CN1310549C - 一种多径统计建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多径统计建模的方法，该方法包括以下步骤：a.在传播环境下，根据不同信道的出现比例确定信道类型;b.根据步骤a确定信道类型后信道的径的TOA附加时延的产生机理和统计规律，分别确定首径和非首径的到达时刻，以及各个径的功率或幅度；C.为步骤b所述各个径预先设置子径，用子径合成步骤b所述各个径的到达时刻，和功率或幅度；d.产生并调整应用子径合成径的功率时延分布；e.应用部分波叠加合成子径的衰落特性。应用本发明的多径统计模型，既描述了不同信道下由多径、绕射路径和反射路径引入的TOA附加时延误差具有的统计规律，又描述了不同信道下进行TOA附加时延误差估计所需要的信息，且方便简单，易于操作。

Description

一种多径统计建模的方法

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，特别是指一种多径统计建模的方法。

背景技术

在无线通讯和无线定位领域，普遍存在的多径是影响通讯和定位性能的一个关键因素。多径建模是对不同信道下通讯和定位性能评估的一个重要手段。

多径建模涉及到在不同信道下，如可视路径(LOS)信道、受遮挡损耗影响的LOS信道，准可视路径(QUASI-LOS)信道、非可视路径(NLOS)信道，对径的时延、不同径的到达时延之间的相关性、径的幅度及幅度变化、径的相位及相位变化等特征的准确描述。在对多径参数进行准确描述的基础上，再结合不同传播环境，如室内环境、蜂窝移动通讯的市区环境、陆地卫星移动通讯的市区环境、全球定位***(GPS)的市区传播环境等，对平均时延、时延扩展等方面的要求，就构成了真实的信道冲击响应建模。因此，多径建模是信道冲击响应建模的基础，对多径中的每个径的各种特征的描述是否全面、准确，直接决定了信道冲击响应模型的准确性和应用范围。

对于一些特定应用，如在仿真验证无线定位***的定位性能时，需要对多径、绕射路径和反射路径引入的到达时间(TOA)附加时延误差的大小进行估计，这就要求多径模型能够描述用于TOA附加时延误差估计的信息，该信息包括描述不同信道下(如LOS信道、NLOS信道)不同位置上(如第一径、第二径)径(相关峰)的形状信息(如径的波形对称性、径的波形重心滞后量)，以及描述特定信道下(如NLOS信道)特定径之间(如首径和其之后的第二、第三径之间)在到达时间上的相关性。

爱立信(Ericsson)公司在1998年向T1P1.5论坛提出一种专为移动台定位仿真而建立的信道冲击性响应(功率时延分布)的产生方法，其编号为T1P1.5/98-110，Ericsson提出的信道冲击性响应模型中对径的描述为：

1)根据时延扩展模型产生时延扩展

时延扩展的模型为：τ_rms＝T₁d^εy，其中τ_rms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＝101ogy是一个标准差为σ的高斯随机变量；

2)计算最大时延扩展

最大时延扩展τ_max确定为：τ_max＝3.58τrms；

3)产生功率时延分布中径的位置即出现时刻

T1P1.5/98-110推荐的一种典型方法为：在[0，τ_max]时间区间内，按照均匀分布产生20径，其附加时延τ_i在[0，τ_max]之间服从均匀分布；对各个径的时延大小进行升序排列；计算出和τ_i相对应的P_i(此处P_i为第i径的功率，P_i、P_n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)，并对P_i进行归一化。

4)调节功率时延分布

计算平均功率时延 $\mathrm{MeanDelay}=\frac{\mathrm{\Σ}{p}_i\·{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\Σp}}_i}={\mathrm{\Σp}}_i\·{\mathrm{\τ}}_i$ (因为p_i已归一化)，以及该平均功率时延分布所对应的时延扩展 $\mathrm{RMSDelaySpread}=\mathrm{\Σ}\sqrt{p_i\·{({\mathrm{\τ}}_i-\mathrm{MeanDelay})}^2};$ 调节功率时延分布使该信道的时延扩展与步骤1中的时延扩展模型中的τ_rms相匹配，调整公式为：τ_i＝(τ_i×τ_rms)÷RMSDelaySpread。

5)计算每个径的功率(或幅度)

在NLOS和准LOS信道下，按照公式(4)来确定径的相对功率(或幅度)；

$A_i=V_i{e}^{\frac{{6t}_i}{{\mathrm{\τ}}_{\max }}}---\left(4\right)$

公式(4)中，A_i是第i条径的相对功率(或幅度)，V_i是在(0.5-1.5)内按照均匀分布产生的随机变量，t_i是第i条径的具体出现时刻，τ_max是信道的最大时延；

在LOS信道下，按照公式(5)来确定M条径的相对功率；

$\frac{A_1}{A_i}=(10~40)---\left(5\right)$

公式(5)中，A₁是第1条径的功率(或幅度)，A_i是第i(i＞1)条径的相对功率(或幅度)。

6)对每个径应用部分波来刻划其衰落特性

对于不同的信道下的径，或同一种信道下不同位置的径，其衰落因子根据规定0.2～20之间取值。该步骤采用信道建模中常用的部分波叠加方法，具体实现步骤如下：

(1)确定部分波的幅度

部分波的幅度A_i，j～|N(0，σ_a)|，其中，″i，j″表示第i径的第j个部分波，N(0，σ_a)是一个均值为0，标准差为σ_a的高斯随机变量，j＝0，1，......N_w-1， ${\mathrm{\σ}}_a=\sqrt{\frac{p_i}{N_w}(1-\sqrt{1-\frac{1}{m_i}})},$ 其中p_i是第i径的相对功率；N_w是每一径所含的部分波个数(通常取100个)；m_i是第i径的Nakagami衰落参数。

(2)确定部分波的相位

部分波的相位包括三部分：

(a)初始相位Φ_i，j，按照在[-π，π]之间均匀分布来确定；

(b)由移动台运动引入的相位变化ΔΦ_i，j，或者是由卫星运动的多普勒频移导致的相位变化，具体关系为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{i,j}=2\mathrm{\π}\·f_d\·\mathrm{\Δt}=2\mathrm{\π}\·\frac{v}{\mathrm{\λ}}\cos \left({\mathrm{Pa}}_{i,j}\right)\·\mathrm{\Δt}=2\mathrm{\π}\·\frac{x}{\mathrm{\λ}}\·\cos \left({\mathrm{Pa}}_{i,j}\right)$

其中，″i，j″表示第i径的第j个部分波，f_d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，Pa_i，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，其单位为米；

(c)由同一基站不同天线的信号引入的到达移动台的相位差Δψ_i，j，具体方法为：在基站多天线***中以其中某一个天线作为原点(0，0)，即参考天线，其余第k个天线的极坐标为(r_k，Θ_k)；那么第k个天线的信号到达移动台的相位与参考天线信号到达移动台的相位之差为：

${\mathrm{\Δ\ψ}}_{i,j}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·r_k\·\cos ({\mathrm{\Θ}}_k-{\mathrm{\θ}}_i)$

其中，″i，j″表示第i径的第j个部分波，λ是射频载波的波长，θ_i为第i径离开基站天线的角度(第i径中每一个部分波离开基站天线的角度都等于。)。

(3)进行部分波叠加，产生具有所需衰落特性径的瞬时幅度

将Nw个部分波叠加在一起构成服从Nakagami-m分布的径，典型地，N_w＝100。

上述方法的缺点是：1)缺少对***可分辨的径内包含的子径对***可分辨的径在附加时延方面影响的描述；2)缺少对NLOS信道下，首径时延与其后特定区间内径的相对时延(即相对于特定时间参考点)之间相关性的描述。由于T1P1.5模型在径的产生方面存在的上述缺陷，使得T1P1.5模型无法用于TOA附加时延误差抑制算法性能的验证，TOA附加时延误差在LOS信道下由多径引入；在NLOS信道下由均匀分布的散射体和子径叠加共同引入；在准LOS(QUASI-LOS)信道下由绕射路径和子径迭加共同引入；在存在阴影遮挡损耗的LOS信道下由子径迭加引入。

文献B.R.Townsend，D.J.R.Van Nee et al“Performance EValuation ofEstimating Delay Lock Loop”ION National Technical Meeting，Anaheim，California，January 18-20，1995.给出了一种利用子径合成的径来描述首径受多径影响而发生时延变化的方法，该方法对LOS信道下，包括虽然受到树木等物体的遮挡，但是仍然存在LOS路径，只是LOS成分较弱的情况，由多径引起的LOS信道首径峰值滞后以及首径的形状变化是一种合理的建模，该建模方法也可以提供TOA附加时延误差估计所需要的信息。

B.R.Townsend，D.J.R.Van Nee等人提出的径的建模方法的缺点是：1)无法描述准LOS信道下由于电波绕射引入的TOA附加时延误差，而这种误差在大多数市区环境下是普遍存在的；2)无法描述在NLOS信道下，首径时延与其后特定区间内的径的相对时延(相对于特定时间参考点)之间相关性，而这种相关性是进行NLOS误差估计的基础。

现有信道模型，如T1P1.5定位模型或COST(COST：欧洲政府间的科技协作组织机构——framework for European Co-operation in the field ofScientific and Technical)模型等，在多径建模方面普遍存在的缺陷是：虽然对TOA附加时延误差的统计规律进行了描述，但是没有对进行TOA附加时延误差估计所需要的信息进行描述，这就决定了现有模型无法用于TOA附加时延误差抑制算法的仿真验证。

现有文献对LOS信道下TOA附加时延误差受多径(这里是指首径内的子径)影响的规律和多径建摸方法，以及估计这种TOA附加时延误差的原理和方法有较为充分的讨论，但是，如何在准LOS信道和NLOS信道下建立一个既能够体现TOA附加时延误差的统计规律又能够体现TOA附加时延误差估计所需要的信息的多径模型，现有文献中没有有效的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多径统计建模的方法，使该模型既可以描述不同信道下由多径、绕射路径和反射路径引入的TOA附加时延误差具有的统计规律，又可以描述不同信道下进行TOA附加时延误差估计所需要的信息。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多径统计建模的方法，该方法包括以下步骤：

a、在传播环境下，根据不同信道的出现比例确定信道类型；

b、根据步骤a中确定信道类型后信道的径的达到时间TOA附加时延的产生机理和统计规律，分别确定首径和非首径的到达时刻，以及各个径的功率或幅度；

c、为步骤b所述各个径预先设置子径，用子径合成步骤b所述各个径的到达时刻，和功率或幅度；

d、产生并调整应用子径合成径的功率时延分布；

e、应用部分波叠加合成子径的衰落特性。

较佳地，步骤a所述传播环境至少包括恶劣市区BADURBAN环境、市区URBAN环境，乡村RURAL环境或室内INDOOR环境。

较佳地，步骤a所述不同信道的出现比例是从场测数据中获取的。

较佳地，步骤a所述信道类型为可视LOS信道，受遮挡损耗影响的LOS信道，准LOS信道或非可视NLOS信道。

较佳地，在LOS信道环境下，步骤b所述确定首径到达时刻的方法为：根据信道的相干时间确定该信道的非相干累加次数，按照自由度等于两倍的非相干累加次数的CHI2分布，产生LOS信道下的首径到达时刻。

较佳地，在受遮挡损耗影响的LOS信道下，步骤b所述确定首径到达时刻的方法为：按照正态分布，产生受遮挡损耗影响的LOS信道下的首径到达时刻。

较佳地，在准LOS信道环境下，步骤b所述确定首径到达时刻的方法为：

b1、根据指数分布，产生首径绕射路径引入的TOA附加时延误差E1；

b2、将首径占用的时间宽度向后扩宽E1；

b3、以未移动前的首径占用时间宽度的中心为时间参考点，根据信道的相干时间确定该信道的非相干累加次数，按照自由度等于两倍的非相干累加次数的CHI2分布，产生LOS信道下的首径到达时刻，将该时刻与E1相加得到准LOS信道环境下的首径到达时刻。

较佳地，步骤b1所述指数分布的分布参数是根据绕射路径均值确定的。

较佳地，在NLOS信道环境下，步骤b所述确定首径到达时刻的方法为：

b1、根据指数分布，产生均匀分布的散射质心引入的TOA附加时延误差E1；

b2、将首径占用的时间宽度向后扩宽E1；

b3、以移动后的首径占用时间宽度的中心为时间参考点，按照正态分布，产生NLOS信道下的由多径引入的TOA附加时延误差到达时刻的分量，将该由多径引入的TOA附加时延误差到达时刻的分量与E1相加，得到NLOS信道环境下的首径到达时刻。

较佳地，所述正态分布的均值和方差的取值范围在最小可分辩单元内，且所述均值的较佳取值范围为0.3至0.6码片宽度之间，所述方差的较佳取值范围为0.1至0.3码片宽度之间。

较佳地，步骤b所述确定非首径的到达时刻的方法为：

b1、预先计算非首径的个数M，根据指数分布产生均匀分布的散射体质心引入TOA附加时延误差Ei；

b2、判断该非首径的质心出现时刻的均值时刻Ci是否大于对应传播环境下的最大时延τ_max，如果是，则结束该处理，否则以Ci为参考点，按照正态分布产生第i径的到达时刻，然后执行步骤b3；

b3、判断第i径的到达时刻ti是否大于等于对应传播环境下的最大时延τ_max，如果是，则结束该处理，否则，令i等于i加1后，重复执行步骤b2，直到i等于非首径的个数M为止。

较佳地，所述非首径的个数M是根据确定信道下各径的间隔大小和相对首径的功率时延分布的最大时延确定的。

较佳地，所述正态分布均值和方差的取值范围在最小可分辩单元内，且所述均值的较佳取值范围为根据指数分布产生均匀分布的散射体质心引入TOA附加时延误差Ei与0.3至0.6码片宽度之间的数值的和，所述方差的较佳取值范围为0.1至0.3码片宽度之间。

较佳地，所述指数分布的分布参数是由均匀分布的散射体的质心密度公式确定的。

较佳地，步骤c所述为步骤b所述各个径预先设置子径的方法为：分别为每个径设置两个子径，其中之一为单位功率的子径，位于待合成径p_i的最小可分辨单元的前沿，另一个为可调整功率和到达时刻的子径，位于待合成径p_i的最小可分辩单元的后沿。

较佳地，步骤c所述用子径合成步骤b所述各个径的到达时刻的方法为：

调整可调整功率和到达时间子径的出现时刻的位置，或该子径的功率或幅度，或该子径的出现时刻的位置和该子径的功率或幅度，直到子径所合成径的质心位置出现在待合成径p_i的到达时刻处为止，记录此时子径的功率或幅度，并根据质心原理，计算出此时的子径所合成径的功率或幅度；

较佳地，步骤c所述用子径合成步骤b所述各个径的功率或幅度的方法为：

根据已计算出的子径所合成径的功率或幅度，以及由步骤b确定的径的功率或幅度，计算上述两者之间的比值r，单位功率子径的功率或幅度的值为1乘以比值r，可调整功率和到达时刻的子径的功率或幅度为调整好所合成径的所在质心位置时的功率或幅度的值乘以比值r，应用已计算出的单位功率子径的功率或幅度和可调整功率和到达时刻的子径的功率或幅度，根据质心原理合成子径所合成径的功率或幅度。

应用本发明的多径统计模型，既描述了不同信道下由多径、绕射路径和反射路径引入的TOA附加时延误差具有的统计规律，又描述了不同信道下进行TOA附加时延误差估计所需要的信息，且方便简单，易于操作。

附图说明

图1所示为LOS信道下理论分析的TOA附加时延误差分布曲线和场测得到的TOA附加时延误差分布曲线的对比曲线；

图2所示为准LOS信道下理论分析的TOA附加时延误差分布曲线和场测得到的TOA附加时延误差分布曲线的对比曲线；

图3所示为NLOS信道下理论分析的TOA附加时延误差分布曲线和场测得到的TOA附加时延误差分布曲线的对比曲线；

图4所示为应用本发明的多径建模的基本步骤流程图；

图5所示为LOS信道下径的产生方法示意图；

图6所示为受遮挡损耗影响的LOS信道下径的产生方法示意图；

图7所示为准LOS信道下径的产生方法示意图；

图8所示为NLOS信道下径的产生方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和效果更加清楚，下面对本发明再做进一步详细的说明。

不同信道下TOA附加时延误差产生的机理和统计规律是进行多径建模的基础。在LOS信道、由遮挡(如树叶)造成衰减的LOS信道、准LOS信道和NLOS信道下，导致TOA附加时延误的因素是不一样的，这些因素导致TOA附加时延误差的机理也不相同，下面分别加以介绍。

LOS信道下TOA附加时延误差的产生机理和统计规律。

对于LOS信道环境下TOA附加时延误差分布形式的分析，需要将单个可分辨的首径分解为两个子径P_s0和P_sr，其中，P_s0表示首径中的直达成分，即相对于LOS路径TOA附加时延误差为0的子径；P_sr表示首径中P_s0之后的经过反射路径到达的成分，即相对于LOS路径TOA附加时延误差不为0的子径。那么，在时延估计，也就是TOA测量的过程中，相关器输出的时间就是P_s0和P_sr的质心位置。因此，分析TOA附加时延误差的分布形式就转化为分析P_s0和P_sr的质心位置的分布形式。

设t_lc为LOS信道首径的质心位置，t_sr为P_sr的位置，p_s0为P_s0的功率，p_sr是P_sr的功率，在接收机不作非相干累加时：

$t_{\mathrm{lc}}=\frac{t_{\mathrm{sr}}\×p_{\mathrm{sr}}}{p_{s0}+p_{\mathrm{sr}}}$

鉴于P_sr是由反射分量构成的，因此，P_sr远远小于p_s0即p_sr＜＜p_s0，这样上式可简化为：

$t_{\mathrm{lc}}=\frac{t_{\mathrm{sr}}\×p_{\mathrm{sr}}}{p_{s0}}=\left(\frac{p_{\mathrm{sr}}}{p_{s0}}\right)t_{\mathrm{sr}}$

在上式中，p_s0不存在衰落，可当作常量处理。由于散射体分布的均匀性和相互独立的性质，根据中心极限定理，子径P_sr的到达时间t_sr应该是服从正态分布，p_sr则服从自由度n的CHI2分布(无非相干累加处理时n＝2)。当n＝2时，该分布和Γ(α＝1，β＝2)相同，该分布也就是指数分布Γ(α＝1，β)＝expo(β)。其中，α是形状因子，β是比例因子。

由于t_sr的变化速度和幅度远小于P_sr的变化速度和幅度，如，在接收机移动1/2波长时，t_sr基本不变，但是P_sr却经历了衰落峰值点到谷值点的变化。为了使对t_lc的统计规律的分析简化，可以近似认为t_lc在随P_sr变化时，t_sr取常数C，如C＝0.5码片。于是有公式(1)：

$t_{\mathrm{lc}}=\frac{C\×p_{\mathrm{sr}}}{p_{s0}}---\left(1\right)$

公式(1)表明，LOS信道下多径引入的TOA附加时延误差近似服从自由度为n的CHI2分布。

图1所示为LOS信道下理论分析的TOA附加时延误差分布曲线和场测得到的TOA附加时延误差分布曲线的对比曲线。其中，图1a是进行TOA附加时延测量时测量***的固有误差曲线；图1b是理论分析的TOA附加时延误差的分布曲线，该曲线是令自由度为20，且对应10次非相干累加，并应用公式(1)得到的TOA附加时延误差的分布曲线，即CHI2分布曲线；图1c中的曲线是考虑到***误差影响时的TOA附加时延误差的分布曲线，图1c中的条形图是实际测量得到的TOA附加时延误差曲线。对比图1c中的曲线和条形图可以看出，使用CHI2分布可以很好地描述实际的TOA附加时延误差的分布，这也表明公式(1)给出的使用质心位置分析TOA附加时延误差的方法是合理的。

当LOS信道受到遮挡时，如由于树木的遮挡导致直达波功率p_so的传播损耗急剧增加，以至于直达波功率和反射波的功率的大小相当时，在这种情况下，根据中心极限定理，首径的质心t_lc服从正态分布。

准LOS信道下TOA附加时延误差的产生机理和统计规律。

在QUASI-LOS信道下，造成TOA误差的因素除了多径引起相关器输出跟踪直达波和反射波的能量中心之外，还包括电波传播中的绕射引入的路径误差t_df。

设QUASI-LOS环境下多径造成的TOA误差为t_q，t_q＝t_mq+t_df，其中：t_mq是QUASI-LOS信道下由首径的重心后移导致的附加时延误差。所谓首径重心后移是由于在最先到达的波面(波前)后的一个码片(CHIP)时间宽度内，尾随波前到达的众多子径与波前共同作用的结果；t_df是电波传播中的绕射引入的路径误差。需要强调的是，在QUASI-LOS信道下，p_sr远远小于p_s0，即p_sr＜＜p_s0这个条件已经不能很好地满足，但是，为了分析的简化，还是可以近似地认为p_sr＜＜p_s0，因为这对实际应用并无实质性影响。

在散射体均匀性分布的条件可以满足的情况下，t_df满足指数分布。考虑到t_mq和t_df是独立的，t_q的分布就是t_mq和t_df分布的卷积。即

t_q＝t_df+t_mq

f_Q(t_q)＝chi2(t_df，n)expO(t_mq，β)                         (2)

其中，n表示自由度，β表示指数分布的均值。

公式(2)是理论分析导出的QUASI-LOS信道下由多径和绕射路径产生的TOA时延误差的解析表达式。

图2所示为准LOS信道下理论分析的TOA附加时延误差分布曲线和场测得到的TOA附加时延误差分布曲线的对比曲线。其中，图2a为准LOS信道下TOA附加时延误差中由绕射路径引入的分量的统计分布形式，其是一种指数分布；图2b为准LOS信道下，未包含***误差的根据公式(2)得到的TOA附加时延误差中由绕射分量和反射分量共同引入的误差分量的理论分布曲线，从图中可以看出，准LOS信道下TOA附加时延误差中由绕射分量和反射分量引入的误差分量近似地满足公式(1)揭示的CHI2分布；图2c中的曲线表示考虑到***误差影响时的准LOS信道下，根据公式(2)得到的TOA附加时延误差的理论分布曲线，图2c中的条形图表示实际测得的包含***误差的准LOS信道TOA误差曲线。对比图2c中的曲线和条形图可以看出，使用公式(2)可以很好地描述实际的TOA附加时延误差的分布，这也表明公式(2)揭示的准LOS信道下TOA附加时延误差的产生机理是正确的。

NLOS信道下TOA附加时延误差的产生机理和统计规律。

在NLOS环境下，由于首径和其后的径都是由众多子径叠加而成的，这些子径是独立同分布的，而且，根据散射体均匀分布的假设，这些子径的强度都是相当的，也就是无主导子径存在。在这种条件下，反射体质心引入的TOA附加时延t_rc满足指数分布；根据中心极限定理，由反射体产生的众多子径叠加引入的TOA附加时延t_sf，即相对于t_rc的TOA附加时延误差是符合正态分布。因此，NLOS信道下到达时间TOA的附加时延t_n＝t_rc+t_sf，由于t_rc和t_sf是相对独立的随机变量，因此，t_n的分布是指数分布和正态分布的卷积，具体表达式见公式(3)。需要说明的是，虽然理论上正态分布的t_sf可以取正负无穷大的值，但是实际***中，由于是分析时延，因此，t_n＝t_rc+t_sf恒为正。

f(t_n)＝norm(t_sf，μ，σ)expO(x_rc，β)                       (3)

其中，μ，σ，分别为正态分布的均值和标准差，x_rc是指数分布的随机变量，β是随机变量的均值。

图3所示为NLOS信道下理论分析的TOA附加时延误差分布曲线和场测得到的TOA附加时延误差分布曲线的对比曲线。其中，图3a为NLOS信道下由多径叠加导致的误差分量t_sf引出的TOA附加时延误差示意图，从图中可以看出该误差分量t_sf符合正态分布；图3b为NLOS信道下，未包含***误差的根据公式(3)得到的均匀分布的反射体质心t_rc和多径叠加导致的误差分量t_sf共同作用下TOA附加时延误差t_n的理论分布曲线；图3c中的曲线表示考虑到***误差影响时的NLOS信道下TOA附加时延误差的理论分布曲线，图3c中的条形图表示实际测得的包含***误差的NLOS信道TOA附加时延误差曲线。对比图3c中的曲线和条形图可以看出，使用公式(3)可以很好地描述实际的TOA附加时延误差的分布，这也表明公式(3)揭示的NLOS信道下TOA附加时延误差的产生机理是正确的。

下面具体介绍多径建模的方法。图4所示为应用本发明的多径建模的基本步骤流程图。

步骤401，在一定的传播环境下，根据不同信道的出现比例确定信道类型，即确定要产生的多径(或功率时延分布)是属于LOS信道、受遮挡损耗影响的LOS信道、准LOS信道或NLOS信道中的哪一种；确定要产生的信道类别的依据是一定传播环境下，如，恶劣市区(BADURBAN)环境、市区(URBAN)环境，乡村(RURAL)环境或室内(INDOOR)环境下的特定信道(如LOS信道、准LOS信道、NLOS信道)的出现比例，这一比例是从场测数据中获取的。

步骤402，根据不同信道下的达到时间TOA附加时延的产生机理和统计规律，如公式(1)隐含的自由度为n的CHI2分布或公式(2)、(3)给出的分布，分别确定首径和非首径的到达时刻，以及各个径的功率或幅度。同时计算非首径的个数M，要产生的非首径的个数M是根据特定信道下径的间隔大小和径的功率时延分布确定的。

本步骤又包含以下子步骤：

子步骤402A，产生首径(第一径，M＝1)的到达时刻；

1)确定LOS信道下首径的到达时刻

具体方法是：根据信道的相干时间确定该信道的非相干累加次数k，按照自由度n＝2k的CHI2分布，即应用公式(1)，产生LOS信道下首径P1的到达时刻；参见图5，该到达时刻以附加时延为0的A1点为参照点，得到首径P1的到达时刻t1；

2)确定受遮挡损耗影响的LOS信道下首径的到达时刻

具体方法是：按照均值和方差为最小可分辩单元范围内的正态分布，较佳地，均值在0.3～0.6码片宽度之间、方差在0.1～0.3码片之间的正态分布，产生受遮挡损耗影响的LOS信道下首径P1的到达时刻；参见图6，该到达时刻以附加时延为0的A1点为参照点，得到首径P1的到达时刻t1；

3)确定准LOS信道下首径的到达时刻

具体方法是：首先，根据指数分布来产生绕射路径引入的TOA附加时延误差E(设首径产生的绕射路径引入的TOA附加时延误差为E1，第二径产生的绕射路径引入的TOA附加时延误差为E2……，后面以此类推)，指数分布的分布参数由绕射路径均值来确定；参见图7，按照E1的大小将首径占用的时间宽度，即可分辨的时间区间W，向后移动一个时间E1，也就是将W的中心从图7中的B1移动到C1；然后，以B1为时间参照点，根据信道的相干时间确定该信道的非相干累加次数k，用自由度n＝2k的CHI2分布来近似地产生LOS信道下首径P1的到达时刻，把该时刻与E1相加，得到首径P1的到达时刻t1；

4)确定NLOS信道下首径的到达时刻

具体方法是：首先，根据指数分布，产生均匀分布的散射体质心引入的TOA附加时延误差E(设首径产生的均匀分布的散射体质心引入的TOA附加时延误差为E1，第二径产生的均匀分布的散射体质心引入的TOA附加时延误差为E2……，后面以此类推)，该指数分布的分布参数由均匀分布的散射体的质心密度公式确定；参见图8，按照E1的大小把首径占用的时间宽度，即可分辨的时间区间W，向后移动一个时间E1，即把W的中心从图7中的B1移动到C1；然后，以C1为时间参照点，按照均值和方差为最小可分辩单元范围内的正态分布，较佳地，均值在0.3～0.6码片宽度之间、方差在0.1～0.3码片之间的正态分布，产生NLOS信道下首径P1中由多径叠加引入的TOA附加时延误差分量，也就是到达时间的滞后量，把多径叠加引入的TOA到达时间分量与E1相加，得到首径P1的到达时刻t1；

子步骤402B，确定非首径(M大于等于2)的到达时刻；

子步骤402B由如下子步骤组成，参见图5～8，

402B-1，根据指数分布来产生均匀分布的散射体质心引入的TOA附加时延误差E2，该指数分布的分布参数由均匀分布的散射体的质心密度公式确定；

402B-2判断径的质心出现时刻的均值时刻C2，即自首径P1对应的时刻t1向后1.5W+E2码片宽度的位置，是否大于最大时延τ_max。若C2大于τ_max，则结束步骤402B，执行步骤403；若C2小于等于τ_max，则执行步骤402B-3；

402B-3以C2为时间参照点，按照正态分布产生第2径P2的到达时间t2，该正态分布的均值为：MU＝E2+(0.3～0.6)码片宽度，方差SIGMA＝0.1～0.3码片；

402B-4判断t2是否大于等于τ_max，如果t2大于等于τ_max，则结束步骤402B，执行步骤403；若t2小于τ_max，则重复执行步骤402B-1～402B-4，来产生第3～M径。

在产生第3～M径的过程中，步骤402B-2、402B-3、402B-4中的C_i、t_i的下标i的取值为3～M。

步骤403，确定径的功率(或幅度)，根据要产生的信道类型和相关参数，如发射功率的大小、接收机到发射机的距离、功率时延分布上径的衰落速度的统计规律等，来确定M条径的相对功率，如，在NLOS和准LOS信道下，按照公式(4)来确定径的相对功率(或幅度)；

$A_i=V_i{e}^{-\frac{{6t}_i}{{\mathrm{\τ}}_{\max }}}---\left(4\right)$

公式(4)中，A_i是第i条径的相对功率(或幅度)，V_i是在(0.5-1.5)内接照均匀分布产生的随机变量，t_i是第i条径的具体出现时刻，τ_max是信道的最大时延；

在LOS信道下，按照公式(5)来确定M条径的相对功率；

$\frac{A_1}{A_i}=(10~40)---\left(5\right)$

公式(5)中，A₁是第1条径的功率(或幅度)，A_i是第i(i＞1)条径的相对功率(或幅度)。

步骤404，用子径合成径的到达时刻和径的功率(或幅度)。预先为每个径设置两个子径，参见图5～8中的Pij，应用子径来合成步骤402所确定的M条径的到达时刻和功率(或幅度)，即图5～8中的Pi的到达时刻和功率(或幅度)，并用这些子径的位置和幅度取代步骤402所确定的M条径，最终得到由于径Pij构成的功率时延分布。该步骤得到的、由子径Pij构成的功率时延分布上的合成径P_i′(i＝l～M)的到达时刻t_i′和径功率A_i′与步骤402、403确定的径Pi的到达时刻t_i和径功率A_i值保持一致；

步骤404有如下两个子步骤构成：

子步骤404A，确定子径的到达时刻

1)在图5～8给出的径Pi对应的可分辨时间区间W的前沿，即从Ci向前0.5W处，放置一个单位功率的子径Pi1，即位于参考在Pi的到达时刻t_i和可分辨距离单元的后沿，即从Ci向后0.5W之间，放置一个功率和到达时刻可调的子径Pi2；

2)通过调整子径Pi2的出现时刻t_i2的位置，或子径Pi2的功率(或幅度)a_i2，或子径Pi2的出现时刻t_i2的位置和子径的功率(或幅度)a_i2，使子径Pi1和Pi2合成径的质心位置出现在Pi的到达时刻t_i处，记录此时子径的功率(或幅度)，并根据质心原理，计算此时子径Pi1和Pi2合成径的功率A_i′；

子步骤404B，分别确定子径Pi1和Pi2的功率(或幅度)A_i1和A_i2，使子径Pi1和Pi2合成径的功率(或幅度)A_i与步骤403所确定径的功率(或幅度)相等，即与图5～8中的Pi的功率相等，具体的步骤如下：

1)根据子步骤404A确定的子径Pi1和Pi2合成径的功率(或幅度)A_i′和步骤403确定径的功率A_i，计算比值r， $r=\frac{A_i}{A_i^{\′}};$

2)应用A_i1＝1×r，A_i2＝a_i2×r分别确定子径Pi1和Pi2的功率(或幅度)。

步骤405，调整功率时延分布，该步骤的目的是保持产生的多径功率时延分布的时延扩展和要产生的特定信道下的时延扩展τ_rms相一致，具体方法有两种：

1)按照现有技术(如T1P1.5)中的方法进行调整，即：计算平均时延 $\mathrm{MeanDelay}=\frac{{\mathrm{\Σp}}_i\·{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\Σp}}_i}={\mathrm{\Σp}}_i\·{\mathrm{\τ}}_i$ (p_i已归一化)，以及该平均功率时延分布所对应的时延扩展 $\mathrm{RMSDelaySpread}=\mathrm{\Σ}\sqrt{p_i\·{({\mathrm{\τ}}_i-\mathrm{MeanDelay})}^2}$ ；调节功率时延分布使该信道的时延扩展与要产生的信道类别的时延扩展相匹配，调整公式为：τ_i＝(τ_i×τ_rms)÷RMSDelaySpread；

2)采用分段调整的方法，即，对于前面的N个径(N＝1～5)的到达时间不进行调整，只对第N+1到M个径的达到时间τ_i进行调整，具体调整方法和1)中T1P1.5的方法相同，这样可以保持步骤402确定的径的到达时刻不受影响，从而保证了TOA附加时延误差的准确性。

步骤406，用部分波合成子径的衰落特性。采用信道建模中常用的部分波叠加方法，合成子径的衰落特性，从而构成服从Nakagami-m分布的子径。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1、一种多径统计建模的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、在传播环境下，根据不同信道的出现比例确定信道类型；

b、根据步骤a中确定信道类型后信道的径的达到时间TOA附加时延的产生机理和统计规律，分别确定首径和非首径的到达时刻，以及各个径的功率或幅度；

c、为步骤b所述各个径预先设置子径，用子径合成步骤b所述各个径的到达时刻，和功率或幅度；

d、产生并调整应用子径合成径的功率时延分布；

e、应用部分波叠加合成子径的衰落特性。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a所述传播环境至少包括恶劣市区BADURBAN环境、市区URBAN环境，乡村RURAL环境或室内INDOOR环境。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a所述不同信道的出现比例是从场测数据中获取的。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a所述信道类型为可视LOS信道，受遮挡损耗影响的LOS信道，准LOS信道或非可视NLOS信道。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在LOS信道环境下，步骤b所述确定首径到达时刻的方法为：根据信道的相干时间确定该信道的非相干累加次数，按照自由度等于两倍的非相干累加次数的CHI2分布，产生LOS信道下的首径到达时刻。

6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在受遮挡损耗影响的LOS信道下，步骤b所述确定首径到达时刻的方法为：按照正态分布，产生受遮挡损耗影响的LOS信道下的首径到达时刻。

7、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在准LOS信道环境下，步骤b所述确定首径到达时刻的方法为：

b1、根据指数分布，产生首径绕射路径引入的TOA附加时延误差E1；

b2、将首径占用的时间宽度向后扩宽E1；

b3、以未移动前的首径占用时间宽度的中心为时间参考点，根据信道的相干时间确定该信道的非相干累加次数，按照自由度等于两倍的非相干累加次数的CHI2分布，产生LOS信道下的首径到达时刻，将该时刻与E1相加得到准LOS信道环境下的首径到达时刻。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤b1所述指数分布的分布参数是根据绕射路径均值确定的。

9、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在NLOS信道环境下，步骤b所述确定首径到达时刻的方法为：

b1、根据指数分布，产生均匀分布的散射质心引入的TOA附加时延误差E1；

b2、将首径占用的时间宽度向后扩宽E1；

b3、以移动后的首径占用时间宽度的中心为时间参考点，按照正态分布，产生NLOS信道下的由多径引入的TOA附加时延误差到达时刻的分量，将该由多径引入的TOA附加时延误差到达时刻的分量与E1相加，得到NLOS信道环境下的首径到达时刻。

10、根据权利要求6或9所述的方法，其特征在于，所述正态分布的均值和方差的取值范围在最小可分辩单元内，且所述均值的较佳取值范围为0.3至0.6码片宽度之间，所述方差的较佳取值范围为0.1至0.3码片宽度之间。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b所述确定非首径的到达时刻的方法为：

b1、预先计算非首径的个数M，根据指数分布产生均匀分布的散射体质心引入TOA附加时延误差Ei；

b2、判断该非首径的质心出现时刻的均值时刻Ci是否大于对应传播环境下的最大时延τ_max，如果是，则结束该处理，否则以Ci为参考点，按照正态分布产生第i径的到达时刻，然后执行步骤b3；

b3、判断第i径的到达时刻ti是否大于等于对应传播环境下的最大时延τ_max，如果是，则结束该处理，否则，令i等于i加1后，重复执行步骤b2，直到i等于非首径的个数M为止。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述非首径的个数M是根据确定信道下各径的间隔大小和相对首径的功率时延分布的最大时延确定的。

13、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述正态分布均值和方差的取值范围在最小可分辩单元内，且所述均值的较佳取值范围为根据指数分布产生均匀分布的散射体质心引入TOA附加时延误差Ei与0.3至0.6码片宽度之间的数值的和，所述方差的较佳取值范围为0.1至0.3码片宽度之间。

14、根据权利要求7或11所述的方法，其特征在于，所述指数分布的分布参数是由均匀分布的散射体的质心密度公式确定的。

15、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c所述为步骤b所述各个径预先设置子径的方法为：分别为每个径设置两个子径，其中之一为单位功率的子径，位于待合成径p_i的最小可分辩单元的前沿，另一个为可调整功率和到达时刻的子径，位于待合成径p_i的最小可分辩单元的后沿。

16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤c所述用子径合成步骤b所述各个径的到达时刻的方法为：

调整可调整功率和到达时间子径的出现时刻的位置，或该子径的功率或幅度，或该子径的出现时刻的位置和该子径的功率或幅度，直到子径所合成径的质心位置出现在待合成径p_i的到达时刻处为止，记录此时子径的功率或幅度，并根据质心原理，计算出此时的子径所合成径的功率或幅度；

17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤c所述用子径合成步骤b所述各个径的功率或幅度的方法为：

根据已计算出的子径所合成径的功率或幅度，以及由步骤b确定的径的功率或幅度，计算上述两者之间的比值r，单位功率子径的功率或幅度的值为1乘以比值r，可调整功率和到达时刻的子径的功率或幅度为调整好所合成径的所在质心位置时的功率或幅度的值乘以比值r，应用已计算出的单位功率子径的功率或幅度和可调整功率和到达时刻的子径的功率或幅度，根据质心原理合成子径所合成径的功率或幅度。

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