就判为LOS信道，不满足τ/σ小于0.6，判为NLOS信道。
参见图5，是本发明方法在系统中的一种实施例，在基站(NODE-B)中的LOS识别模块，对解扩、相干累加、非相干累加结果进行可视信道(LOS)与非可视信道(NLOS)的识别，并将识别结果通过Iub接口上报给无线网络控制器(RNCRadio Network Controller在GSM中称作基站控制器)中的位置估计单元，由RNC中的位置估计单元利用这个LOS识别结果改进其位置估计精度。
除了图5所示的在NODE-B中实现LOS识别外，还可以采取在终端设备(UE)中放入本发明所述LOS识别模块的方法，通过Uu接口将识别结果传给NODE-B和RNC。
本发明的识别可视信道与非可视信道的方法，也可应用于高速数据传输中用作信道辩识。
权利要求
1.一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于包括以下处理步骤A.读入功率时延分布；B.从整个功率时延分布中挑选出幅度最大的最强径；C.确定平均噪声功率，并确定第1径的到达时间和最强径的到达时间；D.在局部最强径的搜索窗宽度内，检测到局部最强径并取值，判断最强径与局部最强径的比值是否大于门限K；E.判断第1径的到达时间与最强径的到达时间之差是否小于一时间定值T；F.在同时满足最强径与局部最强径的比值大于门限K，和第1径的到达时间与最强径的到达时间之差小于时间定值T时，判断为可视信道，否则判断为非可视信道。
2.根据权利要求1所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述的步骤F后，还设有对判断为非可视信道的功率时延分布，利用其功率时延分布在多径功率分布的平均时延与多径功率分布的均方根时延扩展(τ/σ)之间的差异作可视信道与非可视信道的进一步判决，包括G.计算表示为第i径的各可检测径的到达时间与第一个可检测径的到达时间之差τi；H.按公式对各可检测径计算平均时延(τ)和均方根时延扩展(σ)，n为可检测径的个数，Pi为第i径的功率，i为1至nτ-=Σi=1nτi*piΣi=1npi]]>2-=Σi=1n(τi)2*piΣi=1npi]]>σ=τ2--(τ-)2;]]>I.计算多径功率分布的平均时延与多径功率分布的均方根时延扩展之比(τ/σ)，在该比值小于Delta(Δ)时，判断为可视信道，在该比值不小于Delta(Δ)时，判断为非可视信道。
3.根据权利要求2所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述步骤I中，所述的Delta取值为0.5～1之间。
4.根据权利要求1或2所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述的步骤D中，在局部最强径的搜索窗宽度内没有可检测径存在时，用Theta(θ)倍的平均噪声功率作为局部最强径的取值。
5.根据权利要求4所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述Theta(θ)的参考取值为2。
6.根据权利要求1或2所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述步骤D中，所述的局部最强径是从最强径后选出的，并相对于最强径滞后Alpha(α)微秒范围内选取；所述的Alpha(α)值大于一个码片的宽度。
7.根据权利要求1或2所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述的步骤D中，选取的室内信道的门限值K小于选取的室外信道的门限值K，选取的室外信道参考门限值K是10。
8.根据权利要求1或2所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述的步骤D，进一步取门限值K1与K2，且K1＞K2；所述的步骤F中，是当最强径与局部最强径的比值大于K1时判为可视信道，当最强径与局部最强径的比值小于K2时判为非可视信道，当最强径与局部最强径的比值位于K1与K2之间时，判为不确定信道。
9.根据权利要求8所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述门限值K1的取值10，门限值K2的取值为5。
10.根据权利要求1或2所述的一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，其特征在于所述步骤E中，时间定值T的取值在3个码片宽度以内，典型值为2个码片的宽度。
全文摘要
本发明涉及一种CDMA移动通信系统中可视与非可视信道的识别方法，在系统完成相干累加、非相干累加基础上，根据同一个功率时延分布上的直达径与非直达径功率强度之间的差异，及进一步利用LOS功率时延分布的τ/σ与NLOS功率时延分布的τ/σ之间的差异(τ、σ分别是多径功率分布的平均时延与均方根时延扩展)，进行可视信道(LOS)与非可视信道(NLOS)识别。其中，利用同一个功率时延分布上的径间功率差，包括判断最强径与局部最强径之比大于门限K(当不存在局部最强径时用θ倍的平均噪声功率代替之)；和第1径到达时间与最强径到达时间之差小于定值T，当同时满足两条件时判为LOS信道，否则为NLOS信道。实现简单，易于与现系统融合。
文档编号H04B1/707GK1430367SQ0114511
公开日2003年7月16日 申请日期2001年12月30日 优先权日2001年12月30日
发明者刁心玺, 郭房富 申请人:华为技术有限公司