（通信与信息系统专业论文）imtadvanced性能分析研究.pdf

主题词：i m t a d v a n c e dl t ew i m a x 系统级仿真链路级仿真 k e y w o r d s ：i m t a d v a n c e d ，l t e ，w i m a x ，l i n kl e v e ls i m u l a t i o n ，s y s t e ml e v e l s i m u l a t i o n 给定算法下不同实现方式的性能。而系统级仿真则用来进行各种体系和算法的比较。因此有 必要对系统仿真以及评估方法进行相关研究。 、 论文首先概述了i m t - a d v a n c e d 的标准化工作进展情况，同时也介绍了基于i m t a d v a n c e d 标准的三个热门候选方案l t e ，u m b 和w i m a x ，论述了系统仿真的目的和方 法。 然后详细讨论了w i m a x 系统的物理层规范。接着对w i m a x 进行了链路级仿真，给出 了o f d m a 物理层仿真平台从发送端到接收端的系统结构、主要模块的设计原理以及软件设 计接口说明。着重对信道编码方案分组t u r b o 码( b t c ) 、卷积t u r b o 码( c t c ) 以及低密度奇偶 校验码( ( l d p c ) 进行了研究，得到了不同调制方式下各编码方式的系统仿真性能，同时也对 各编码方式的性能优劣进行了对比。 最后介绍了l t e 的系统结构及物理层关键技术。着重论述了下行链路系统级仿真平台的 设计与实现，给出了系统的参数设置和仿真平台的功能模块设计，并将链路级仿真算法引入 到系统级仿真中，引入l 2 s ( l i n kl e v e lt os y s t e ml e v e l ) 接i ；3 即链路级和系统级接1 ：3 。然后仿 真输出得到了使用预编码的m i m o ( 多输入多输出) 系统的吞吐量，并对不同的系统配置方案 进行了对比评估。 关键词：i m t - a d v a n c e dl t ew i m a x 系统级仿真链路级仿真 a b s t r a c t i m t a d v a n c e di sat e n t a t i v en a m eu s e df o rt h ef o u r t h g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w h i c hi st h es u c c e s s o rs y s t e mt oi m t 一2 0 0 0 i no r d e rt op r o v i d eh i g h e rd a t ar a t ea n ds o l v e t h ei s s u e sw h i c hl i m i tt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i m t a d v a n c e ds h o u l d m a k eb r e a k t h r o u g hi nn o t i o n sa n dt e c h n o l o g i e s t h e s ec o n f li c t i n gd e m a n d sw i l lr e s u l ti nt h e c o m p l e xs y s t e md e s i g n ，w h i c hs h o u l db eb a s e do ne f f e c t i v es y s t e ms i m u l a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o nc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，o n ei st h el i n kl e v e l s i m u l a t i o na n da n o t h e ri ss y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n i ng e n e r a l ，l i n kl e v e ls i m u l a t i o ni so f t e nu s e df o r c a l i b r a t i o n ，w h i l es y s t e ml e v e ls i m u l a t i o ni sc o n d u c t e dt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t s c h e m e so ra l g o r i t h m s t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ha b o u ts y s t e ms i m u l a t i o na n d e v a l u a t i o nm e t h o d s t h i st h e s i sf i r s tg i v e sa l li n t r o d u c t i o no fi m t - a d v a n c e ds t a n d a r d i z a t i o nw o r k ，a l s oi n t r o d u c e s t h r e eh o tc a n d i d a t eo fi m t a d v a n c e ds t a n d a r d - - l t e ，u m b ，w i m a x a i m sa n dm e t h o d so f s y s t e ms i m u l a t i o na r ed e s c r i b e db r i e f l y s e c o n d l y ，t h es c h e m eo fw i m a xp h y s i c a ll a y e ri s d i s c u s s e di nd e t a i l t h e nal i n kl e v e l s i m u l a t i o nw h i c hi sb a s e do nw i m a xi se s t a b l i s h e d s y s t e ms t r u c t u r ef r o mt r a n s m i t t e rt or e c e i v e r o fo f d m ap h y s i c a ll a y e rs i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h em a i nm o d u l ea n d i n t e r f a c e so fs o f t w a r ed e s i g n i n ga r ed e s c r i b e dw h i c hf o c u so nc h a n n e lc o d i n g _ b t c ，l d p c ，c t c ， a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tm o d u l a t i o n ，a n dd i f f e r e n tc o d i n g a tt h es a m et i m e ，t h e p e r f o r m a n c e sw i t ht h e s ec h a n n e lc o d i n ga r ec o m p a r e d f i n a l l yt h ek e yt e c h n o l o g i e so fp h y s i c a ll a y e ra n ds y s t e m s t r u c t u r eo fl t es y s t e ma r e i n v e s t i g a t e d t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fs y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mo fl t e d o w n l i n k s y s t e mb yg i v i n gt h ep a r a m e t e r sa n dc o n s t r u c t i n gm o d u l e so ft h ep l a t f o r m t h e nt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa r ep r e s e n t e d t h et h r o u g h p u to ft h em i m os y s t e mu s i n gp r e c e d i n gt e c h n i q u ea n dt h e e v a l u a t i o no fd i f f e r e n ts c h e m e sa r ea l s os h o w ni nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：i m t a d v a n c e d ，l t e ，w i m a x ，l i n kl e v e ls i m u l a t i o n ，s y s t e m1 e v e ls i m u l a t i o n 3 1 基于w i m a x 的物理层关键技术l l 3 i 1o f d m 和o f d m a 技术“ 3 1 2 帧结构1 4 3 1 3 自适应调制编码( a m c ) 1 5 3 1 4 混合自动重传请求( h a r q ) 1 7 3 2w i m a x 链路级仿真设计1 8 3 2 1 系统结构l8 3 2 2 系统模块1 9 3 2 3 链路级仿真平台软件设计2 6 3 2 4 仿真结果3l 第四章基于l t e 方案的性能分析及链路级与系统级结合仿真3 6 4 1l t e 系统的结构。3 6 4 2l t e 系统关键技术研究3 7 4 2 1m i m o 技术3 7 4 2 2 无线资源管理3 8 4 3 仿真参数设定3 9 4 3 1 仿真基本场景3 9 4 3 2 仿真信道模型4 0 4 4 系统级与链路级接口4 1 4 5 系统级仿真平台整体结构设计4 2 4 6 系统级仿真平台模块化设计与实现一4 4 4 6 1 初始化模块4 4 4 6 2 业务模块：4 6 4 6 3 资源调度模块4 7 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 4 6 4 干扰计算模块4 8 4 6 5 h a r q 过程的设计与实现4 9 4 7 仿真结果对比评估一5 0 第五章总结与展望5 6 5 1 本文总结5 6 5 2 研究展望一5 7 墅i 调 5 8 参考文献5 9 作者攻读硕士学位期间发表的论文6 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1i m t - a d v a n c e d 的研究背景 移动通信技术从二十世纪九十年代开始得到了快速发展时期。通信己经成为了人们生活 的重要组成部分，它不但推动了社会经济的快速发展，也极大地改变了人们的生活方式。随 着社会的进步、物质及精神生活水平的提高，人们对通信也提出了更高的要求。 目前，第一代模拟移动通信系统已经退出了市场，第二代数字移动通信系统g s m ( 全球 移动通信系统) 和c d m a ( 码分多址) i s 9 5 ，在全球语音通信业务领域获得了巨大成功，移动 语音用户己经超过了1 8 亿。同时，我们的通信习惯也由点到点演进到人与人。个人通信的 迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，同时也促使了通信的内容由单纯的 语音通信过度到语音通信与数据通信并行的局面。 但是，第二代通信系统及其演进技术，如g s m 网络演进到g p r s ( 通用无线分组业 务) e d g e ( 增强型数据速率g s m 演进技术) ，并不能解决用户对高速数据通信的需求，第三 代移动通信系统由此应运而生。在i t u 的主持下，世界各国、各地区组织对第三代移动通信 系统无线传输技术进行了广泛而持久的研究，逐渐形成了被国际社会认可的三个主流标准： t d s c d m a ( 时分同步码分多址接入) 、w c d m a ( 宽带码分多址接入) 、c d m a2 0 0 0 。第三 代移动系统基于c d m a 技术，专为多媒体通信而设计，它能够高速地传输数据：室内可达 2 m b p s ，步行可达3 8 4 k b p s ，车速可达1 4 4 k b p s 。当前，第三代通信技术已经在世界范围内 得到了广泛应用。在中国，由我国提出并通过i t u 批准的3 g 标准t d s c d m a 得到了极大 的关注，2 0 0 9 年1 月7 日，工业与信息化部正式向三家运营商发放了3 g 牌照，这标志着3 g 大规模商用在中国的开始。 同时，第三代移动通信也面临着一些问题，在知识产权的制肘、应对市场挑战和满足用 户需求等领域，还存在着很多局限。由于c d m a 通信系统形成的特定历史背景，3 g 所涉及 的核心专利被少数公司持有，在知识产权上形成了一家独大的局面。专利授权费用已成为厂 家的沉重负担。可以说，3 g 厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变 这种不利局面。与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于lm b p s 的无线接 入速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。而最重要的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。这些要求已远远超出了现有网络 的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络结构势在必行。 根据i t u 的规划，4 g ( 第四代移动通信) 要在2 0 1 2 年才开始商用。在这期间传统电信设 备商和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和知识产权的制肘共同推动 了3 g p p 和3 g p p 2 等组织在4 g 出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。l t e ， u m b 等e 3 g ( e v o l v e d3 g ) 技术正是在这样的背景下产生的。l t e 是其中最具有代表性的 e 3 g 技术，2 0 0 4 年1 2 月初，l t e 项目正式开始，其标准化进程非常迅速，仅到2 0 0 8 年1 2 月，l t e 项目就已经顺利结项了。l t e 系统的峰值数据率可达上行5 0 m b p s ，下行 1 0 0 m b p s ，频谱利用率是r 6 版本( h s p a ，高速分组接入) 的2 。4 倍。 正当e 3 g 标准化快速进行时，由i t u 主持的b 3 g 标准化也几乎在同一时间开始了。 b 3 g 与e 3 g 使用相同的关键技术，有许多共性。2 0 0 3 年，b 3 g 标准化工作开始实施，2 0 0 5 年l o 月，i t u 将b 3 g 正式命名为i m t a d v a n c e d 。现在，i m t a d v a n c e d 的标准仍在制定过 程中，预计到2 0 1 0 年底，i t u 将发布第一版本的全球b 3 g 标准。 同时各标准化组织也面向i m t a d v a n c e d 制定着自己的b 3 g 标准，其中，3 g p p 将l t e 项目提升为演进版本l t e + ，3 g p p 2 将u m b 项目提升为演进版本u m b + ， i e e e ( 电气电子工 程师协会) 将8 0 2 1 6 e 提升为演进版本8 0 2 1 6 m ，这三个b 3 g 标准化项目在i m ta d v a n c e d 的 标准化方面正发挥着重要的作用【l 】。 e 3 g ，8 0 2 1 6 e 与b 3 g 的关系可简要的通过图1 1 来说明。3 g p p ，3 g p p 2 及i e e e 的演进 型3 g 的目标与b 3 g 的远景接近，核心技术都是o f d m ，m i m o 等。同时，e 3 g 阶段有利于 将来向b 3 g 的演进工作，为众多研究b 3 g 的组织和项目提供了将现在研究成果输出成为标 准的舞台。 图1 1e 3 g 与b 3 g 关系示意图 在e 3 g 和b 3 g 的标准制定中，为了对各种技术提案进行评估，需要提供准确的仿真数 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 据。由于无线网络在移动通信网络建设中投资巨大，运营商高度重视在无线网络上的投资效 益，不合理的无线网络方案会造成投资浪费、网络覆盖不足、质量差，因此，系统性能分析 及其仿真对检验无线方案具有非常重要的作用。 1 2i m t - a d v a n c e d 主流候选方案 由于i m t a d v a n c e d ( b 3 g ) 的最终标准还未出台，很多技术尚未成型。在本论文所提 出的4 g 候选方案的前两个方案是以e 3 g 为基础提出来的，而第三个候选方案也是类似的情 况，8 0 2 1 6 m 系统需要对8 0 2 1 6 e 系统相兼容，因此，论文工作将以8 0 2 1 6 e 为基础而展开。 这些技术在不久的将来都很有可能成为未来4 g 的技术标准。 1 2 1l t e 方案 为了满足用户需求和应对宽带接入技术的挑战，国际标准化组织3 g p p 进行了l t e 项目 的标准化工作。2 0 0 4 年1 2 月初，在加拿大多伦多，3 g p p 第一次正式进行了u t r a n ( 通用陆 地无线接入网络) 演进研究。在随后的2 0 0 4 年1 2 月3 g p p 会议上，立项开始了 u t 凡& u t 凡nl o n gt e r me v o l u t i o n 可行性的研究。2 0 0 5 年，物理层基本方案在艰苦讨论后 最终确定为下行o f d m a ( 正交频分复用多址) 、上行s c f d m a ( 单载波频分复用多址) 技 术。2 0 0 6 年9 月，技术可行性研究阶段( s t u d yi t e m ) 正式结束。根据可行性阶段的研究成 果，3 g p p 正式开始e u t r a n 技术标准制定( w o r ki t e m ) 实质工作。2 0 0 8 年3 月，3 g p p 会议 正式冻结了物理层功能模块，但上层协议稍微滞后，其功能模块仍为开放状态。l t e 项目整 体完成在2 0 0 8 年1 2 月，新修订后的标准最终被收纳入3 g p p 第8 版本中。 l t e 的主要性能需求指标为： 1 ) 支持1 2 5 m h z 2 0 m h z 带宽； 2 ) 峰值数据率达到上行5 0 m b p s ，下行1 0 0 m b p s ； 3 ) 以尽可能相似的技术，支持成对( p a i r e d ) 和非成对( u n p a i r e d ) 频谱； 4 ) 频谱效率：下行链路达到5 b i t s h z ( 3 4 倍于r 6h s d p a ) ，上行链路达到 2 5 b i t s h z ( 2 3 倍于r 6h s u p a ) ；、 5 ) 用户平面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制平面延迟小于l o o m s ； 6 ) 提高小区边缘的用户吞吐量； 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 7 ) 系统对低速移动用户可提供优化服务，同时支持高速移动用户； 8 ) 尽可能支持简单的临频共存。 从上述设计需求可以看出，l t e 的研究重点分为两个方面：空中接口技术的研究和核心网 络架构的演进。本文的研究主要是关于空中接口技术方面的。 1 2 2u m b 方案 2 0 0 5 年3 月，标准化组织3 g p p 2 启动了针对c d m a2 0 0 0 演进技术的研究与标准化工 作，其空中接口技术的演进称为a i e ( a i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n ) 。为了满足不同市场的需求，降 低开发复杂度，3 g p p 2 将a l e 的工作分为两个阶段。第一阶段是针对c d m a 2 0 0 0i xe vd o r e v b 的标准制定工作。a i e 的第二阶段是针对超移动宽带( u m b ) 的标准制定工作，其目标 是进一步提高系统传输频谱效率，同时满足运营商对于网络演进、网络部署、业务融合过渡 和性能方面的相关需求。2 0 0 7 年9 月，c d g ( c d m ad e v e l o p m e n tg r o u p ) 和3 g p p 2 共同宣布 了u m b 空中接口规范- - 3 g p p 2 c s 0 0 8 4 0v 2 0 正式发布。 u m b 代表了下一代移动宽带服务的重大突破，能够使纯i p 以及各类可变包长的数据传 输速度达到比目前商用系统更高的数量级。u m b 能够在2 0 m h z 的带宽里实现2 8 8 m b i t s 的 峰值下载，并同时保持大范围与大规模经济效益，能够从根本上提高最终用户的全面体验和 增强运营商的赢利能力。 u m b 技术集成了o f d m a ，c d m a 和m i m o 的其他空中接口技术和高级天线技术，可以 支持宽带速度、更大的容量和覆盖面积、增强的未来移动服务用户体验等特性。具体而言， u m b 主要有以下特性：u m b 系统在前、反向子载波上均引入了6 4 q a m ( 6 4 正交幅相调制) 调 制方式，引入4x 4 m i m o 以后，系统在2 0 m h z 带宽中前、反向物理链路上可以达到的峰值 速率为2 8 8 m b i t s 和7 5 m b i t s 。此外，在支持单播数据业务的同时，u m b 系统还增加了对多 播数据业务的支持；u m b 对系统移动性支持进行了专门的设计；基于优化的系统设计和移动性 支持，u m b 系统可以支持较高的速率。 1 2 3i e e e8 0 2 1 6 m 方案 在宽带移动化方面，i e e e8 0 2 工作组先后制定了w l a n 和w i m a x 等技术规范，其中 基于i e e e8 0 2 1 6 e 标准的移动w i m a x 技术，由于兼具了移动化、宽带化和m 化的特点， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 成为最具发展潜力的无线接入技术之一。 由于i e e e8 0 2 1 6 e 标准并不支持高速移动服务，在i e e e8 0 2 1 6 e 基础上，i e e e 已经成 立了8 0 2 1 6 m 工作组，计划2 0 0 8 年第二季度完成标准的制订。根据英特尔的公开资料， 8 0 2 1 6 m 目前提出的要求范例如下：支持在时速3 5 0 k m h 以上的移动物体上使用。其他方面， 带宽分为5 ，1 0 ，2 0 ，4 0 m h z ，计划最多可支持4 4 的m i m o 。在使用2 0 m h z 带宽的同时，利 用t d d 进行通信时，分区数据传输速度要求下行速度4 0 m b p s ，上行1 2 m b p s 以上。此外还 要求链路层的访问时问及切换延迟分别为1 0 m s 以下、2 0 m s 以下。另外，8 0 2 1 6 m 还要与现 行的8 0 2 1 6 e 兼容。 i e e e8 0 2 1 6 m 中的系统要求为： 1 ) 速率：对固定用户达到1g b s ，对高速移动用户峰值达到1 0 0 m b s ，且速率随频率使用 度线性增加： 2 ) 覆盖性：指定范围内9 9 的覆盖率，对乡村地区主要使用多跳网络等扩展范围的技术 手段，对城市地区主要达到更高频谱利用率一应用m i m o 、波束形成、干扰消除逃避等技术； 3 ) 灵活性：系统兼容不同的系统容量、不同的系统平台，降低r f 复杂度，引入反馈； 4 ) 布点考虑：对不同地区使用不同的布点规则与不同的布点距离，并且使用不同的发射 接收方法： 5 ) 资源分配：针对上述问题，一种解决方法是中继，另外，对于c e l l 边缘用户，考虑使 用合作策略。 1 3 本文主要研究内容和结构 由于无线网络在移动通信网络建设中投资巨大，运营商高度重视在无线网络上的投资效 益，不合理的无线网络方案会造成投资浪费、网络覆盖不足、质量差，因此，系统性能分析 及其仿真对检验无线方案具有非常重要的作用。 在研究工作过程中，我们主要是通过仿真来分析系统性能，而通信系统仿真通常分为链 路级仿真与系统级仿真两大类。 由于高通已经放弃u m b ( e v d or e v c ) 技术，所以可以预测出未来的4 g 时代，将是 l t e 技术和以i e e e8 0 2 1 6 m 为代表的w i m a x 技术相互博弈的时代。所以笔者主要把精力 放在这两个主流4 g 候选方案的研究上。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 本文对链路级仿真和系统级仿真这两种仿真方法进了比较，并对w i m a x 系统进行了链 路级仿真，然后使用链路级仿真和系统级仿真相结合的方案对l t e 系统性能进行了评估，通 过实际的仿真来评断两种不同仿真方法的优劣。 本文内容安排如下： 第一章为绪论。介绍了i m t a d v a n c e d 的研究背景及意义。i m t a d v a n c e d 三种主流候选 方案及本论文结构。 第二章主要介绍了移动通信系统系统性能分析方法。分别介绍了链路级仿真及系统级仿 真方法。 第三章首先介绍了w i m a x 物理层的关键技术，然后进行了链路级仿真，得出在 b t c ，c t c ，l d p c 三种不同编码情况下的系统性能。 第四章首先介绍了l t e 的系统结构及物理层的关键技术，然后引入l 2 s ( l i n kl e v e lt o s y s t e ml e v e l ) 接口即链路级到系统级接口进行了系统级仿真，分别得出在m i m o ，接收端均衡 及预编码阵反馈量影响下的仿真结果。 第五章总结全文内容，提出本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望该领域的研究 发展趋势。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动通信系统性能分析方法 第二章移动通信系统性能仿真方法 移动通信系统是一个非常复杂的系统，为了对这个复杂系统的性能进行较为精确的描 述，就需要通过仿真来模拟这个系统内部工作机制，模拟它所承载的业务，通过这种方式来 观察这个系统的运行情况。另外，仿真也可以用作理论研究的辅助工具之一。利用仿真对新 的算法和方案作定性或定量的分析。 通信系统仿真通常分为链路级仿真与系统级仿真两大类。链路级仿真关注的是基站和移 动终端之间的单一通信链路。而在系统级仿真中需要建立多个小区的蜂窝无线通信系统，利 用仿真来设计和分析通信网络。系统级仿真的主要目的是：系统容量分析和网络覆盖规划；网 络优化；分析各种技术如空时编码、干扰消除等对系统性能的影响；各种无线资源管理策略和 算法性能的验证和改进等等。 2 1 链路级链路仿真方法 传统的链路级仿真一般用于算法研究和算法比较，链路级仿真主要是检验通信技术方案 的性能。根据无线传输技术物理层的基本模块和相关算法，并通过适当的信道建模，建立一 条点到点的无线链路。通过仿真计算，得到基本的b e r 和e b n o 的关系。链路级仿真的平台 包括：发射机模块信道模型接收机模块以及功率控制同步模块构成。发射机模块的作用是 产生用户的数据流，并对数据流进行编码，调制，交织，以及扩频等物理层操作，发射机发出的 信号经过无线信道到达接收端，再进行与发射模块相反的处理。将接收到的信息与原始信息 进行比较，从而得到系统的误码率。在新的s c m 输出文档s p a t i a lc h a n n e lm o d e lt e x t d e s c r i p t i o nv 7 0 e 2 1 以及3 g p p 技术报告t r2 5 9 9 6 t 3 1 中，链路仿真被定义为校准的目的，即用 于比较一个给定算法的不同实现方式的性能。单独的链路仿真不再用于算法比较，这是因为 链路仿真仅仅是反映信道行为的一个s n a p s h o t ，而且不能说明系统的特性，比如调度安排 ( s c h e d u l i n g ) 和h a r q 。 因此链路仿真不允许对系统的典型行为作出任何结论性评价，但是系统仿真可以。也就 是说系统仿真可以用于最终算法的比较。因此有必要对系统仿真以及评估方法进行相关研 究，以用于对多天线技术( m i m o 技术) 进行评估【4 j 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动通信系统性能分析方法 2 2 系统级链路仿真方法 系统级仿真在按照类似实际系统构成的地理结构中观察多个u e 和多个b s 的通信情 况，在无线网络的规划、优化、新算法和新协议研究等方面具有广泛的应用。 系统级仿真可以分为静态仿真和动态仿真两种【5 1 。 静态系统级仿真( s t a t i cs y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n ) 是一种对多个不同的网络快照( s n a p s h o t ) 进行网络性能仿真的方法。在每个快照中，用户的位置被静态的随机确定，且独立与上一次 快照中用户的位置。每个用户连接到网络的能力通过迭代过程来计算，直到满足收敛条件， 再通过使用蒙特卡罗方法对快照进行分析，最后得到被仿真系统的近似实际能力。其主要思 想是通过对系统进行多次抓拍，对每一次抓拍建立一个理想系统平衡点，然后统计系统在达 到理想平衡时的性能。 动态系统仿真( d y n a m i cs y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n ) 通过连续的时间或事件步进仿真出用户 在网络中的移动性和其它特性，综合所有可能因素，可以构成一个时间或事件驱动的仿真 机。这需要按照固定的时间间隔或事件发生点工作，包括重新计算用户位置，产生呼叫发起 终止事件，传播损耗，功率控制等。动态系统仿真对计算资源，时间的消耗是很大的。 静态系统仿真对系统的采样相互之间是独立的，在时间上是离散的，所以只适用于仿真 系统的覆盖，话音容量等“静态性能”。对于功率控制，切换算法，分组调度等系统算法以 及数据业务相关的“动态性能”，则采用动态仿真更合适。动态仿真是对系统进行连续采 样，能够更真实反映系统的运行情况，所以无论对系统的哪个方面进行仿真，动态仿真总是 要比静态仿真准确。 2 2 1 静态系统仿真 基于s n a p s h o t 的静态仿真方法采用m o n t ec a r l o 方法的原理，主要是建立一个系统模型 来模拟实际的移动通信系统，并分析系统用户数或吞吐量与干扰的关系。 首先建立一个系统模型，它的主要参数包括整个模型物理尺寸大小，各基站的位置，路 径损耗计算公式等等，用它来模拟一个实际的无线通信系统( 只包括通信基站) 和无线传播环 境。然后按照初始化用户准则和终端分布准则在这个模型中分布一定数量的终端以模拟实际 的用户。为每个用户计算到各个基站的路损，按照切换准则确定每个终端归属的基站。然后 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动通信系统性能分析方法 按照调度算法，将资源块分配给用户。当所有的资源块分配完毕以后，系统中需要计算的所 有链路( 包括有用信号链路和干扰链路) 也就确定了。初始化发射功率后，首先计算各链路的 信干比，对于一些无线通信系统，还需要按照目标信干比的要求对模型中的所有发射机进行 功率控制，同时计算每个用户的信干比，直到满足功率控制结束准则。功率控制结束以后， 统计模型中所有用户的信息。对于w i m a x 系统，可以根据信干比与吞吐量的映射关系得到 各条链路的吞吐量。对于l t e 系统，需要将统计得到的用户信息与仿真准则对照后改变用户 的数量再进行功率控制直到满足仿真准则。很显然，这样得到的吞吐量或者用户数只是众多 随机情况中的一种( 即一个“快照”) ，只能代表一个随机的系统情况，无法代表实际的系统 情况，因此进行大量的“快照”以统计出系统的性能。 静态系统仿真在分析移动通信系统的极限容量，覆盖，系统干扰水平，系统间互干扰方 面具有很好的作用。但是，由于其部分仿真假设过于理想，而且不能反映实际系统中终端业 务到达过程，终端移动过程，以及功率控制的步长，误差和时延，信道的短时动态衰落，也 不能反映系统随时间变化的过程，所以其得到的结果仅仅是一个近似值，并不能完全反映系 统的实际性能。但由于其计算相对简单，因此在网络工程规划领域基本都采用这种仿真方 式。 2 2 2 动态系统仿真 动态系统仿真可以模拟在一定蜂窝网络拓扑结构中，用户终端按照一定模型发生移动， 开机，关机，小区搜索，小区更新，业务到达，业务数据产生和传输，信息交互，小区间切 换，测量与上报，通信结束等事件，完整的移动通信系统动态仿真还包括其它网络单元的行 为，如基站数据接收和发送，智能天线赋形，r n c 对系统无线资源管理等过程，以及网络中 各个单元之间的信息和信令交互过程。动态系统的建模方法可以分为两种，时间驱动的建模 方法和事件驱动的建模方法。 2 2 2 1 时间驱动的建模 顾名思义，时间驱动的建模方法其系统更新点是以时间步长为单位，每一个时间步长为 一个系统仿真点，系统在每一个时间点进行用户移动更新，业务更新，小区更新等动态系统 行为，模拟真实环境下的小区行为，其基本流程如下： 产生新呼叫 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动通信系统性能分析方法 移动控制 呼叫结束检查和处理 导频测量和切换处理 呼叫接纳处理 包调度 u e 进行动作 数据平面的发送 o l p c 调整目标信噪比 更新快衰落值 闭环功率控制 数据平面的接收 u e 和n o d e b 测量过程 o l p c 决定目标信噪比的增量 动态时间驱动的仿真方法不仅可以完成对呼叫建立，呼叫释放，小区切换，用户移动等 真实系统行为的模拟，还可以用来研究无线信道中快衰落，以及快速功率控制和快速资源管 理算法对系统性能的影响。但是由于其需要存储的数据量极大，而且需要执行各种复杂算 法，其对计算资源的消耗极大，仿真运行时间相当漫长。 2 2 2 2 事件驱动的建模 离散事件仿真是用来表征系统随着时间变化而系统状态变量在某些时间点突变的模型。 这些时间点是事件的发生点，这里事件定义为瞬间发生的可能改变系统状态的事情。对于移 动通信系统仿真中，系统各元素( u e ，n o d eb ，r n c ，c n ) 的各种动作可以看作是一组离散事 件，这些动作包括终端开机，注册到网络，数据包的产生，在系统各层问的传递和空中的发 送和接收，通信过程中的各种周期和触发测量上报，切换，各类信令，信道的结束和链路的 拆除等等。需要注意的是，终端的移动和通信过程中的数据传输是时间连续的而并非离散事 件，但是为了提高仿真效率，系统仿真在达到一定精度要求下将其离散化；链路仿真采用流驱 动的方式来模拟仿真数据连续传输，提供给系统仿真使用。 其实现方法为，仿真开始，仿真时钟初始化为零，将要发生的事件的时间点按照一定的 随机模型被确定。于是，仿真时钟达到将来事件中最初第一个事件的时间点，在这点，根据 事件的发生和更新系统状态，预知的将要发生的事件序列的时间点也得到更新。这样，系统 时钟再达到下一个最近事件的时间点，更新系统状态，更新事件序列事件。这种从一个事件 到下一个事件更新仿真时钟的过程直到系统满足某种预定的仿真结束条件。既然系统所有的 状态只有在离散事件发生点才发生，非激活周期就通过从一个事件到下一事件跳过了。时间 驱动仿真没有跳过这些非激活期，所以浪费了很多机时。 1 0 第三章基于w i m a x 方案的关键技术及链路级仿真 第三章基于w i m a x 方案的关键技术及链路级仿真 正如第一章所讲，由于i m t a d v a n c e d ( b 3 g ) 的最终标准还未出台，很多技术尚未成 型。而作为4 g 候选方案的i e e e8 0 2 1 6 m 系统需要对i e e e8 0 2 1 6 e 系统相兼容，因此，论文 工作将以i e e e8 0 2 1 6 e 为基础而展开。 3 - 1 基于w i m a x 的物理层关键技术 3 1 1o f d m 和o f d m a 技术 正交频分多址技术( o f d m a ) ，它最大的优点是能够抵抗频率选择性衰落，同时能够有 效地提高频谱效率。作为o f d m a 技术的基础，正交频分复用( o f d m ) 眄】是一种多载波的传 输方法，它将频带划分为多个子信道并行传输数据，将高速数据流分成多个并行的低速的数 据流，然后调制到每个信道的子载波上进行传输。由于它将非平坦衰落无线信道转化成多个 正交平坦衰落的子信道，从而可以消除信道波形间的干扰，达到对抗多径衰落的目的 6 - 8 1 。 o f d m 系统采用正交方法来区分不同子载波，子载波问的频谱可以相互重叠，这样不但减少 了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 o f d m 技术9 ，1 0 1 的基本原理是把单载波上的高速串行数据流，分成多路低速的数据流， 并调制到多个正交的子载波上并行传输，如3 1 图所示是o f d m 原理图。 一个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受 到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调铝t j ( q a m ) 符号的调制。 如果n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，谚( i = 0 ，1 ，2 ，n 1 ) 是分配给每 个子信道的数据符号，z 是第0 个子载波的载频频率，r e c t ( t ) = 1 ，则从t - t 开始的o f d m 符号可以表示为： ) - r e 委z r e c ( 卜一争e x p j 2 7 r ( f c + 争卅】) 归钳t ( 3 - 1 ) s ( t ) = 0t t + r 采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号为 图3 2o f d m 符号内包含4 个子载波的实例 其中，所有的子载波都具有相同的幅值和相位，但是实际应用中根据数据符号的调制方 式不同，每个子载波的幅度和相位不同。可以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都 包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载 波间的正交性，即： 1r i e x p ( j w 。t ) e x p ( j w t ) d t = 1 m = n ( 3 - 3 ) 1 0 ，r i e x p ( j w t ) e x p ( j w t ) d t = 1 m n 1 0 对( 3 2 ) 式中的第j 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，即： 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 笫三章基于w i m a x 方案的关键技术及链路级仿真 矿= ；了e x p ( - j 2 j r 季c f 一，荟n - i zc 一，2 兀；c f 一，) j 。3 4 ， = - - 痿2 , d , f + r e x p 2 丌孚”删功= 嘭 由上式可以看出，对第j 个子载波进行解调能恢复出期望符号。0 对其他载波来说，由 十在积分间隔内差另l j ( i j ) t 可以产生整数倍个周期，所以积分结果为0 。 子载波问的正交性还可以从频域的角度理解。每个o f d m 符号在周期t 内包含了多个