CN101951297B - 一种宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带无线通信系统衰落信道的高精度测量模型及实现方法，该实现方法包括：步骤一，信道测量冲激响应模块通过统计处理测量数据获得宽带无线通信系统的信道冲激响应函数；步骤二，散射分量参数估计模块根据冲激响应函数估计出衰落信道中的散射分量参数；多径分量参数估计模块根据冲激响应函数估计出衰落信道中的多径分量参数；步骤三，散射分量生成模块根据所述散射分量参数生成散射分量；多径分量生成模块根据所述多径分量参数生成多径分量；步骤四，合成模块将所述散射分量和多径分量线性叠加获得所述宽带无线通信系统的衰落信道的模型函数。本发明可以准确地表征密集城市地区的电波传播环境，实现复杂度低。

Description

一种宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现装置及实现方法

技术领域

本发明属于电波传播和无线通信技术领域，涉及一种宽带无线通信系统的衰落信道测量模型及其实现方法。 

背景技术

近年来，随着无线通信业务需求的飞速增长，无线通信系统的性能也大幅增加。为了获取更高的系统性能，新一代的无线通信系统采取了各种新技术。与此同时，无线信道也和以往的通信系统有着很大的区别。 

目前的无线信道模型主要是实现多径的抽头延迟线模型。从国内外宽带无线信道外场实测的结果可以发现，宽带信道在时延域中除了存在传统的多径衰落，还存在一种连续的能量分布，即散射现象。按照传统的方法，可以将散射分量视为时延分布密集的多径，采用抽头延迟线模型来实现。但是，由于多径的密集性，若采取抽头延迟线模型来实现散射分量，抽头的数目会很大，使得实现结构复杂。目前，常用的简化方法是采用分簇模型对宽带信道进行建模实现。分簇模型中，把时延比较接近的径视为一个簇，然后采取特定的方式对簇内的径进行相应的简化处理。分簇的规则不同会使得信道实现的结果不同，这使得基于分簇方法的宽带散射信道模型具有一定的主观性。综上所述，现有的信道模型实现方法并不能准确地表征密集城市地区的电波传播环境特征。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种宽带无线通信系统的衰落信道测量模型，该模型可以准确地表征密集城市地区的电波传播环境； 

此外，本发明还提供一种宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现方法。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。 

一种宽带无线通信系统的衰落信道测量模型，该测量模型采取“多径-散射” 模型合成方法，包括信道测量冲激响应模块，散射分量参数估计模块，散射分量生成模块，多径分量参数估计模块，多径分量生成模块，合成模块；所述信道测量冲激响应模块对信道测量获得的高速采集功率电平数据进行统计处理，获得宽带无线通信系统的信道冲激响应函数；所述散射分量参数估计模块与所述信道测量冲激响应模块的输出端相连，用以根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的散射分量参数；所述散射分量生成模块与所述散射分量参数估计模块的输出端相连，用以根据所述散射分量参数生成散射分量；所述多径分量参数估计模块与所述信道测量冲激响应模块的输出端相连，用以根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的多径分量参数；所述多径分量生成模块与所述多径分量参数估计模块的输出端相连，用以根据所述多径分量参数生成多径分量；所述合成模块分别与所述散射分量生成模块和多径分量生成模块的输出端相连，用以将所述散射分量和多径分量线性叠加获得所述宽带无线通信系统的衰落信道的模型函数。 

作为本发明的一种优选方案，所述衰落信道的多径包括N个单径，所述多径分量生成模块由N个并行的单径支路合并而成；所述多径分量参数包括N个单径分量参数，每个单径分量参数均包括角度、复幅度和时延；每个所述单径支路均包括天线赋型数据查找表模块，乘法器，第一延时器；所述天线赋型数据查找表模块用以根据所述角度选择相应的天线赋型数据；所述乘法器与所述天线赋型数据查找表模块的输出端相连，用以将所述复幅度和天线赋型数据相乘；所述第一延时器与所述乘法器的输出端相连，用以根据所述时延对所述乘法器的输出结果作延时处理。 

作为本发明的另一种优选方案，所述散射分量参数包括起始能量、能量衰减系数和起始时延；散射分量时域表示的一般形式为： 

$h_{\mathrm{DC}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&tau;}<{\mathrm{\&tau;}}_d\\ \mathrm{\&alpha;}& \mathrm{\&tau;}={\mathrm{\&tau;}}_d\\ \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-\mathrm{\&beta;}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_d)}& \mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_d\end{array}\right.$

其中τ_d为散射分量的起始时延值，α为散射分量的起始能量，β为散射分量的能量衰减系数，τ为延时时间；所述散射分量生成模块包括级联的散射分量成型滤波器和第二延时器；所述散射分量成型滤波器是根据所述起始能量和能量衰 减系数确定的；所述第二延时器用以根据所述起始时延对散射分量成型滤波器的输出作延时处理。 

作为本发明的再一种优选方案，所述散射分量成型滤波器是基于冲激响应不变法实现的，模型为： 

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，G₁为散射衰落幅度因子，G₂为散射衰落速度因子，τ为延时时间。 

作为本发明的再一种优选方案，所述散射分量成型滤波器是基于双线性变换法实现的，模型为： 

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}(1+Z^{-1})}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，G₁为散射衰落幅度因子，G₂为散射衰落速度因子，τ为延时时间。 

所述宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现方法包括以下步骤： 

步骤一，信道测量冲激响应模块对信道测量获得的高速采集功率电平数据进行统计处理，获得宽带无线通信系统的信道冲激响应函数； 

步骤二，散射分量参数估计模块根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的散射分量参数；多径分量参数估计模块根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的多径分量参数； 

步骤三，散射分量生成模块根据所述散射分量参数生成散射分量；多径分量生成模块根据所述多径分量参数生成多径分量； 

步骤四，合成模块将所述散射分量和多径分量线性叠加获得所述宽带无线通信系统的衰落信道的模型函数。 

作为本发明的一种优选方案，所述多径分量生成模块由N个并行的单径支路合并而成；所述多径分量参数包括N个单径分量参数，每个单径分量参数均包括角度、复幅度和时延；每个所述单径支路的实现方法均包括以下步骤： 

步骤A1，天线赋型数据查找表模块根据所述单径分量角度选择相应的天线 赋型数据； 

步骤A2，乘法器将所述单径分量复幅度和天线赋型数据相乘； 

步骤A3，第一延时器根据所述单径分量时延对所述乘法器的输出结果作延时处理。 

作为本发明的另一种优选方案，所述散射分量参数包括起始能量、能量衰减系数和起始时延；所述散射分量生成模块通过散射分量成型滤波器和第二延时器级联实现，具体实现方法为： 

步骤B1，根据散射分量的起始能量和能量衰减系数确定所述散射分量成型滤波器； 

步骤B2，所述第二延时器根据散射分量的起始时延对散射分量成型滤波器的输出作延时处理。 

作为本发明的再一种优选方案，基于冲激响应不变法实现所述散射分量成型滤波器，所述散射分量成型滤波器的模型为： 

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，G₁为散射衰落幅度因子，G₂散射衰落速度因子，τ为延时时间。 

作为本发明的再一种优选方案，基于双线性变换法实现所述散射分量成型滤波器，所述散射分量成型滤波器的模型为： 

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}(1+Z^{-1})}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，G₁为散射衰落幅度因子，G₂为散射衰落速度因子，τ为延时时间。 

本发明的有益效果在于：本发明采取“多径-散射”模型合成方法，根据宽带散射信道的多径参数和散射参数，并行地对信道模型的多径分量和散射分量进行实现，完整地描述宽带无线通信信道的多种时变衰落特征，可以准确地表征密集城市地区的电波传播环境，还原城市环境下的无线宽带信道环境，实现复杂度低。 

附图说明

图1为视距环境下宽带信道的实测冲激响应示意图； 

图2为非视距环境下宽带信道的实测冲激响应示意图； 

图3为本发明所述的无线通信系统的衰落信道测量模型的模块示意图； 

图4为本发明所述的无线通信系统的衰落信道测量模型的实现方法流程图； 

图5为多径分量生成模块的结构示意图； 

图6为多径分量生成模块的单径结构示意图； 

图7为散射分量生成模块的结构示意图； 

图8为散射分量成型滤波器的第一种实现结构框图； 

图9为散射分量成型滤波器的第二种实现结构框图； 

图10为散射分量成型滤波器的第三种实现结构框图。 

具体实施方式

实际环境中，宽带无线通信系统的通信质量很大程度上取决于信道衰落的情况。反射径和回波漫散射是引起宽带通信信道衰落的重要原因。本发明采取多径-散射模型合成方法，通过高精度的信道参数联合估计算法分离提取出多径参数和散射参数，将多径参数输入多径分量生成模块来实现信道模型的多径分量；将散射参数输入散射分量生成模块来实现信道模型的散射分量；再将多径分量生成模块和散射分量生成模块的输出以线性叠加的方式合并，实现宽带通信系统的衰落信道模型。多径分量生成模块是基于抽头延迟线模型实现的，且在抽头延迟线模型的基础上考虑了发射天线和接收天线的赋型作用。散射分量生成模块是基于频域滤波器实现的，其传递函数为漫散射连续能量总体分布函数。 

散射分量是指在信道冲激响应的时延功率谱中，从某一个时延值τ_d开始，功率值随着时延的增大呈指数衰减。散射分量的时域表示为： 

$h_{\mathrm{DC}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&tau;}<{\mathrm{\&tau;}}_d\\ \mathrm{\&alpha;}& \mathrm{\&tau;}={\mathrm{\&tau;}}_d\\ \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-\mathrm{\&beta;}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_d)}& \mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_d\end{array}\right.$

式中，τ_d为散射分量的起始时延值，α为散射分量的起始能量，β为散射分量的能量衰减系数，τ为延时时间。 

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。 

实施例一 

本实施例提供一种宽带无线通信系统的衰落信道测量模型，如图3所示，该模型可以实现贴近真实的宽带无线电波传播环境。该测量模型包括信道测量冲激响应模块1，散射分量参数估计模块2，散射分量生成模块3，多径分量参数估计模块4，多径分量生成模块5，合成模块6。 

上述衰落信道测量模型的实现方法的流程图如图4所示，宽带衰落信道的各个参数作为输入，用来确定衰落信道测量模型中各个模块的参数。不同类型的参数灌入到不同的模块中，并行的实现宽带衰落信道的多径分量和散射分量；然后，将多径分量和散射分量以线性叠加的方式合并，作为完整的宽带衰落信道输出。 

【信道测量冲激响应模块】 

所述信道测量冲激响应模块1用以通过测量获得宽带无线通信系统的信道冲激响应函数；图1为视距环境下宽带信道的实测冲激响应示意图，图2为非视距环境下宽带信道的实测冲激响应示意图，其中虚线为宽带信道的散射分量。 

【散射分量参数估计模块】 

所述散射分量参数估计模块2与所述信道测量冲激响应模块1的输出端相连，用以根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的散射分量参数；所述散射分量参数包括起始能量、能量衰减系数和起始时延。 

【散射分量生成模块及其实现方法】 

所述散射分量生成模块3与所述散射分量参数估计模块2的输出端相连，用以根据所述散射分量参数生成散射分量；如图7所示，所述散射分量生成模块包括级联的散射分量成型滤波器和第二延时器；所述散射分量成型滤波器是根据所述起始能量和能量衰减系数确定的；所述第二延时器用以根据所述起始时延对散射分量成型滤波器的输出作延时处理。 

所述散射分量成型滤波器是基于冲激响应不变法实现的，如图8所示，模型 为： 

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，τ_d表示散射分量的起始时延，α为散射分量的起始能量，β为散射分量的能量衰减系数，τ为延时时间，模块a、b放大器的增益分别为散射衰落幅度因子G₁和散射衰落幅度因子G₂，模块c为加法器，模块d为延时器，其带来的时延等于采样周期T_s。 

所述散射分量生成模块通过散射分量成型滤波器和第二延时器级联实现，具体实现方法为： 

步骤B1，根据散射分量的起始能量和能量衰减系数确定所述散射分量成型滤波器； 

步骤B2，所述第二延时器根据散射分量的起始时延对散射分量成型滤波器的输出作延时处理。 

【多径分量参数估计模块】 

所述多径分量参数估计模块4与所述信道测量冲激响应模块1的输出端相连，用以根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的多径分量参数；所述多径分量参数包括N个单径分量参数，每个单径分量参数均包括角度、复幅度和时延；其中N为正整数。 

【多径分量生成模块及其实现方法】 

所述多径分量生成模块5与所述多径分量参数估计模块4的输出端相连，用以根据所述多径分量参数生成多径分量；多径分量生成模块5根据多径数目确定支路的数目，然后对每个支路进行并行的实现。如图5所示，所述多径分量生成模块由N个并行的单径支路合并而成；如图6所示，每个所述单径支路均包括天线赋型数据查找表模块，乘法器，第一延时器；所述天线赋型数据查找表模块用以根据所述角度选择相应的天线赋型数据；所述乘法器与所述天线赋型数据查找表模块的输出端相连，用以将所述复幅度和天线赋型数据相乘；所述第一延时器与所述乘法器的输出端相连，用以根据所述时延对所述乘法器的输出结果作延时 处理。 

每个所述单径支路的实现方法均包括以下步骤： 

步骤A1，天线赋型数据查找表模块根据所述单径分量角度选择相应的天线赋型数据； 

步骤A2，乘法器将所述单径分量复幅度和所述天线赋型数据相乘； 

步骤A3，第一延时器根据所述单径分量时延对所述乘法器的输出结果作延时处理。 

【合成模块】 

所述合成模块6分别与所述散射分量生成模块3和多径分量生成模块5的输出端相连，用以将所述散射分量和多径分量线性叠加获得所述宽带无线通信系统的衰落信道的模型函数。 

实施例二 

本实施例与实施例一的区别在于，所述散射分量成型滤波器是基于双线性变换法实现的，如图9所示，模型为： 

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}(1+Z^{-1})}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，模块a、b放大器的增益分别为散射衰落幅度因子G₁和散射衰落幅度因子G₂；模块c为延时器，其带来的时延等于采样周期T_s；模块d和模块e为加法器。α为散射分量的起始能量，β为散射分量的能量衰减系数，τ为延时时间。 

实施例三 

本实施例与实施例二的区别在于，所述模型的表达方式不同，如图10所示， 模块a、b放大器的增益分别为散射衰落幅度因子G₁和散射衰落幅度因子G₂。模块c和d为加法器，模块e和f为延时器，其带来的时延等于采样周期T_s。 

本发明基于高精度的信道估计算法得到宽带衰落信道参数，利用信道参数对信道进行实现。本发明的信道参数包含多径参数和散射参数，客观现实地反映了宽带衰落信道的特征。本发明的优点在于，将密集的散射能量分布连续的统一处理，然后采取线性叠加的方式合并多径分量和散射分量，简化了系统的实现，可以还原城市环境下的无线宽带信道环境，实现复杂度低。 

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。 

Claims (6)

1.一种宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现装置，其特征在于，所述衰落信道测量模型的实现装置包括：

信道测量冲激响应模块，对信道测量获得的高速采集功率电平数据进行统计处理,获得宽带无线通信系统的信道冲激响应函数；

散射分量参数估计模块，与所述信道测量冲激响应模块的输出端相连，用以根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的散射分量参数；所述散射分量参数包括起始能量、能量衰减系数和起始时延；散射分量的时域表示为：

$h_{\mathrm{DC}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&tau;}<{\mathrm{\&tau;}}_d\\ \mathrm{\&alpha;}& \mathrm{\&tau;}={\mathrm{\&tau;}}_d\\ \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-\mathrm{\&beta;}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_d)}& \mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_d\end{array}\right.$

其中τ_d为散射分量的起始时延值，α为散射分量的起始能量，β为散射分量的能量衰减系数，τ为延时时间；

散射分量生成模块，与所述散射分量参数估计模块的输出端相连，用以根据所述散射分量参数生成散射分量；所述散射分量生成模块包括级联的散射分量成型滤波器和第二延时器；所述散射分量成型滤波器是根据所述起始能量和能量衰减系数确定的；所述第二延时器用以根据所述起始时延对散射分量成型滤波器的输出作延时处理；所述散射分量生成模块是基于频域滤波器实现的，所述散射分量生成模块的传递函数为漫散射连续能量总体分布函数；

多径分量参数估计模块，与所述信道测量冲激响应模块的输出端相连，用以根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的多径分量参数；

多径分量生成模块，与所述多径分量参数估计模块的输出端相连，用以根据所述多径分量参数生成多径分量；并行的实现宽带衰落信道的多径分量和散射分量；所述多径分量生成模块由N个并行的单径支路合并而成；所述多径分量参数包括N个单径分量参数，每个单径分量参数均包括角度、复幅度和时延；每个所述单径支路均包括：天线赋型数据查找表模块，乘法器，第一延时器；所述天线赋型数据查找表模块用以根据所述角度选择相应的天线赋型数据；所述乘法器与所述天线赋型数据查找表模块的输出端相连，用以将所述复幅度和天线赋型数据相乘；所述第一延时器与所述乘法器的输出端相连，用以根据所述时延对所述乘法器的输出结果作延时处理；所述多径分量生成模块是基于抽头延迟线模型实现的，且在抽头延迟线模型的基础上考虑了发射天线和接收天线的赋型作用；

合成模块，分别与所述散射分量生成模块和多径分量生成模块的输出端相连，用以将所述散射分量和多径分量线性叠加获得所述宽带无线通信系统的衰落信道的模型函数。

2.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现装置，其特征在于，所述散射分量成型滤波器是基于冲激响应不变法实现的，模型为：

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，G₁为散射衰落幅度因子，G₂为散射衰落速度因子，τ为延时时间。

3.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现装置，其特征在于，所述散射分量成型滤波器是基于双线性变换法实现的，模型为：

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}(1+Z^{-1})}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，G₁为散射衰落幅度因子，G₂为散射衰落速度因子，τ为延时时间。

4.权利要求1所述的宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

步骤一，信道测量冲激响应模块通过测量获得宽带无线通信系统的信道冲激响应函数；

步骤二，散射分量参数估计模块根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的散射分量参数；所述散射分量参数包括起始能量、能量衰减系数和起始时延；散射分量的时域表示为：

$h_{\mathrm{DC}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&tau;}<{\mathrm{\&tau;}}_d\\ \mathrm{\&alpha;}& \mathrm{\&tau;}={\mathrm{\&tau;}}_d\\ \mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-\mathrm{\&beta;}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_d)}& \mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_d\end{array}\right.$

其中τ_d为散射分量的起始时延值，α为散射分量的起始能量，β为散射分量的能量衰减系数，τ为延时时间；

多径分量参数估计模块根据所述冲激响应函数估计出衰落信道中的多径分量参数；

步骤三，并行的实现宽带衰落信道的多径分量和散射分量；散射分量生成模块根据所述散射分量参数生成散射分量；所述散射分量生成模块通过散射分量成型滤波器和第二延时器级联实现，具体实现方法为：步骤B1，根据散射分量的起始能量和能量衰减系数确定所述散射分量成型滤波器；步骤B2，所述第二延时器根据散射分量的起始时延对散射分量成型滤波器的输出作延时处理；所述散射分量生成模块是基于频域滤波器实现的，所述散射分量生成模块的传递函数为漫散射连续能量总体分布函数；

多径分量生成模块根据所述多径分量参数生成多径分量；所述多径分量生成模块是基于抽头延迟线模型实现的，且在抽头延迟线模型的基础上考虑了发射天线和接收天线的赋型作用；所述多径分量生成模块由N个并行的单径支路合并而成；所述多径分量参数包括N个单径分量参数，每个单径分量参数均包括角度、复幅度和时延；每个所述单径支路的实现方法均包括以下步骤：

步骤A1，天线赋型数据查找表模块根据所述单径分量角度选择相应的天线赋型数据；

步骤A2，乘法器将所述单径分量复幅度和天线赋型数据相乘；

步骤A3，第一延时器根据所述单径分量时延对所述乘法器的输出结果作延时处理；

步骤四，合成模块将所述散射分量和多径分量线性叠加获得所述宽带无线通信系统的衰落信道的模型函数。

5.根据权利要求4所述的宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现方法，其特征在于，基于冲激响应不变法实现所述散射分量成型滤波器，所述散射分量成型滤波器的模型为：

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，G₁为散射衰落幅度因子，G₂为散射衰落速度因子，τ为延时时间。

6.根据权利要求4所述的宽带无线通信系统的衰落信道测量模型的实现方法，其特征在于，基于双线性变换法实现所述散射分量成型滤波器，所述散射分量成型滤波器的模型为：

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{G_1\mathrm{\&tau;}(1+Z^{-1})}{1-Z^{-1}{G}_2}$

其中，G₁为散射衰落幅度因子，G₂为散射衰落速度因子，τ为延时时间。

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