專利名稱：室內(nèi)視距環(huán)境下脈沖超寬帶多徑信號建模的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及對無線通信系統(tǒng)的多徑傳播特性進行建模和仿真，更具體地，涉及一種對室內(nèi)視距環(huán)境(Line-of-sight，LOS)的脈沖超寬帶(I-UWB)信號的多徑傳播信道沖激響應(yīng)進行建模的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)通信技術(shù)就是在近期迅速發(fā)展起來的與傳統(tǒng)無線通信技術(shù)不同的一種新型無線通信技術(shù)。按照FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)的定義，任意相對帶寬大于20％或帶寬大于500MHz，并滿足FCC功率譜密度限制要求的信號，均被稱為超寬帶信號。超寬帶無線信道物理環(huán)境通常可以分為視距環(huán)境(Line-of-sight，LOS)和非視距環(huán)境(Nonline-of-sight，NLOS)兩類。其中，視距環(huán)境指發(fā)射機與接收機之間存在直接傳播路徑的無線傳輸環(huán)境。
由上述定義可以看出，現(xiàn)在的UWB包括了任何可以使用超寬帶頻譜的通信形式。這樣，UWB的數(shù)據(jù)信號形式可以分為脈沖(Impulse-based UWB，I-UWB)形式與調(diào)制載波的擴譜形式。后者可以將UWB信號搬移到合適的頻段進行傳輸，從而更加靈活、有效地利用頻譜資源，調(diào)制載波系統(tǒng)的信號處理方法與一般通信系統(tǒng)采用的方法相類似。而前者的特性和分析方法都與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)不同。
電波傳播模型是研究任何無線通信系統(tǒng)首先要解決的基礎(chǔ)性問題。I-UWB室內(nèi)信道模型按研究方法可以分為統(tǒng)計模型(Statistical models)和確定模型(Deterministic models)兩類。統(tǒng)計模型是通過對無線信道的大量實測數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計而建立的適應(yīng)某類特殊信道環(huán)境的模型，統(tǒng)計模型由一組與實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性一致的數(shù)學(xué)函數(shù)構(gòu)成，可以用來預(yù)測該類信道的平均統(tǒng)計特性。確定模型是依據(jù)電磁波傳播理論通過理論或數(shù)值計算的方法來描述某確定環(huán)境下無線信號的傳播特性。無線傳播環(huán)境的信道模型不僅是所有無線通信理論研究的基礎(chǔ)，也更直接關(guān)系到工程設(shè)計中通信設(shè)備的能力、天線高度的確定、通信距離的計算，以及為實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)可靠的通信所必須采用的技術(shù)措施等一系列系統(tǒng)設(shè)計問題。
當(dāng)前沒有專用的I-UWB室內(nèi)LOS環(huán)境多徑傳播建模，對LOS多徑傳播特性的建模主要通過利用對NLOS多徑傳播模型的擴展實現(xiàn)。美國AT&T Bell實驗室的A.M.Saleh和R.Valenzuela在1987提出的SV模型可以通過上述方式應(yīng)用于I-UWB室內(nèi)LOS環(huán)境，IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)工作組提出的基于SV模型改進的SV/IEEE 802.15.3a模型通過對模型輸入?yún)?shù)調(diào)整也可以應(yīng)用于對I-UWB室內(nèi)LOS環(huán)境多徑傳播建模。國內(nèi)相關(guān)方面尚處于基本理論研究階段，尚無較完整的多徑傳播模型的相關(guān)報道。
I-UWB室內(nèi)LOS環(huán)境多徑傳播具有下述特點多徑到達具有一定的確定性，即直射多徑信號一定最先到達接收天線；多徑到達具有一定的規(guī)律性，即較早到達接收天線的多徑信號在信道中經(jīng)歷了較少的反射、衍射和散射等作用。然而，將上述NLOS多徑傳播模型直接應(yīng)用于LOS環(huán)境，沒有針對并有效利用LOS環(huán)境上述特點，模型性能受到明顯的影響。
此外，現(xiàn)有方法還會遇到下述問題 (1)模型無法準(zhǔn)確預(yù)測特定I-UWB室內(nèi)LOS環(huán)境的多徑傳播特性； (2)從實測數(shù)據(jù)中擬合“簇到達率”等模型輸入?yún)?shù)非常困難(通常需要人工辨別出信道沖激響應(yīng)中簇的數(shù)量)。
這兩個問題也是統(tǒng)計模型存在的普遍問題。
另外，統(tǒng)計模型采用平均的手段，對相應(yīng)的環(huán)境和傳播特性進行描述，這就限制了模型對特定環(huán)境預(yù)測的準(zhǔn)確性；另一方面，確定模型能夠?qū)Νh(huán)境的多徑傳播特性進行準(zhǔn)確的預(yù)測，但需要建立準(zhǔn)確完整的環(huán)境幾何參數(shù)拓撲數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜且難收斂。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的研究目的在于針對現(xiàn)有的模型無法有效應(yīng)用于對脈沖超寬帶信號室內(nèi)視距環(huán)境的多徑傳播特性的準(zhǔn)確預(yù)測、以及輸入?yún)?shù)較為復(fù)雜的缺陷，提供一種統(tǒng)計模型與確定模型相結(jié)合專門應(yīng)用于對室內(nèi)視距環(huán)境I-UWB信號多徑傳播特性進行建模的方法和系統(tǒng)，使用該方法和系統(tǒng)建立的模型能準(zhǔn)確預(yù)測、仿真室內(nèi)視距環(huán)境下I-UWB信號的信道沖激響應(yīng)及相應(yīng)的多徑傳播特性，該方法和系統(tǒng)本身相對簡化，輸入?yún)?shù)較為容易獲取，便于應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種對室內(nèi)視距環(huán)境的I-UWB進行建模的方法，包括以下步驟 S1、將I-UWB多徑信號分為第一簇和第二簇； S2、輸入確定參數(shù)，所述確定參數(shù)包括 所述第一簇的首射線的多徑增益α0，0， 所述第二簇的首射線的多徑增益α0，1，以及 所述第一簇和所述第二簇的相對時延Tm； S3、輸入統(tǒng)計參數(shù)，所述統(tǒng)計參數(shù)包括每個簇內(nèi)所有后續(xù)到達多徑射線的 多徑到達率λ， 多徑平均功率的衰減指數(shù)γ，以及 多徑增益的對數(shù)正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ； S3、對數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)分布函數(shù)進行初始化； S4、生成所述第一簇； S5、生成所述第二簇； S6、將到達的多徑射線按照時間排序； S7、輸出信道沖激響應(yīng)。
在本發(fā)明所述的方法中 所述步驟S2中，還包括計算所述確定參數(shù)； 在本發(fā)明所述的方法中，所述初始化步驟S3中，讓所述第一簇的到達時間TC0＝0，所述第二簇到達時間TC1＝TC0+Tm。
在本發(fā)明所述的方法中 步驟S4中生成的第一簇中，簇內(nèi)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑到達時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，0＝Ti-1，0+Trd，其中，Ti，0表示第一簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，0表示第一簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間； 步驟S4中生成的第二簇中，簇內(nèi)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑到達時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，1＝Ti-1，1+Trd，其中，Ti，1表示第二簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，1表示第二簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間。
在本發(fā)明所述的方法中，所述步驟S7中包括輸出多徑幅度矩陣以及多徑時間矩陣。
在本發(fā)明所述的方法中 (1)其中,C＝3×108m/s，fm是發(fā)射脈沖信號頻譜的最低頻率與最高頻率的幾何平均值，d是收發(fā)天線間的直線距離； (2)i＝1，2，3，4，5，6其中，L0是直射信號的波程，Li是6條經(jīng)過房間的六個面的一次反射信號的波程，對于水平極化發(fā)射信號取k＝β，對于垂直極化發(fā)射信號取k＝(εrβ)-1，εr是反射面的相對介電常數(shù)，ψ是入射角； (3)i＝1，2，3，4，5，6 (4)所述統(tǒng)計數(shù)據(jù)根據(jù)實測數(shù)據(jù)中擬合得到。
另一方面，本發(fā)明還提供一種對室內(nèi)視距環(huán)境下I-UWB多徑信號進行建模的系統(tǒng)，所建成的模型將I-UWB多徑信號分為第一簇和第二簇，所述系統(tǒng)包括 參數(shù)輸入模塊，其用于 參數(shù)輸入，包括輸入模型的統(tǒng)計參數(shù)以及所應(yīng)用的環(huán)境參數(shù)；所述統(tǒng)計參數(shù)包括每個簇內(nèi)所有后續(xù)到達多徑射線的多徑到達率λ，多徑平均功率的衰減指數(shù)γ以及多徑增益的對數(shù)正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ；所述環(huán)境參數(shù)包括房間長、寬、高以及房間各個面的相對介電常數(shù)，發(fā)射信號的極化方式和帶寬，收發(fā)信機在房間內(nèi)的相對位置； 參數(shù)生成模塊，其用于 確定所輸入的統(tǒng)計參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的有效性； 利用有效的環(huán)境參數(shù)計算出確定參數(shù)，包括所述第一簇的首射線的 多徑增益α0，0，所述第二簇的首射線的多徑增益α0，1以及所述第一簇和所述第二簇的相對時延Tm； 利用有效的統(tǒng)計參數(shù)進行對數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)分布函數(shù)的初始化； 信道沖激響應(yīng)生成模塊，其用于生成所述第一簇和第二簇多徑信號，以及將到達的多徑射線按照時間排序； 應(yīng)用程序接口，其用于輸出信道沖激響應(yīng)，通過對輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方式的設(shè)置，實現(xiàn)與其他軟件或硬件系統(tǒng)的互聯(lián)。
在本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，經(jīng)所述參數(shù)生成模塊初始化的第一簇的到達時間TC0＝0，第二簇到達時間TC1＝TC0+Tm。
在本發(fā)明所述的系統(tǒng)中 所生成的第一簇中，簇內(nèi)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑到達時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，0＝Ti-1，0+Trd，其中，Ti，0表示第一簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，0表示第一簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間； 所生成的第二簇中，簇內(nèi)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑到達時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，1＝Ti-1，1+Trd，其中，Ti，1表示第二簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，1表示第二簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間。
在本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述參數(shù)生成模塊按照以下方式計算所述確定參數(shù) (1)其中，C＝3×108m/s，fm是發(fā)射信號頻譜的最低頻率與最高頻率的幾何平均值，d是收發(fā)天線間的直線距離； (2)i＝1，2，3，4，5，6其中，L0是直射信號的波程，Li是6條經(jīng)過房間的六個面的一次反射信號的波程，對于水平極化發(fā)射信號取k＝β，對于垂直極化發(fā)射信號取k＝(εrβ)-1，εr是反射面的相對介電常數(shù)，ψ是入射角； (3)i＝1，2，3，4，5，6。
在本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述統(tǒng)計參數(shù)需從實測數(shù)據(jù)中擬合得到。
在本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述參數(shù)生成模塊按照以下方式利用統(tǒng)計參數(shù)進行對數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)分布函數(shù)的初始化 (1)多徑增益βk，0/1服從標(biāo)準(zhǔn)差為σ的對數(shù)正態(tài)分布 20log(βk，0/1)∝Normal(μk，0/1，σ2)，k≥1 k≥1 (2)功率衰減指數(shù)γ滿足k≥1 (3)相鄰兩多徑間的時延滿足獨立的指數(shù)概率分布 p(τk，0/1|τ(k-1)，0/1)＝λexp[-λ(τk，0/1-τ(k-1)，0/1)]，k≥1，τ0，0/1＝0 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明充分利用I-UWB信號在室內(nèi)LOS環(huán)境傳播的特點，在滿足對信道預(yù)測的準(zhǔn)確性要求的基礎(chǔ)上，無需大量環(huán)境拓撲數(shù)據(jù)就能實現(xiàn)和使用簡便的室內(nèi)LOS環(huán)境下I-UWB信號專用多徑傳播模型。更具體地，實施本發(fā)明，具有以下有益效果 (1)提高模型對特定環(huán)境小尺度多徑傳播特性預(yù)測的準(zhǔn)確性； (2)模型本身及模型輸入?yún)?shù)獲取均較為簡化，便于對模型進行理論分析和計算機仿真應(yīng)用； (3)分析并建立環(huán)境與模型或模型輸入?yún)?shù)的關(guān)系，以充分利用模型、擴展模型的應(yīng)用范圍。



下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中 圖1是本發(fā)明給出的室內(nèi)LOS環(huán)境下I-UWB信號信道沖激響應(yīng)中，兩個確定的簇及按指數(shù)衰減的平均功率的示意圖； 圖2是本發(fā)明給出的室內(nèi)LOS環(huán)境下I-UWB信號信道沖激響應(yīng)的一個實現(xiàn)的示意圖； 圖3是對室內(nèi)視距環(huán)境下I-UWB多徑信號進行建模的方法的流程圖； 圖4是對室內(nèi)視距環(huán)境下I-UWB多徑信號進行建模的系統(tǒng)的框架示意圖； 圖5是本發(fā)明的模型和SV/IEEE 802.15.3a模型的性能進行分析和比較。

具體實施例方式 1、所建立的模型概述 本發(fā)明提出一種具有兩個確定的簇、每個簇內(nèi)具有隨機到達的多徑射線的半確定專用LOS環(huán)境多徑傳播模型。每個簇(簇的首射線)具有由環(huán)境(房間)的簡單幾何結(jié)構(gòu)確定的多徑增益和多徑傳播時延，第一個簇(簇的首射線)的多徑增益和傳播時延由收發(fā)信機間的相對位置及信號在自由空間的傳播特性確定；第二個簇(簇的首射線)建模為經(jīng)室內(nèi)六個主要反射面(天棚、地板、四壁)一次反射并最先到達接收機的多徑射線。每個簇內(nèi)的后續(xù)多徑射線的到達時間建模為具有固定達到率的泊松隨機過程，其多徑增益服從對數(shù)正態(tài)分布，平均功率按指數(shù)規(guī)律衰減。
2、模型的數(shù)學(xué)描述 室內(nèi)LOS環(huán)境的UBW的半確定多徑傳播模型如圖1和圖2所示，其中，圖1表示兩個確定的簇及按指數(shù)衰減的平均功率，圖2表示信道沖激響應(yīng)的一個實現(xiàn)。在該模型中，離散時間信道沖激響應(yīng)如式(1) 其中α是多徑增益系數(shù)，Tm是兩個簇之間的相對時延，τk，0是第一個簇中kth多徑射線與本簇首射線的相對時延，τk，1是第二個簇中kth多徑射線與本簇首射線的相對時延，M是第一個簇內(nèi)的多徑數(shù)量，N是第二個簇內(nèi)的多徑數(shù)量。
2.1 模型的確定部分 模型的確定部分包括兩個簇的首射線的多徑增益及其相對時延，由于第一個簇的首射線在傳播過程中未遇到任何阻礙，所以其多徑增益完全由自由空間路徑損耗決定，路徑損耗因子取2。
其中C自由空間中的光波的傳播速度C＝3×108m/s，fm是發(fā)射脈沖信號頻譜的最低頻率與最高頻率的幾何平均值，d是收發(fā)天線間直線距離。
其中LO是直射信號的波程，Li是6條一次反射信號的波程，上述參數(shù)可以方便的從房間簡單幾何尺寸(即房間的長、寬、高)及其中收發(fā)信機的相對位置數(shù)據(jù)中計算得出。
其中水平極化發(fā)射信號取k＝β，垂直極化發(fā)射信號取k＝(εrβ)-1，εr是反射面的相對介電常數(shù)，ψ是入射角。
2.2 模型的統(tǒng)計部分 模型的統(tǒng)計部分包括每個簇內(nèi)的所有后續(xù)到達的多徑射線，多徑增益服從標(biāo)準(zhǔn)差為σ的獨立對數(shù)正態(tài)分布，多徑平均功率增益按指數(shù)規(guī)律衰減，功率衰減指數(shù)為γ，多徑到達時間滿足固定到達率為λ的泊松隨機過程，因此相鄰兩多徑間的時延滿足獨立的指數(shù)概率分布。
αk，0/1＝pk，0/1βk，0/1，k≥1 (5) 其中pk，0/1以等概率取+/-1，且βk，0/1服從標(biāo)準(zhǔn)差為σ的對數(shù)正態(tài)分布20log(βk，0/1)∝Normal(μk，0/1，σ2)，k≥1 (6) 其中功率衰減指數(shù)γ滿足 通常，根據(jù)實際情況選擇γ0S≤γ1，也就是第一個簇平均功率衰減快于第二個簇的平均功率的衰減。每個簇內(nèi)多徑到達時間滿足固定到達率為λ的泊松隨機過程，因此相鄰兩多徑間的時延滿足獨立的指數(shù)概率分布，其概率密度函數(shù)如下 p(τk，0/1|τ(k-1)，0/1)＝λexp[-λ(τk，0/1-τ(k-1)，0/1)]，k≥1，τ0，0/1＝0 (9) 3、模型參數(shù)總結(jié) 本發(fā)明提供的模型包括確定部分以及統(tǒng)計部分，因此，在本說明書中將其稱為“半確定模型”。半確定模型的六個輸入?yún)?shù)如表1所示
表1模型的六個輸入?yún)?shù) 計算確定參數(shù)必須確定如下環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)環(huán)境(房間)的簡單幾何尺寸，即房間的長、寬、高，各個反射面(例如天花板、地板和四壁)的電參數(shù)(相對介電常數(shù))，發(fā)射信號的極化方式和帶寬，收發(fā)信機在房間內(nèi)的相對位置，環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)可稱為應(yīng)用環(huán)境參數(shù)。
統(tǒng)計輸入?yún)?shù)可從實測數(shù)據(jù)中擬合得到。
4、實現(xiàn)過程 圖3是對室內(nèi)視距環(huán)境下I-UWB多徑信號進行建模的方法的流程圖，本發(fā)明的模型將I-UWB多徑信號分為兩個確定的簇，具體實現(xiàn)過程如圖3所示 步驟301中，參數(shù)輸入，包括模型的統(tǒng)計參數(shù)和所應(yīng)用的環(huán)境參數(shù)(房間長、寬、高，天棚、地板和四壁的相對介電常數(shù)，發(fā)射信號的極化方式和帶寬，收發(fā)信機在房間內(nèi)的相對位置)； 步驟303中，確定所輸入的統(tǒng)計參數(shù)的有效性，如參數(shù)無效，則返回步驟301；若參數(shù)有效，則進入步驟305； 步驟304中，確定環(huán)境參數(shù)的有效性，如參數(shù)無效則返回步驟301；若參數(shù)有效，則進入步驟306； 步驟305中，獲得有效的模型統(tǒng)計參數(shù)； 步驟306中，獲得有效的環(huán)境參數(shù)，并通過計算得到模型確定參數(shù)； 步驟307中，初始化操作，包括對數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)分布函數(shù)初始化，并使第一簇的到達時間TC0＝0，第二簇到達時間TC1＝TC0+Tm； 步驟309中，生成第一簇，該第一簇內(nèi)除首射線外的后續(xù)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，0＝Ti-1，0+Trd，其中，Ti，0表示第一簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，0表示第一簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間； 步驟311中，判斷Ti，0是否小于10γ0，如果小于就返回步驟309中，重新生成第一簇，否則，就進入步驟313； 步驟313中，生成第二簇，該第二簇內(nèi)除首射線外的后續(xù)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑時間間隔T2，i服從指數(shù)分布，且Ti，1＝Ti-1，1+Trd，其中，Ti，1表示第二簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，1表示第二簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間。
步驟315中，判斷Ti，1是否小于10γ1，如果是就返回步驟313中，重新生成第二簇，如果否就進入步驟317； 步驟317中，將到達的多徑射線按照時間排序； 步驟319中，輸出信道沖激響應(yīng)，包括多徑幅度矩陣以及多徑時間矩陣。
圖4是一個實施例中用于實現(xiàn)圖3所示的方法流程的系統(tǒng)的示意圖。如圖4所示，該系統(tǒng)包括參數(shù)輸入模塊401、統(tǒng)計參數(shù)生成模塊403、確定參數(shù)生成模塊404、信道沖激相應(yīng)生成模塊405以及應(yīng)用程序接口(API)407。其中，參數(shù)輸入模塊(401)用于執(zhí)行步驟301，統(tǒng)計參數(shù)生成模塊403和確定參數(shù)生成模塊404用于執(zhí)行步驟303至步驟306，信道沖激響應(yīng)生成模塊405用于執(zhí)行步驟307到步驟317，應(yīng)用程序接口407執(zhí)行步驟319。
但是，要意識到，圖4所示的系統(tǒng)的功能模塊的劃界僅僅用于舉例說明，而不是對本發(fā)明的對室內(nèi)視距環(huán)境的I-UWB信號進行的系統(tǒng)的限制。
5、技術(shù)效果 應(yīng)用南加州大學(xué)實驗室/辦公室環(huán)境信道實測數(shù)據(jù)(此數(shù)據(jù)系公開發(fā)布的實際測量數(shù)據(jù)，并被大量信道方面的研究采用)對本發(fā)明所建立的模型和SV/IEEE 802.15.3a模型的性能進行分析和比較。性能研究中對兩個模型生成的信道沖激響應(yīng)的平均附加時延、RMS時延擴展、峰值10dB門限內(nèi)多徑數(shù)量三個統(tǒng)計量的統(tǒng)計均值(見表2)和累積分布(見圖5)特性進行比較，從而全面比較兩個模型的性能。

表2本發(fā)明的模型、SV/802.15.3a模型擬合輸出與信道實測數(shù)據(jù) 表2表明，對于特定的測量環(huán)境，與實測數(shù)據(jù)的擬合效果方面，根據(jù)本發(fā)明建立的模型較SV/IEEE 802.15.3a模型具有更好的效果，本發(fā)明的模型擬合輸出的信道參數(shù)與實測信道參數(shù)的誤差小于1％，僅是SV/IEEE 802.15.3a模型誤差的1/5。
由于統(tǒng)計量的均值只能給出各統(tǒng)計量的平均特性，實際應(yīng)用中，具有相同統(tǒng)計平均特性的隨機變量，其每個實現(xiàn)可能具有較大的差異，下面是對三個統(tǒng)計量的隨機分布，即累積分布(CDF)特性進行比較，從而全面比較兩個模型的性能。
圖5表明就三個統(tǒng)計量的CDF而言，根據(jù)本發(fā)明建立的模型明顯優(yōu)于SV/IEEE 802.15.3a模型。CDF可以更加準(zhǔn)確的描述隨機變量的隨機分布特性，因此由根據(jù)本發(fā)明建立的模型的信道沖激響應(yīng)與南加州大學(xué)實測信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)在三個統(tǒng)計量上更加接近，即根據(jù)本發(fā)明建立的模型在描述LOS環(huán)境多徑傳播特性上更加準(zhǔn)確。
綜上所述，本發(fā)明出了一種全新的專門應(yīng)用于I-UWB室內(nèi)LOS環(huán)境的多徑傳播模型，其輸出信道沖激響應(yīng)的確定部分，即由特定環(huán)境(房間)參數(shù)確定的兩個簇的首射線多徑增益及相對時延，使該模型能夠更加準(zhǔn)確的預(yù)測特定環(huán)境的小尺度多徑傳播特性；其輸出信道沖激響應(yīng)的統(tǒng)計部分，即將環(huán)境(房間)中放置的物體對信道沖激響應(yīng)的貢獻建模為隨機到達的多徑射線，避免了獲取大量的環(huán)境幾何參數(shù)拓撲數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)的確定模型(如射線跟蹤模型)的建立更省時，建模難度顯著降低。I-UWB室內(nèi)LOS環(huán)境多徑傳播模型實現(xiàn)了如下三方面性能的改善和提高 1)提出了專門應(yīng)用于I-UWB室內(nèi)LOS環(huán)境的多徑傳播模型，在對特定LOS環(huán)境小尺度多徑實測數(shù)據(jù)的擬合上，較SV/IEEE 802.15.3a模型有更好的性能。
2)基于對實測數(shù)據(jù)的觀察和分析，將簇的個數(shù)定義為兩個，簡化了模型本身；通過減少需要從實測數(shù)據(jù)中擬合的輸入?yún)?shù)的個數(shù)(由SV/IEEE802.15.3a模型的7個減少到本模型的3個)，簡化了模型輸入?yún)?shù)獲取過程。
3)利用基本的環(huán)境參數(shù)給出模型中簇的分布，通過簡便的計算可以得到模型部分輸入?yún)?shù)，初步建立環(huán)境與模型及模型輸入?yún)?shù)的關(guān)系，擴展模型的應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1、一種對室內(nèi)視距環(huán)境的脈沖超寬帶多徑信號進行建模的方法，其特征在于，包括以下步驟
S1、將脈沖超寬帶多徑信號分為第一簇和第二簇；
S2、輸入確定參數(shù)，所述確定參數(shù)包括
所述第一簇的首射線的多徑增益α0，0，
所述第二簇的首射線的多徑增益α0，1，以及
所述第一簇和所述第二簇的相對時延Tm；
S3、輸入統(tǒng)計參數(shù)，所述統(tǒng)計參數(shù)包括每個簇內(nèi)所有后續(xù)到達多徑射線的
多徑到達率λ，
多徑平均功率的衰減指數(shù)γ，以及
多徑增益的對數(shù)正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ；
S3、對數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)分布函數(shù)進行初始化；
S4、生成所述第一簇；
S5、生成所述第二簇；
S6、將到達的多徑射線按照時間排序；
S7、輸出信道沖激響應(yīng)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中，還包括計算所述確定參數(shù)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化步驟S3中，讓所述第一簇的到達時間TC0＝0，所述第二簇到達時間TC1＝TC0+Tm。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于
步驟S4中生成的第一簇中，簇內(nèi)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑到達時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，0＝Ti-1，0+Trd，其中，Ti，0表示第一簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，0表示第一簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間；
步驟S4中生成的第二簇中，簇內(nèi)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑到達時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，1＝Ti-1，1+Trd，其中，Ti，1表示第二簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，1表示第二簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S7中包括輸出多徑幅度矩陣以及多徑時間矩陣。
6、根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的方法，其特征在于
(1)其中，C＝3×108m/s，fm是發(fā)射脈沖信號頻譜的最低頻率與最高頻率的幾何平均值，d是收發(fā)天線間的直線距離；
(2)i＝1，2，3，4，5，6其中，L0是直射信號的波程，Li是6條經(jīng)過房間的六個面的一次反射信號的波程，對于水平極化發(fā)射信號取k＝β，對于垂直極化發(fā)射信號取k＝(εrβ)-1，εr是反射面的相對介電常數(shù)，ψ是入射角；
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述統(tǒng)計數(shù)據(jù)根據(jù)實測數(shù)據(jù)中擬合得到。
8、一種對室內(nèi)視距環(huán)境下脈沖超寬帶多徑信號進行建模的系統(tǒng)，其特征在于，所建成的模型將脈沖超寬帶多徑信號分為第一簇和第二簇，所述系統(tǒng)包括
參數(shù)輸入模塊(401)，其用于
參數(shù)輸入，包括輸入模型的統(tǒng)計參數(shù)以及所應(yīng)用的環(huán)境參數(shù)；所述統(tǒng)計參數(shù)包括每個簇內(nèi)所有后續(xù)到達多徑射線的多徑到達率λ，多徑平均功率的衰減指數(shù)γ以及多徑增益的對數(shù)正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ；所述環(huán)境參數(shù)包括房間長、寬、高以及房間各個面的相對介電常數(shù)，發(fā)射信號的極化方式和帶寬，收發(fā)信機在房間內(nèi)的相對位置；
參數(shù)生成模塊(403，404)，其用于
確定所輸入的統(tǒng)計參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的有效性；
利用有效的環(huán)境參數(shù)計算出確定參數(shù)，包括所述第一簇的首射線的多徑增益α0，0，所述第二簇的首射線的多徑增益α0，1以及所述第一簇和所述第二簇的相對時延Tm；
利用有效的統(tǒng)計參數(shù)進行對數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)分布函數(shù)的初始化；信道沖激響應(yīng)生成模塊(405)，其用于生成所述第一簇和第二簇多徑信號，以及將到達的多徑射線按照時間排序；
應(yīng)用程序接口(407)，其用于向軟件或者硬件輸出信道沖激響應(yīng)。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，經(jīng)所述參數(shù)生成模塊(403，404)初始化的第一簇的到達時間TC0＝0，第二簇到達時間TC1＝TC0+Tm。
10、根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于
所生成的第一簇中，簇內(nèi)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑到達時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，0＝Ti-1，0+Trd，其中，Ti，0表示第一簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，0表示第一簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間；
所生成的第二簇中，簇內(nèi)多徑幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，簇內(nèi)多徑到達時間間隔Trd服從指數(shù)分布，且Ti，1＝Ti-1，1+Trd，其中，Ti，1表示第二簇多徑信號中第i條多徑射線的到達時間，Ti-1，1表示第二簇多徑信號中第i-1條多徑射線的到達時間。
11、根據(jù)權(quán)利要求8至10中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)生成模塊(403，404)按照以下方式計算所述確定參數(shù)
(1)其中，C＝3×108m/s，fm是發(fā)射脈沖信號頻譜的最低頻率與最高頻率的幾何平均值，d是收發(fā)天線間的直線距離；
(2)i＝1，2，3，4，5，6其中，L0是直射信號的波程，Li是6條經(jīng)過房間的六個面的一次反射信號的波程，對于水平極化發(fā)射信號取k＝β，對于垂直極化發(fā)射信號取k＝(εrβ)-1，εr是反射面的相對介電常數(shù)，ψ是入射角；
12、根據(jù)權(quán)利要求11中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述統(tǒng)計參數(shù)從實測數(shù)據(jù)中擬合得到。
13、根據(jù)權(quán)利要求11中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)生成模塊(403，404)按照以下方式利用統(tǒng)計參數(shù)進行對數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)分布函數(shù)的初始化
(1)多徑增益βk，0/1服從標(biāo)準(zhǔn)差為σ的對數(shù)正態(tài)分布
20log(βk，0/1)∝Normal(μk，0/1，σ2)，k≥1
(2)功率衰減指數(shù)γ滿足k≥1
(3)相鄰兩多徑間的時延滿足獨立的指數(shù)概率分布
p(τk，0/1|τ(k-1)，0/1)＝λexp[-λ(τk，0/1-τ(k-1)，0/1)]，k≥1，τ0，0/1＝0。
全文摘要
本發(fā)明涉及對室內(nèi)視距環(huán)境下I-UWB信號多徑傳播特性進行建模的方法和系統(tǒng)。該方法包括將I-UWB多徑信號分為確定的兩簇，每個簇內(nèi)具有隨機到達的多徑射線；輸入確定參數(shù)，包括第一簇的首射線的多徑增益α0，0，第二簇的首射線的多徑增益α0，1以及第一簇和第二簇的相對時延Tm；輸入統(tǒng)計參數(shù)，包括每個簇內(nèi)所有后續(xù)到達多徑射線的多徑到達率λ，多徑平均功率的衰減指數(shù)γ以及多徑增益的對數(shù)正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ；對數(shù)正態(tài)分布和指數(shù)分布函數(shù)進行初始化；生成第一簇以及第二簇；將到達的多徑射線按照時間排序；輸出信道沖激響應(yīng)。本發(fā)明無需大量環(huán)境拓撲數(shù)據(jù)就能實現(xiàn)適用于室內(nèi)視距環(huán)境并具有較高預(yù)測準(zhǔn)確性、簡化的I-UWB信號多徑傳播模型。
文檔編號H04B17/00GK101394233SQ20071007722
公開日2009年3月25日 申請日期2007年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者張欽宇, 洋 汪, 張乃通 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院