通信中的系统级仿真

1系统级仿真李潇东南大学信息科学与工程学院2系统级仿真技术概述无线通信环境是非常复杂的，无线通信系统也是非常庞大的。采用仿真技术进行系统仿真，来衡量系统性能或者某项通信技术是较常用的手段。可以很好的仿真实际环境，设计相关的参数，得出系统性能。对通信系统的仿真研究，主要分为链路级仿真和系统级仿真：链路级仿真主要是检验各种无线传输技术的性能。根据无线传输技术的物理层基本模型和相关算法，通过合理的信道模型，建立链路，仿真误码率曲线。系统级仿真主要是利用链路级仿真结果，从整个系统的角度出发，分析系统的覆盖、容量和整体性能为无线网络规划优化提供依据。系统级仿真方法主要分为两种：静态仿真和动态仿真。静态仿真通过对快照的分析来研究网络性能，通过仿真系统行为的一定数量的快照，统计分析整个系统性能。在静态仿真中，常用的一种方法是蒙特卡洛仿真。动态仿真则是通过对UE在连续时间内的移动进行分析来了解网络性能，它也需要连续仿真一定数量的网络快照。静态仿真采用分析多个网络快照的方法，可以反映网络的平均性能，但计算量较大，配置和结论比较复杂，正确性高；动态仿真可以提高完整的容量与覆盖分析，但计算量大于静态仿真，而且耗用时间长，结果的准确性依赖于业务模型的准确性。3静态仿真基于快照的静态仿真方法采用蒙特卡洛方法的原理，建立一个系统模型来模拟实际的移动通信系统，其中激活的UE与小区的连接关系固定，利用多个不同时间下的快照的统计特性，来分析系统的网络性能。首先，它需要建立一个系统模型模拟实际的网络环境，包括小区大小、用户数量、基站数量及链路损耗等；其次，在每一个快照中，按照一定统计规律的分布初始化用户，通过链路预算等措施，为每个用户和基站建立连接能力，确定每个用户的归属基站；然后，根据一定的资源分配准则，为每个需要服务的用户分配资源，资源分配完毕后，用户的各条链路就建立起来了。初始化发射功率，计算接收端的信干比，并按照一定的准则映射到系统吞吐量曲线上。在静态仿真的快照中，不能仿真快速功率控制、软切换和移动台的移动，这些影响因素是通过链路级的仿真过程，得到它们的统计平均影响，然后加入到静态仿真当中。静态仿真就是分析一些相对独立的网络状态，根据不同的业务分布特征，生成一定数量的快照，随后对这些快照进行统计意义上的分析，最后得到统计上的网络性能结果。4动态仿真动态系统仿真是一种在连续时间上模拟移动台在网络中的状态来进行网络分析的方法。与静态仿真相比，动态系统仿真详细的仿真了系统的动态变化过程，包括用户终端的移动、开机、关机，小区搜索，小区更新，业务到达，小区切换等通信事件和网络侧网元的信令交互及无线资源管理。动态系统的建模方法可以分为两种：时间驱动型和事件驱动型。时间驱动型仿真模拟了移动台从发起呼叫、小区选择、功率控制、移动、切换到呼叫结束的整个过程。在仿真过程中，系统数据的更新是以时间步长为单位，每一个时间步长为一个仿真点，系统在每一个时间点更新用户的位置，移动速度，调整功率水平，更新用户业务等。事件驱动仿真则不以时间过程来进行数据的更新和统计，它模拟移动台的移动性及业务过程，同时也把业务质量反映了出来。事件驱动型仿真的时间采样频率要低于时间驱动型仿真，它不仿真功率控制的整个过程，只是在事件发生的指定时间内进行仿真。事件驱动型仿真一般从一个网络快照开始，持续一段时间，在此时间内等待驱动事件的发生。动态影响系统的事件的发生，将驱动网络状态的重新估算，包括基站、移动台发射功率，移动台的状态等。这里各个事件发生时刻的快照存在时间连续性，反映的是一个动态的过程。5系统级仿真模型网络拓扑用户模型移动模型传播环境模型天线模型业务模型调度模型链路自适应模型6网络拓扑在每次仿真开始时，根据不同的仿真场景和仿真设置产生小区：宏蜂窝(Macro)、微蜂窝(ManhattanGrid)、室内热点(Indoorhotspot)。宏蜂窝：单扇区：wrap-around:7网络拓扑三扇区：每个小区有一个三向天线，指向120度的3个扇区，共有57个扇区，如下图所示。图中小区采用三向天线，如指向1，2，3这三个扇区的天线。1，2，3这三个扇区部分为中心小区，外围有两层小区。其中，基站间距为三倍的扇区半径。8网络拓扑微蜂窝：室内热点：9用户模型每个小区中的用户服从均匀分布。为了在正六边形内产生均匀分布的用户，将正六边形进行改造，将正六边形上半部分平移到下面，组成一个长方形。以六边形的左下角的点为左边原点，建立直角坐标系，设小区的半径为R，则在改造的长方形中，横坐标x和纵坐标y的取值范围分别为[-0.5R,2.5R]和[0,0.866R]。令用户数目为N，生成在长方形内均匀分布的用户：然后，对落在不同区域的用户进行平移，得到在小区内均匀分布的用户。()()3**rand,10.5*,0.866**rand,1xRNRyRN=−=10移动模型宏蜂窝用户移动模型：Wrap-around黄色为仿真区域，蓝色为wrap-around小区，当用户移动到蓝色小区5时，平移到对应的黄色小区5中。速度低速用户3km/h，高速用户120km/h。方向每个仿真周期方向改变的概率为0.2，每次改变度数为[-45,45]之间的随机数。11移动模型曼哈顿小区用户移动模型：Wrap-around仿真区域有上、下、左、右四个边界，从一边界移出则从相对的边界移回。速度在房屋中的用户速度为0，街道上低速用户3km/h，街道上高速用户30km/h。方向在十字路口的用户拐弯的概率为0.5，在街道上非十字路口的拐弯的概率为0.2。12传播环境模型移动环境是一个完全开放的信道环境，电磁波在传输的过程中，除了受到路径衰减的影响，还与建筑物的遮挡、用户移动等情况有关。不同的环境下，信号经历的路径损耗、多径效应、阴影衰落等也不同。因此，对于无线环境进行准确的建模是仿真正确性的可靠保证。路径损耗模型：一般称衰耗，指电波在空间传播所产生的的损耗。它反映出传播在宏观大范围的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。Hata模型：f—工作频率(MHz)ht—发射天线高度(m)hr—接收天线高度(m)a(hr)—接收天线高度修正因子d—传播距离(km)K—用于小型城市郊区和开阔地的校正因子()()1010101069.5526.16log13.2log44.96.55loglogLfhtahrhtdK=+−−+−−13传播环境模型CCIR模型：该模型由原CCIR（现ITU-R）提出，综合考虑了自由空间传播和地形效应损耗对无线电波传播的影响。B=30-25log10(地面建筑物覆盖率)a(hr)=(1.1log10f-0.7)hr-(1.56log10f-0.8)hrCCIR模型和Hata模型的适应条件：150MHz≤f≤1500MHz1km≤d≤20km30m≤ht≤200m1m≤hr≤10mCCIR和Hata模型适用的天线高度和终端高度适合小型城市、乡镇区域的地物情况，因此常用于小型城市及乡镇区域1.5G以下的无线网络规划。()()1010101069.5526.16log13.82log44.96.55loglogLfhtahrhtdB=+−−+−−14传播环境模型阴影衰落模型：电磁波在传输过程中，由于受到大型建筑物和其他物体的阻挡，在部分接收区域产生明显的信号衰减，类似于太阳光被遮挡后产生的阴影，称为阴影效应。从统计意义上看，阴影衰落服从对数正态分布，单位为分贝(dB)。阴影衰落具有一定的空间相关性，在仿真中，相邻基站之间的阴影衰落的相关因子设为0.5，同一基站的不同扇区的相关因子设为1。仿真的处理方式：阴影衰落服从均值为0，方差为10dB的对数正态分布。15天线模型天线主要分为全向天线和定向天线。全向天线，即在水平方向图上变现为360度的均匀辐射，也就是平常说的无方向性，在垂直方向上表示为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在水平方向图上表现为一定角度范围的辐射，具有方向性，在垂直方向上和全向天线相同，波瓣宽度越小，增益越大。在日常应用中，全向天线一般应用距离短，覆盖范围大，成本较低；定向天线的通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高，成本比较高。在仿真中，主要考虑三向120度定向天线。天线增益为：其中，θ3dB为3dB的波瓣宽度，Am是最大损耗。()3min12,,180180mdBAAθθθθ=−−≤≤16天线模型天线的方向图如下图所示17业务模型VoIP业务模型在VoIP模型中包括激活期和静默期，瞬态只在开始时出现可以忽略。18业务模型FTP业务模型在FTP模型中，有两个个主要的参数：包的大小Ns以及间隔时间Dp。它们的分布如下：19业务模型HTTP业务模型一次下载的下行数据大小服从α=1.1，均值为12KByte的Pareto分布，最小文件1858Byte，最大文件5MByte。包间隔服从负指数分布（均值8.3ms），读取时间服从负指数分布（均值12s）。20调度模型调度算法是提高系统容量的一项关键技术，决定在什么时间分配给哪些用户什么样的无线资源来进行通信。调度可以更好地利用系统的资源，可以充分的利用信道的时变特性，得到多用户分集和频率分集增益，寻得吞吐量和公平性的最佳匹配。吞吐量是指小区单位时间内传输的数据量；公平性指用户获得服务的机会，包括占有资源的公平和传输速率的公平性两种，最公平算法保证用户享有相同的服务机会和服务质量。追求公平性和吞吐量最大化一直是调度算法的目标。三种基本的调度算法为：轮询调度（RoundRobin，RR）、最大载干比调度（MaxC/I）和比例公平调度（ProportionalFair，PF）。21调度模型轮询调度(RR)：轮询调度又称为循环调度算法，被认为是最公平的调度算法。这种算法中，每个用户被循环的调度来使用系统资源，从概率意义上讲，每个用户以同等的概率使用系统资源，如时隙和功率。假设有两个用户UE1和UE2，两个用户都有足够多的数据要传输，轮询调度可以用下图表示。轮询调度以牺牲吞吐量为代价，为用户公平的提供资源。从占用资源的角度，轮询调度既可以满足用户长时间的公平性，又可以满足用户短时间的公平性，是一种最公平的调度算法，而且便于实现。但是，它也有自身的缺点，它没有充分的利用有效的信息，如信道质量CQI，因此系统的吞吐量和频谱利用率比较低，可靠性也不能得到很好的保证。轮询算法的吞吐量是最低的，公平性是最高的，一般把它作为吞吐量的下界和公平性的上界与其他调度算法进行对比。22调度模型最大载干比调度(MaxC/I)：最大载干比算法在分配资源时，优先把资源分配给载干比最大的用户。它根据信道反馈的CQI(信道质量指示)，选择C/I最大的用户进行传输。这样可以动态的适应信道的变化，从而获得最大的多用户分集增益，获得吞吐量的最大值。最大载干比的优先级公式可以表示为：K为总用户数，C/I为用户的载干比，k为所调度的用户。最大载干比配合自适应编码调制，可以很好的利用信道的反馈信息，实现系统的吞吐量最大化，而且实现算法简单。但是它完全没有考虑用户之间的公平性，当某个用户的信道条件一直不好时将不会被调度，会出现用户“饿死”的现象。因此，从占用资源的角度讲，最大载干比调度是最不公平的，它是吞吐量性能的上界和公平性的下界。()argmax,1,2,,iCktiKI==23调度模型比例公平调度(PF)：比例公平算法既考虑了用户的信道质量指示，又考虑了过去一段时间获得的吞吐量，是一种吞吐量和公平性的折中方案。PF算法的优先级计算函数可以表示为：在PF算法中，rj(t)为当前用户要求传输的瞬时速率，Rj(t)为当前时刻用户在时间窗Tc内的平均速率。随着用户传输机会的增多，Rj(t)会不断的提高，从而用户的优先级会降低，而原来低优先级的用户会获得更多的传输资源，以此保证用户的公平性。PF算法充分利用了信道反馈的信息，同时也是有记忆性的，