专利名称：一种功率时延分布的产生方法
技术领域：
本发明涉及无线系统的定位技术，特别是指用于定位的一种非可视信道(NLOS)功率时延分布的产生方法。
背景技术：
在蜂窝移动台定位系统或全球定位系统(GPS)中，由于地面建筑的遮挡或地形的起伏，导致定位信号不可避免地要受多径的影响，因此，从传输路径的角度将信号传输信道分为可视信道(路径)、准可视信道(LOS)和非可视信道三种。目前，信号的NLOS传播已成为一种普遍现象，现有非可视信道功率时延分布或称为非可视信道的冲击响应的产生方法有两种一种是由爱立信(Ericsson)公司在1998年向T1P1.5论坛提出的，所提出方案的编号为T1P1.5/98-110、名称为“Evaluation of Positioning System”，这是一种专为移动台定位仿真而建立的非可视信道功率时延分布的产生方法，该方法正在被普遍使用。Ericsson所提出的非可视信道功率时延分布的产生方法，由如下的基本步骤组成第一步先根据时延扩展模型产生时延扩展，该时延扩展模型为τrms＝T1dεy其中，τrms为时延扩展的均方根值；T1是距离d＝1km时的时延扩展的中值；ε是与距离有关的指数；y是一个对数正态变量，也就是说Y＝10logy是一个标准差为σ的高斯随机变量。
第二步然后计算最大时延扩展，该最大时延扩展的计算公式为τmax＝3.58τrms第三步根据计算出的最大时延扩展，产生功率时延分布模型。
比如产生20径，其附加时延τi在
之间且服从均匀分布，对各径的附加时延大小进行升序排列；计算出与τi相对应的Pi，并对Pi进行归一化，这里Pi第i径的功率，Pi、Pn也用于表示径在最小可分辨单元中的出现概率，根据上下文可以明确地区别其含义。
第四步根据所产生的功率时延分布模型调节功率时延分布。
由于Pi已归一化，可根据公式(1)计算平均功率时延，并利用公式(2)计算该平均功率时延分布所对应的时延扩展MeanDelay=Σpi·τiΣpi=Σpi·τi---(1)]]>RMSDelaySpread=Σpi·(τi-MeanDelay)2---(2)]]>调整功率时延分布使该信道的时延扩展与第一步时延扩展模型中的τrms相匹配，调整公式为τi＝(τi×τrms)÷RMSDelaySpread。
第五步最后，对每条径使用部分波来刻划其衰落特性。
另一种是与本发明相关的方法，该方法由T.S.Rappaport等人在名称为“Statistical Channel Impulse Response Models for Facrory and Open Plan BuildingRadio Communication System Design”，IEEE Trans Comm，Vol.39，No.5，May1991，pp794～807中提出，T.S.Rappaport等人给出的产生非可视信道功率时延分布的方法的应用目标是通讯仿真，虽然该方法并不能满足移动台定位的特殊需求，但由于该方法在原理上与本发明所提方法有相似之处，故在此对其进行讨论。
T.S.Rappaport等人给出的非可视信道功率时延分布或称信道冲击响应的方法，由如下基本步骤组成第一步分段描述非可视信道在不同附加时延区间内的径的总出现概率，即得到图1中101所示的径的出现概率曲线；第二步依照曲线101所示的出现概率，在相应的附加时延区间内的每个可分辨单元内，按曲线101给出的径的发生概率来产生径；第三步根据场测得到的径的功率统计特性，对第二步产生的径赋予相应的功率值。
针对上述两种方案可以看出，构造移动台定位仿真平台使用的非可视信道功率时延分布，与构造通讯用非可视信道功率时延分布所追求的目标是不同的，这就必然导致建模方法上的差异。对于通讯仿真，对τrms时延扩展描述的准确性是建模所追求的目标；而对于定位仿真，并不需要关心对τrms描述的准确性，产生定位仿真所需要的非可视信道功率时延分布要同时满足如下两个目标1)首径到达时间的准确性，这是决定定位精度最关键的参数，对于非可视信道而言，首径到达时间即为非可视信道引入误差，因此在产生移动台定位仿真使用的功率时延分布时，要保证首径到达时间描述的准确性；2)首径到达时间和其后各径的到达频度之间存在的统计规律的准确性，这是进行首径到达时间，即非可视信道引入误差估计的依据，因此，在产生移动台定位仿真使用的功率时延分布时，要准确地描述这个规律。
那么，从能否满足上述目标的角度，可以看出现有技术存在以下的缺点Ericsson公司提出的移动台定位信道模型和T.S.Rappaport等人给出的非可视信道功率时延分布产生方法，都没有给出进行准LOS信道和NLOS信道下进行到达时间(TOA)附加时延误差估计所需要的信息。本来，在NLOS信道和准LOS信道下，首径之后的若干径的功率时延特性与首径TOA附加时延误差之间存在相关性，利用这种相关性可以估计并矫正NLOS信道和准LOS信道下TOA附加时延误差，但是，现有信道模型没有体现出这种相关性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种功率时延分布的产生方法，使其能保证对信号到达时间描述的准确性，并能充分体现首径TOA附加时延误差与其后若干径功率时延特性之间的相关性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种功率时延分布的产生方法，该方法包括以下步骤
a.将最小距离分辨率作为可分辨距离单元，根据最大附加时延的功率时延分布个数和总功率时延分布个数计算出功率时延分布的出现比例，并进一步得到可分辨距离单元集合，然后确定该集合内径的出现时刻；b.根据步骤a所获得的可分辨距离单元集合和径的出现时刻，产生该集合内每条出现径的功率；c.根据步骤b得到的径的功率，获取径的功率衰落。
上述方案中，步骤a进一步包括a1.根据不同最大附加时延的功率时延分布个数和总功率时延分布个数，确定不同径出现概率Pn的功率时延分布的出现比例R(pn)；a2.将Pn的可能取值空间作为样本空间，步骤a1所得到的出现比例R(pn)作为Pn的出现概率，确定需要产生特定功率时延分布的Pn；a3.将步骤a2所确定的Pn作为发生概率，进行至少一重贝努利试验，将每次发生事件的贝努利试验次数k对应的可分辨距离单元ek作为元素形成一个可分辨距离单元集合，并将该集合的元素个数作为当前功率时延分布上径的个数；其中贝努利试验的次数为当前最大附加时延对应的可分辨距离单元的个数；a4.确定步骤a3所生成集合内径的出现时刻。
其中，步骤a1中所述的功率时延分布的出现比例R(Pn)为最大附加时延τmax_n的功率时延分布个数Nn除以总的功率时延分布个数N。
上述方案中，在非可视信道下，步骤a4中所述确定径的出现时刻进一步包括将至少两条子径放入当前可分辨距离单元内，根据所有子径共同作用产生的相关峰值的位置获取当前可分辨距离单元内径的出现时刻。在准非可视信道下，步骤a4中所述确定径的出现时刻在绕射时延误差结束处放置一条子径作为首径，在首径占有的第一可分辨距离单元内除放置首径外的位置随机放入首径以外的子径，且首径的幅度最大；根据所有子径共同作用产生的相关峰值的位置获取当前可分辨距离单元内径的出现时刻。
在非可视信道下，步骤a4中所述将子径放入当前可分辨距离单元为将所有要放入的子径在可分辨距离单元ek内按照均匀分布、或正态分布形式随机放入。或者，所述将子径放入当前可分辨距离单元为将可分辨距离单元ek按要放入径的数目划分为一个以上部分，在每部分按照均匀分布、或正态分布形式随机放入一条径；或是，将可分辨距离单元ek按要放入径的数目划分为一个以上部分，再将每条径分别放置于每部分的固定位置。
上述方案中，步骤b中所述可分辨距离单元集合内每个径的功率Ak在(0.5-1.5)内按照均匀分布产生；或按照Ak=Vk+0.1*Vke-6tkτmax_k]]>产生；或按照Ak=Vke-6tkτmax_k]]>产生；其中Vk为在(0.5-1.5)内按照均匀分布产生的随机变量，tk为可分辨距离单元集合内径的具体出现时刻。
上述方案中，步骤c中所述获取径的功率衰落采用部分波叠加的方式实现。
本发明所提供的功率时延分布的产生方法，具有以下的优点和特点1)本发明通过分解的径的到达概率来确定径在某个可分辨距离单元内是否出现，如此可保证对信号到达时间描述的准确性，而且，物理意义更明确，实现更简单。
2)本发明给出了一种非可视信道径的功率确定方法，该方法基于非可视信道的场测结果，在一个特定的最大附加时延τmax_n范围内，比如0～15条径以内，将径的功率沿附加时延(Excess Delay)的分布抽象为一个平稳的随机过程，这样既保证了移动台定位仿真中对NLOS误差分析的真实性，又避免了刻意追求径的功率分布和某个特定区域的场测结果相一致所导致的建模复杂化。
3)本发明从移动台定位仿真中NLOS误差矫正性能验证的特定需要出发，构造出一种综合体现以下两点的信道模型第一点，首径受其包含的反射子径影响的规律性；第二点，反射径的功率时延特性与首径TOA附加时延误差之间存在的规律性，利用所构造的这种信道模型，可进一步估计并矫正NLOS信道和准LOS信道下TOA附加时延误差。
图1(a)～(e)为非可视信道附加时延轴上径的等概率出现的区间示意图；图2为产生非可视信道功率时延分布的基本流程示意图；图3为产生径的出现时刻的处理流程示意图；图4为径出现时刻的确定过程示意图；图5为确定径的瞬时衰落幅度的处理流程示意图。
具体实施例方式
本发明给出了用于移动台定位仿真的非可视信道功率时延分布的产生方法，该方法是基于场测所揭示的NLOS环境下径出现概率所表现出的规律而提出的，下面先分析一下NLOS信道下径出现概率所表现出的规律如图1所示，图1(a)中的曲线101为文献G.L.Turin，et al，′A Statistical Modelof Urban Multipath Propagation′，IEEE Trans on Vehicular Tech Vol.VT-21，No.1，Feb.1972，pp.1～9给出的典型NLOS环境下径的出现概率曲线，该曲线的获得方法是1)以最小距离分辨率或时间分辨率T为单位，把附加时延由近到远依次分为若干个等间隔区间Ti，这里，所述的最小距离分辨率一般为测试脉冲的半功率宽度或扩频序列的码片宽度；2)在各个最小可分辨区间Ti内，统计测量中获得的总的N个功率时延分布上在该区间内出现的径的个数Mi；3)按照公式(3)即可计算得到该典型NLOS环境下径的出现概率曲线101。
Pi=MiN---(3)]]>曲线101表明在附加时延前部的一个特定区间内，即对应图1(a)中的0～CPL1，每个最小可分辨距离单元内，径的出现概率是近似相等的。对应图1(a)就是指CPLn(CPL，Constant probability length)个最小可分辨距离单元内，径的出现概率近似相等。
为了得到适用于非可视信道移动台定位仿真所需功率时延分布的产生方法，需要对曲线101按照下述方法作进一步分解假设在场测中，获得的不同最大附加时延为τmax_n(n∈1，2，3，...)的功率时延分布的个数为Nn，并认为在不同τmax_n对应的CPLn个最小可分辨距离单元内，每个可分辨距离单元从Nn个功率时延分布上获取的径的个数近似相等，则该径的个数记为mn，根据公式(4)就可得到在不同最大附加时延为τmax_n的一组功率时延分布上，各个可分辨距离单元Ti内，径的出现概率pnpn＝mn/Nn(4)其中，Pn就是与不同最大附加时延τmax_n对应的功率时延分布中径的出现概率，如图1(b)～(e)中所示，曲线102a、103a、104a以及108a分别是与τmax_2、τmax_3、τmax_4和τmax_8对应的功率时延分布上径的出现概率Pn；根据公式(5)即可计算得到出现概率为Pn的功率时延分布，在整个场测中获得的总的功率时延分布中所占的比例R(pn)R(pn)＝Nn/N (5)如果分别将每个τmax_n对应的Mn除以总的功率时延分布个数N，就可以得到出现概率为Pn的功率时延分布对总的出现概率Pi的贡献量P(Pn)，如公式(6)所示P(Pn)＝mn/N (6)图1(a)中的曲线102a、103a、104a、...108a就是P(Pn)的示意曲线，P(Pn)和Pi的关系为Pi＝∑n＝1:kP(Pn) (7)公式(7)中，k为实际处理中划分的τmax_n的个数。当i小于τmax_1对应的CPL1时，Pi为常数P，当i大于CPL1且小于CPLmax时，Pi随τmax_n中n的增加而减小，减小量为P(Pn)＝mn/N。这里，CPLmax是指CPL1～CPLn中最大的那个CPL。
上述分析表明，总的径出现概率曲线101可以分解为多组径的出现概率为pn＝mn/Nn的组合，而且，pn在其对应的τmax_n范围内的各个最小可分辨距离单元内是近似相等的，这就是本发明按照N重贝努利试验来产生非可视信道功率时延分布的依据之一。
另一个依据是场测表明在不同的可分辨距离单元之间，径的出现可以近似看作是相互独立的事件。
基于上述原理分析，本发明所述的非可视信道功率时延分布的产生方法，如图2所示，包括三个基本步骤步骤201产生径的出现时刻。
步骤202根据步骤201所获得的可分辨距离单元集合E和每条径的出现时刻，产生该集合内每条出现径的功率。
对出现径的可分辨距离单元集合E内的各条径的功率Ak，其功率可以用多种方法产生，如1)Ak在(0.5-1.5)内按照均匀分布产生；2)按照公式(8)产生Ak=Vk+0.1*Vke-6tkτmax_k---(8)]]>3)按照公式(9)产生Ak=Vke-6tkτmax_k---(9)]]>公式(8)、(9)中，Vk是在(0.5-1.5)内按照均匀分布产生的随机变量，tk是ek内径的具体出现时刻。
步骤203用部分波合成径的衰落特性，即产生径的功率衰落。
通过以上三个步骤，即可产生非可视信道下的功率时延的分布。
在上述步骤的步骤201中，如图3所示，进一步包括四个子步骤步骤301利用公式(5)来确定不同Pn的功率时延分布的出现比例R(Pn)；步骤302把Pn可能的取值空间作为样本空间，以R(Pn)作为Pn的出现概率，随机地产生出一个pn(n∈1，2，...CPLmax)，也就是，根据pn的可能取值空间和R(pn)，确定一个特定的、需要产生功率时延分布的Pn；步骤303将步骤302产生的pn作为发生概率，以τmax_n对应的可分辨距离单元的个数CPLn作为独立实验的次数，做N重贝努利试验，其中N＝CPLn。如果事件在第k(k∈1，2，...CPLn)次试验中发生，就在第k个可分辨距离单元ek中出现径，在CPLn次独立试验中，将出现径的ek构成一个集合E，E中的元素个数就是该功率时延分布上径的个数；步骤304确定可分辨距离单元集合E内，径的出现时刻，即在步骤303确定出来的出现径的所有可分辨距离单元ek内，进一步确定在哪个时刻上出现径。该步骤的具体实现方法是把每条径看作是若干条子径合成的结果，如由两条或两条以上的子径合成。下面以分解为两条子径为例加以说明参见图4所示，对于由两条子径构成一条径的情况，图4中，实线401表示在最大时延扩展范围内，由可分辨距离单元ek构成的序列；粗实线402和403构成可分辨距离单元e1中的径；实线404和405构成可分辨距离单元e2中的径；T表示可分辨距离单元ek的宽度，单位为码片。
在NLOS信道和准LOS信道下，为了体现准LOS信道下电波绕射路径引入的误差分量，图4给出的由可分辨距离单元ek构成的序列401，其起始点需要按照绕射路径误差产生一个随机后移，然后，再按照步骤304-1和304-2分别产生NLOS信道和准LOS信道径的出现时刻。
步骤304-1NLOS信道下径的到达时刻的产生，仍以两径为例进行说明为了使两条子径在可分辨距离单元ek内的位置合成一个相关峰值的出现时刻，可采用多种方法将两条子径放入可分辨距离单元ek内1)在可分辨距离单元ek内按照均匀分布或正态分布或其他分布形式随机地放入两条子径，或者把两条子径分别放在可分辨距离单元ek的两端；2)把可分辨距离单元ek分为前后两部分，如图4中以子径404、405中间的虚线进行划分，在前后每个部分内分别按照均匀分布或正态分布或其他分布形式随机地放入一条子径，比如前半部分放入子径404，后半部分放入子径405，或者把两条子径分别放入ek前后两部分中的某个固定位置。按照上述方法放入子径后，由子径共同作用的相关峰值的位置就是可分辨距离单元ek内径的出现时刻。
步骤304-2准LOS信道下的径的到达时刻的产生，也以两径为例进行说明准LOS信道径的出现时刻的产生方法和NLOS信道下径的出现时刻的产生方法的区别在于首径的产生方法不同，其它各径的产生方法和NLOS信道相同。准LOS信道下首径的产生方法是a)在绕射时延误差结束处，即对应第一个可分辨距离单元e1的起始点的位置放置一条子径作为首径，如图4中在e1的起始点，也就是对应绕射误差的结束点的位置放置子径402作为首径，在首径占有的第一个可分辨距离单元e1内的其他位置随机地放置其它子径，如子径403；b)在子径的幅度上，要保证放置在第一个可分辨距离单元e1起始位置上的子径，比如子径402的幅度大于该可分辨距离单元e1内的其它子径，如子径403。
对于步骤203中所提的产生径的功率衰落，本发明是采用现有技术中的部分波叠加的方法，来实现对径的功率衰落特性的描述。该方法如图5所示，由三个基本步骤组成步骤501确定部分波的幅度。
部分波的幅度Ai，j～|N(0，σa)|，其中i，j表示第i径的第j个部分波；N(0，σa)是一个均值为0、标准差为 的高斯随机变量j=0,1,......,Nw-1,σn=piNw(1-1-1mi)]]>其中，pi是第i径的相对功率；Nw是每条径所含的部分波个数，通常取100个；mi是第i径的Nakagami衰落参数。
步骤502确定部分波的相位。
部分波的相位包括三部分1)初始相位φi，j；2)移动终端运动引入的相位变化Δφi，j；3)同一基站的不同天线的信号到达移动终端的相位差ΔΨi，j。这里，移动终端可以是移动台。
这里，部分波的初始相位φi，j，按照在[-π，π]之间均匀分布来确定；计算由于移动台的运动而引起信号的相位变化，如公式(10)所示，移动台的运动对部分波相位的影响为Δφij=2π·fd·Δt=2π·vλcos(Paij)·Δt=2π·xλ·cos(Paij)---(10)]]>其中，i，j表示第i径的第j个部分波，fd是部分波所对应的多普勒频移，v是移动台的移动速度，λ＝0.15米是射频载波的波长，Pai，j是部分波到达移动台的角度，x是以测量起始时刻为参考原点的移动台位移量，单位为米。
对于同一基站下不同天线信号到达移动台的相位差的计算是这样在基站多天线系统中，以其中某一个天线作为原点(0，0)，即以该天线作为参考天线，其余第k个天线的极坐标为(rk，Θk)，那么，第k个天线的信号与参考天线信号到达移动台的相位之差为Δψi,j=2πλ·rk·cos(Θk-θi)]]>其中，i，j表示第i径的第j个部分波，1是射频载波的波长，θi为第i径离开基站天线的角度，第i径中每个部分波离开基站天线的角度都等于θi。
步骤503进行部分波叠加，产生具有所需衰落特性的径的瞬时幅度。
将Nw个部分波叠加在一起构成服从Nakagami-m分布的径，其中第i径的I路幅度为Σj=0Nw-1Ai,jcos(φi,j+Δφi,j+Δψi,j)]]>第i径的Q路幅度为Σj=0Nw-1Ai,jsin(φi,j+Δφi,j+Δψi,j)]]>这里，Ai，j、φi，j分别为第i径的第j个部分波的幅度和初始相位。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种功率时延分布的产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤a.将最小距离分辨率作为可分辨距离单元，根据最大附加时延的功率时延分布个数和总功率时延分布个数计算出功率时延分布的出现比例，并进一步得到可分辨距离单元集合，然后确定该集合内径的出现时刻；b.根据步骤a所获得的可分辨距离单元集合和径的出现时刻，产生该集合内每条出现径的功率；c.根据步骤b得到的径的功率，获取径的功率衰落。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a进一步包括a1.根据不同最大附加时延的功率时延分布个数和总功率时延分布个数，确定不同径出现概率Pn的功率时延分布的出现比例R(pn)；a2.将Pn的可能取值空间作为样本空间，步骤a1所得到的出现比例R(pn)作为Pn的出现概率，确定需要产生特定功率时延分布的Pn；a3.将步骤a2所确定的Pn作为发生概率，进行至少一重贝努利试验，将每次发生事件的贝努利试验次数k对应的可分辨距离单元ek作为元素形成一个可分辨距离单元集合，并将该集合的元素个数作为当前功率时延分布上径的个数；其中贝努利试验的次数为当前最大附加时延对应的可分辨距离单元的个数；a4.确定步骤a3所生成集合内径的出现时刻。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a1中所述的功率时延分布的出现比例R(Pn)为最大附加时延τmax_n的功率时延分布个数Nn除以总的功率时延分布个数N。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在非可视信道下，步骤a4中所述确定径的出现时刻进一步包括将至少两条子径放入当前可分辨距离单元内，根据所有子径共同作用产生的相关峰值的位置获取当前可分辨距离单元内径的出现时刻。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在准非可视信道下，步骤a4中所述确定径的出现时刻在绕射时延误差结束处放置一条子径作为首径，在首径占有的第一可分辨距离单元内除放置首径外的位置随机放入首径以外的子径，且首径的幅度最大；根据所有子径共同作用产生的相关峰值的位置获取当前可分辨距离单元内径的出现时刻。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将子径放入当前可分辨距离单元为将所有要放入的子径在可分辨距离单元ek内按照均匀分布、或正态分布形式随机放入。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将子径放入当前可分辨距离单元为将可分辨距离单元ek按要放入径的数目划分为一个以上部分，在每部分按照均匀分布、或正态分布形式随机放入一条径；或是，将可分辨距离单元ek按要放入径的数目划分为一个以上部分，再将每条径分别放置于每部分的固定位置。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中所述可分辨距离单元集合内每个径的功率Ak在(0.5-1.5)内按照均匀分布产生；或按照Ak=Vk+0.1*Vke-6tkτmax_k]]>产生；或按照Ak=Vke-6tkτmax_k]]>产生；其中Vk为在(0.5-1.5)内按照均匀分布产生的随机变量，tk为可分辨距离单元集合内径的具体出现时刻。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中所述获取径的功率衰落采用部分波叠加的方式实现。
全文摘要
本发明公开了一种功率时延分布的产生方法，该方法包括以下步骤a.将最小距离分辨率作为可分辨距离单元，根据最大附加时延的功率时延分布个数和总功率时延分布个数计算出功率时延分布的出现比例，并进一步得到可分辨距离单元集合，然后确定该集合内径的出现时刻；b.根据步骤a所获得的可分辨距离单元集合和径的出现时刻，产生该集合内每条出现径的功率；c.根据步骤b得到的径的功率，获取径的功率衰落。该方法能保证对信号到达时间描述的准确性，并能充分体现首径TOA附加时延误差与其后若干径功率时延特性之间的相关性。
文档编号H04W52/04GK1617601SQ200310113269
公开日2005年5月18日 申请日期2003年11月10日 优先权日2003年11月10日
发明者刁心玺, 叶环球, 郭房富 申请人:华为技术有限公司