专利名称：：脉冲超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法
技术领域：
：本发明涉及超宽带无线通信技术，尤其是涉及一种用于对脉冲超宽带无线通信系统的多径传播特性进行建模的方法。
背景技术：
：超宽带(Ultra-WideBand，UWB)通信技术就是在近期迅速发y^来的与传统无线通信技术不同的一种新型无线通信技术。按照美国联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission,FCC)的定义，任意相对带宽大于20%或带宽大于500MHz,并满足FCC对功率谱密度限制要求的信号，均被称为超宽带信号。由上述定义可以看出，现在的UWB包括了任何可以使用超宽带频谱的通信形式。这样，UWB的数据信号形式可以分为窄脉冲(冲激无线电)形式与调制载波的扩谱形式。后者可以将UWB信号搬移到合适的频段进行传输，从而更加灵活、有效地利用频谱资源，调制载波系统的信号处理方法与一般通信系统采用的方法相类似。而前者的特性和分析方法都与传统的窄带系统不同，本专利基于窄脉冲作为载体(I-UWB,以下所用UWB若未注明均指I-UWB)的UWB无线通信系统。超宽带无线信道物理环境通常可以分为视距环境和非视JJ巨环境两类。其中，非视距(Non-line-of-sight,NLOS)环境指发射机与接收机之间由于存在障碍物的遮挡作用而不存在直接传播J各径的无线传输环境。电波传播模型是研究任何无线通信系统首先要解决的基础性问题。无线传播环境的特性不仅是所有无线通信理论研究的基础，也更直接关系到工程设计中通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算，以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。美国AT&TBell实验室的A.M.Saleh和R.Valenzuela在1987提出的SV模型最早发现了NLOS环境下密集多径信号分簇到达的特性，并提出了簇和簇内多径信号平均能量呈双指数衰减，先后到达的多径信号路径增益统计独立的完整的多径传播模型。2002年，美国Intel公司的J.Foerster和Q.Li进行了具有更高分辨率的信道测量，证实了SV模型在分析UWB室内NLOS多径传播'特性方面的优异性能，并根据实测数据提出了对SV模型的简单修正(多径幅度服从对数正态分布)。IEEE802.15.3a标准工作组提出利用基于SV模型的修正模型作为UWB系统研究和设计的统一信道模型。国内相关方面尚处于基本理论研究阶段，没有形成较完整的多径传播模型。修正的SV模型，即SV/IEEE802.15.3a模型在实际应用中存在模型输入参数(如参数"簇到达率")获取困难的问题，且利用该模型生成的信道沖激响应中可能存在与实测数据不符的过多的随机到达的簇。上述两个问题主要由模型中簇个数随机分布导致，它一方面使模型不便于应用，另一方面造成模型仿真输出与实测数据失真。
发明内容本发明的目的在于提出一种脉冲超宽信号在非视距无线信道环境下双条多径传播模型，以有效解决SV/IEEE802.15.3a模型中输入参数获取困难的技术问题，使模型便于应用，且通过对模型参数的定义，满足对实测数据中NLOS环境不同遮挡情况的建才臭要求。为解决上述问题，本发明公开一种超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法，包括设定超宽带多径信号在非视距无线信道环境下以双簇形式传播；通过分别对第一簇的多径平均功率衰减指数、和第二簇的多径平均功率衰减指数72取值极性的定义，控制信道冲激响应平均能量峰值出现的时间，实现利用同一参数对非视距无线信道环境的"一般遮挡'，和"严重遮挡"两类不同遮挡条件下超宽带信号传播的信道冲激响应进行建模。较优的，所述超宽带信号传播的信道沖激响应为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，(c^/d为多径信号增益，"'j为第一簇和第二簇首径信号的到达时间，{《1/2}为每个簇内多径信号相对于该簇首径信号的到达时间，M和w分别为第一簇和第二的多径信号数目。较优的，所述对超宽带信号传播的信道冲激响应进行建模的步骤包括输入建模参数，包括平均射线到达率a、两簇的平均功率比a2、两簇时延；、第一簇和第二簇的衰减指数、和7:、以及对数正态分布标准差a;传播信道的初始化，包括基于模型输入参数生成相应的对数正态分布和指数分布，以及分别设定两簇首径信号的幅度和传播时延；分别生成多径信号幅度服从对数正态分布、多径信号的时间间隔服从指数分布的第一簇多径信号分量和第二簇多径信号分量；将多径信号分量以到达时间为序，整理相应的信号幅度顺序，输出连续信道相应的幅度矩阵和时间矩阵。较优的，所述多径信号到达接收机的时间服从泊松随机过程分布，且先后到达的多径信号的路径增益统计独立；所述多径信号到达的时间间隔服从指数分布为AT*,mI、-…)=Aexp[—A(、m—m)],m=1,2。较优的，所述多径信号幅度服从的对数正态分布的均值为,,—1010、A一ln(lO)ln(10)20较优的，所述双蔟多径信号的平均功率比^直^为,。,2|2]="2寺。」2]，0<"<1。较优的，所述衰减指数71和72均为正值时，对应于所述非视距无线信道环境的"一般遮挡"条件；所述衰减指数71为负值、72为正值时，对应于所述非视距无线信道环境的"严重遮挡"条件。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果1、本发明由于限定超宽带信号为两簇传播，因此本发明的双蔟模型有效的解决了SV/IEEE802.15.3a模型某些模型输入参数(如"簇到达率")难于获取的问题，使模型更加便于实际应用，简化了模型用于系统仿真的难度；2、通过对模型中多径平均功率衰减指数的定义，双簇模型可以用来对两类不同遮挡条件("一般遮挡"和"严重遮挡'，)的NLOS环境建模，即衰减指数取正值对应"一般遮挡"NLOS环境情况；衰减指数取负值对应"严重遮挡，，NLOS环境情况。就多径传播特性的三个统计量(平均附加时延、RMS时延扩展、峰值10dB门限内多径数，此三个统计量是国际上对信道模型性能分析中实用的通用参数)的累积分布特性而言，双簇模型明显优于8￥/1￡￡￡802.15.3&模型，因此通过对模型参数取值范围的分类定义，双簇模型能够更加准确建模具有较大差异的NLOS环境实测数据。图1A和图1B分别是本发明的双蔟多径传播模型在"一般遮挡"条件和"严重遮挡"条件下生成的两类NLOS信道沖激响应平均能量示意图。图2是本发明一个较佳具体实施例的流程示意图。图3A、图3B和图3C分别是一个具体应用实例中，本发明的双嚴多径传播模型和SV/正EE802.15.3a模型在一个测量点(属于"一般遮挡"NLOS环境)上平均附加时延、RMS时延扩展和峰值10dB门限内多径数的统计量累积分布(CDF)的对比示意图。图4A、图4B和图4C分别是一个具体应用实例中，本发明的双蔟多径传播模型和SV/IEEE802.15.3a模型在另外一个测量点(属于"严重遮挡"NLOS环境)上平均附加时延、RMS时延扩展和峰值10dB门限内多径数的统计量累积分布(CDF)的对比示意图。具体实施例方式本发明是根据大量UWB室内NLOS实测数据中总结的多径分布规律，提出UWB信号NLOS环境双簇多径传播模型。该模型有效解决了SV/IEEE802.15.3a模型输入参数获取困难的问题，使模型便于应用；通过对模型参数的定义，满足对实测数据中NLOS环境不同遮挡情况的建模要求。本发明是采用UWB信号NLOS环境双簇多径传播才莫型。多径信号不是按着固定的速率均匀到达接收机，而是分双簇形式到达。簇内射线的到达时间服从泊松随机过程分布，先后到达的多径信号路径增益统计独立。双蔟间有随机的相对幅度和时延，双簇内多径信号的平均功率随多径到达时间呈具有不同衰减指数的指数衰减，多径幅度呈对数正态分布。本发明通过对第一个簇的衰减指数的取值范围的定义，即可对两类不同遮挡条件NLOS环境进行建模。本发明的UWB信号NLOS环境双簇多径传播的离散时间信道冲激响应可以表示为柳=E，_-《o+E《外-《-《2)其中{^,1/2}为多径增益，{^2}为第一簇和第二簇首径的到达时间，{<1/2}为每个簇内多径相对于该簇首径的到达时间，M和iV分别为第一簇和第二的多径数目。1、多径信号到达时间分布设第一簇首径的到达时间为参考时间的起点，即？;'=0。设两簇的时间间隔为i;,即7;'-7;'=7;。由定义可知'T。m=0(m=l,2)。设双簇内的多径具有相同的达到速率A，在每簇内，多径的到达时间服从泊松随机分布，即多径的时间间隔服从指数分布户(丁^I丁w,J=AexP[-A(Tb—、—'附=1,22、多径信号增益分布多径增益系数定义为气nA,附，附二1，2其中A，是由于反射引起的信号极性的反转，以等概率取士l,A，第w簇第A径的随机分布参数。多径信号的增益服从对数正态分布201ogl0/^woc7Vorw"/(/^w,cr2),w—1,23、多径信号的平均功率分布两簇平均功率的比值为^:￡[|A),2|2]=a2,o,i|2]，0<"<1簇内平均功率服从指数衰减，第一簇的衰减指数为71,第二簇的衰减指数为72。五[|/\切|2]=00,附,"，附=1，2其中Q一为两簇首径的平均功率增益，可以由路径损耗模型或实测数据给出。对数正态分布均值可以表示为1010、/7附a2ln(10)ln(10)20本发明的双簇多径信号传输模型可以通过对多径平均功率衰减指数的定义来对两类不同遮挡条件NLOS环境建模。通过对参数、和7;取值极性的定义，即衰减指数均取正值对应"一般遮挡"NLOS环境情况；、取正值、72取负值对应"严重遮挡"NLOS环境情况，可以有效实现对信道冲激响应平均能量的峰值出现的时间位置的控制，从而实现通过对一个参数不同的取值范围的定义对"一败遮挡"和"严重遮挡"两类不同遮挡条件的NLOS环境冲激响应的建模。取不同衰减指数的双簇多径信号传输模型平均功率如图l所示。其中，图1A为"一般遮挡"条件下NLOS信道冲激响应平均能量示意图，困1B为"严重遮挡"条件下NLOS信道冲激响应平均能量示意图。另外，请参考图2所示，为本发明对超宽带信号在非^见距无线信道环境下传播的建模方法的流程示意图。包括步骤s210:输入建模参数的步骤。其中，建模参数包括平均射线到达率A、两簇的平均功率比a2、两簇时延7;、第一簇和第二簇的衰减指数力和7r以及对数正态分布标准差J,见表1所示<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表l双模型输入参数传播信道的初始化的步骤，包括步骤s220和步骤s230。步骤s220:基于模型输入参数生成相应的对数正态分布和指数分布。步骤s230:分别设定两蔟首径信号的幅度和传播时延，即设置第一蔟首径信号的到达时间(Tcl=0),以及第二簇首径信号的到达时间(Tc2=Tel+TN)。步骤s240:生成第一簇多径信号分量，多径信号幅度服从对数正态分布、多径信号的时间间隔Td服从指数分布Tlr=Tk+Td。(其中，下标lr为第一簇多径信号中的第r条多径信号)步骤s250:第一个簇截止的多径时延的最大值，判断条件乙<1071。如是，则返回步骤s240，否则，继续下一步骤s260。步骤s260:生成第二簇多径信号分量，多径信号幅度服从对数正态分布、多径信号的时间间隔Td服从指数分布T2r=T2r+Td。步骤s270:第二个簇截止的多径时延的最大值，判断条件T2r<1072。如是，则返回步骤s260，否则，继续下一步骤s280。步骤s280:将多径信号按到达时间排序，并根据径信号的到达时间整理出相应的幅度顺序。步骤s290:输出连续信道相应的幅度矩阵和时间矩阵。另夕卜，通过本发明建模形成的传播模型，就多径传播特性的三个统计量(平均附加时延、RMS时延扩展、峰值10dB门限内多径数，此三个统计量是国际上对信道模型性能分析中实用的通用参数)的累积分布特性而言，本专利的双蔟模型明显优于SV/IEEE802.15.3a模型，因此通过对模型参数取值范围的分类定义，双簇模型能够更加准确建模具有较大差异的NLOS环境实测数据。以下给出本发明的双簇多径传播模型的一个具体应用实例，将两个模型分别应用于对实例测试数据的建模，来证明本发明的双簇多径传播模型优于现有的SV/IEEE802.15.3a模型。应用南加州大学实验室/办公室NLOS环境信道实测数据(此数据系公开发布的实际测量数据，并被大量信道方面的研究采用)，对本专利所提出模型和SV/IEEE802.15.3a模型的性能进行分析和比较。性能研究中对两个模型生成的信道沖激响应的平均附加时延、RMS时延扩展、峰值10dB门限内多径数量三个统计量累积分布(CDF)特性进行比较，从而全面比较两个模型的性能。不失一般性，图3A、图3B、图3C和图4A、图4B、图4C分别给出在两个不同测量点的实测数据的三个统计量(平均附加时延、RMS时延扩展、峰值10dB门限内多径数)的CDF示意图，这两个测量点分别属于"一般遮挡"NLOS环境和"严重遮挡"NLOS环境，其他同类各测量点分别具有与二者一致的CDF特性。图3A、图3B、图3C和图4A、图4B、图4C表明就三个统计量的CDF而言，双簇模型明显优于SV/IEEE802.15.3a模型。CDF可以更加准确的描述随机变量的随机分布特性，由双簇模型生成的信道冲激响应与实测信道冲激响应数据在三个统计量上更加接近，即双簇模型在描述NLOS环境多径传播特性上更加准确。分析表明，双簇模型上述性能的提高主要是通过针对不同环境对模型输入参数取值范围进行定义，从而使模型适应对具有较大差异的实测数据的建模。为了便于双簇模型对UWB室内NLOS多经传播环境的实际应用，给出"一般遮挡"NLOS环境和"严重遮挡"NLOS环境的一组标准模型输入参数，并给出与之对应的模型输出信道沖激响应多径传播特性的三个统计量，见表2。<table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>信道CI对应UWB室内"一般遮挡"NLOS环境，其传输距离通常小于10m,信号传播穿透的室内建筑墙壁不超过2个；信道CII对应UWB室内"严重遮挡"NLOS环境，其传输距离通常大于10m,信号传播穿透的室内建筑墙壁超过2个以上。实际应用中，将信道的环境参数输入模型中，模型程序经过判断，自行选择信道CI和信道CII之一，并将相应的模型参数带入模型程序中，生成相应的UWB信号室内环境信道冲激响应输出。综上，本发明的模型实现了如下两方面性能的提高1、由于模型限定簇的数量为两个，因此本发明的双簇模型有效的解决了SV/IEEE802.15.3a模型某些模型输入参数(如"簇到达率")难于获取的问题，使才莫型更加便于实际应用，简化了模型用于系统仿真的难度。2、通过对模型中多径平均功率衰减指数的定义，双簇才莫型可以用来对两类不同遮挡条件("一般遮挡"和"严重遮挡")的NLOS环境建模。就多径传播特性的三个统计量(平均附加时延、RMS时延扩展、峰值10dB门限内多径数，此三个统计量是国际上对信道模型性能分析中实用的通用参数)的累积分布特性而言，双簇模型明显优于SV/IEEE802.15.3a模型，因此通过对模型参数取值范围的分类定义，双簇模型能够更加准确建模具有较大差异的NLOS环境实测数据。权利要求1、一种脉冲超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法，其特征在于，包括设定超宽带多径信号在非视距无线信道环境下以双簇形式传播；通过分别对第一簇的多径平均功率衰减指数γ1和第二簇的多径平均功率衰减指数γ2取值极性的定义，控制信道冲激响应平均能量峰值出现的时间，实现利用同一参数对非视距无线信道环境的“一般遮挡”和“严重遮挡”两类不同遮挡条件下超宽带信号传播的信道冲激响应进行建模。2、根据权利要求1所述的脉冲超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法，其特征在于，所述超宽带信号传播的信道冲激响应为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，{^,1/2}为多径信号增益，{7/2}为第一簇和第二簇首径信号的到达时间，{<1/2}为每个簇内多径信号相对于该簇首径信号的到达时间，M和iV分别为第一簇和第二的多径信号数目。3、根据权利要求1或2所述的脉沖超宽带信号在非^L距无线信道环境下传播的建模方法，其特征在于，所述对超宽带信号传播的信道冲激响应进行建模的步骤包括输入建模参数，包括平均射线到达率A、两簇的平均功率比"2、两蔟时延7>、第一簇和第二簇的衰减指数、和72、以及对数正态分布标准差a;传播信道的初始化，包括基于模型输入参数生成相应的对数正态分布和指数分布，以及分别设定两簇首径信号的幅度和传播时延；分别生成多径信号幅度服从对数正态分布、多径信号的时间间隔服从指数分布的第一簇多径信号分量和第二簇多径信号分量；将各径信号分量以到达时间为序，整理相应的信号幅度顺序，输出连续信道相应的幅度矩阵和时间矩阵。4、根据权利要求3所述的脉冲超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法，其特征在于，所述多径信号到达接收机的时间服从泊松随机过程分布，且先后到达的多径信号的路径增益统计独立；所述多径信号到达的时间间隔服从指数分布为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage3</formula>],m=1,2。5、根据权利要求3所述的脉冲超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法，其特征在于，所述多径信号幅度服从的对数正态分布的均值为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage3</formula>6、根据权利要求3所述的脉沖超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法，其特征在于，所述双簇多径信号的平均功率比值^为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage3</formula>7、根据权利要求1所述的脉冲超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法，其特征在于，所述衰减指数71和72均为正值时，对应于所述非视距无线信道环境的"一般遮挡，，条件；所述衰减指数71为负值、72为正值时，对应于所述非视距无线信道环境的"严重遮挡"条件。全文摘要本发明公开一种脉冲超宽带信号在非视距无线信道环境下传播的建模方法，包括基于对相关信道实测数据的分析，设定超宽带多径信号在非视距无线信道环境下以双簇形式传播；通过分别对第一簇的多径平均功率衰减指数γ<sub>1</sub>和第二簇的多径平均功率衰减指数γ<sub>2</sub>取值极性的定义，控制信道冲激响应平均能量峰值出现的时间，实现利用同一参数对非视距无线信道环境的“一般遮挡”和“严重遮挡”两类不同遮挡条件下超宽带信号传播的信道冲激响应进行建模。本发明由于限定超宽带多径信号为双簇传播，简化了模型结构，解决了SV/IEEE802.15.3a模型中某些输入参数难于获取的技术难题。且本发明通过对模型参数的定义，满足对实测数据中非视距环境不同遮挡情况的建模要求，便于实际应用。文档编号H04B7/04GK101345564SQ20071007590公开日2009年1月14日申请日期2007年7月10日优先权日2007年7月10日发明者张乃通,张钦宇,洋汪申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院