（通信与信息系统专业论文）cdma与gota无线网络仿真系统算法研究.pdf

摘要 摘要 随着即将到来的3 g 浪潮，国内外运营商开始积极地筹建自己的3 g 网络。在 3 g 网络的建设过程中，无线网络规划无论在售前还是售后都是一项非常重要的工 作。然而仅仅凭借实际的规划勘查、链路运算以及规划人员的经验是不能完全保 证规划方案的可信度和规划质量的。利用仿真软件进行仿真验证不仅可以大大缩 短网络规划的时间、保证规划方案的合理性，更重要的是可以把预测的网络建成 后的效果以直观的方式展现给运营商。在这背景下多家外国公司都推出了仿真 软件，而国内公司目前还尚无涉足。然而现有的c d m a 仿真软件普遍存在采购价 格高昂、数据业务仿真与实际结果差异极大的问题，同时目前也没有一种仿真软 件能够对g o t a ( 开放式集群结构g l o b a lo p e n t r u c k i n g a r c h i t e c t u r e ) 系统进行仿真。 因此设计一种能够与实际系统特性相吻合的c d m a 和g o t a 仿真软件势在必行。 本论文首先通过对无线网络中的随机因素、电磁波的传播、话务模型以及 m o n t ec a r l 计算机仿真方法的研究，在中兴c d m a 2 0 0 0 1 x 系统原理的基础上设计 出了一套完整的适应于c d m a 2 0 0 0 1 x 的仿真系统算法，并且在用m a t l a b 代码实 现后，进行了与同类软件的对比测试和与实际数据的对比测试工作。最后通过对 g o t a 系统原理以及话务的研究，以c d m a 算法为基础设计g o t a 仿真系统算法。 主要工作如下： 对无线网络中的随机因素进行评估，选择对仿真结果影响较大的因素， 然后以适当的数学模型进行模拟。 通过对c d m a 系统原理的研究，抽取仿真模型，设计出一套从输入站点 信息到输出仿真结果的完整的c d m a 仿真系统算法。 通过对实际c d m a 系统中数据业务的研究，设计数据速率指配仿真算法。 通过对g o t a 系统原理以及话务的研究，设计g o t a 仿真系统算法。 关键词：c d m a ，g o t a ，m o n t ec a r l ，无线网络仿真 a b s 限a c r a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n g3 gw a v e ，d o m e s t i ca n do v e r s e a so p e r a t o r sb e g i nt oc o n s t r u c t t h e i r3 gw i r e l e s sn e t w o r k s d u r i n gt h i sp e r i o d ，n e t w o r kp l a n n i n gi sav e r yi m p o r t a n t w o r kn o tj u s tb e f o r es e l lb u ta l s oa f t e rs e l l h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a lp l a n n i n gm e t h o d s s u c ha sp e r a m b u l a t i o n ，l i n kc a l c u l a t i o nc a n te n s u r et h er e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo fa p l a n n i n gs c h e m e u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，m a n yo v e r s e a ss o f t w a r ec o r p o r a t i o n sh a v e i n v e n t e dw i r e l e s sn e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r et os h o r t e nt h ep l a n n i n gh o u r sk e e pt h e r a t i o n a l i t yo fap l a n n i n gs c h e m e ，a n dm o s ti m p o r t a n to fa l l ，s h o wt h ei n t u i t i o n i s t i c f o r e c a s t st oo p e r a t o r s n od o m e s t i cc o r p o r a t i o nh a ss e tf o o ti ni tu n t i ln o w h o w e v e r ， e x i s t i n go v e r s e a ss i m u l a t i o ns o f t w a r e sh a v es o m ep r o b l e m s f o re x a m p l e ，t h e ya r ea l l v e r ye x p e n s i v ea n du s u a l l yh a v eb i ge r r o ri nd a t as i m u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，n o s o f t w a r ec a nm a k ew i r e l e s ss i m u l a t i o nf o rg o t as y s t e mf r o mz t e u n d e rt h i s b a c k g r o u n d ，w eh a v et od e s i g nn e ws i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rc d m ad a t as e r v i c ea n d g o t as y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ns t a r t sw i t ht h er e s e a r c ho fr a n d o mf a c t o r si nw i r e l e s sn e t w o r k ， e l e c t r o m a g n e t i cw a v es p r e a d ，t r a f f i cm o d ea n dm o n t ec a r lm e t h o d ，a n dt h e nd e s i g n sa n i n t e g r a t e dc d m a s i m u l a t i o na r i t h m e t i c ，l a t e rt e s t si ta tm a t l a b ，b a l a n c e si tw i t he x i s t i n g s o f t w a r ea n dp r a c t i c ed a t a ，f i n a l l yi n v e s t i g a t e st h et h e o r ya n dt r a f f i cm o d eo fg o t a ， d e s i g n sg o t as i m u l a t i o na r i t h m e t i c t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： r a n d o mf a c t o r si nw i r e l e s sn e t w o r ka r ee v a l u a t e d ；t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s a r es e l e c t e d ，a n ds i m u l a t e dw i t ha p p r o p r i a t em a t h e m a t i c sm o d e l c o m as i m u l a t i o na r i t h m e t i ci sd e s i g n e d c o m ad a t ar a t ei n d i c a t i o n , a r i t h m e t i ci sd e s i g n e d g o t as i m u l a t i o na r i t h m e t i ci sd e s i g n e d k e y w o r d ：c o m a ，g o t a ，m o n t ec a r l ，w i r e l e s sn e t w o r ks i m u l a t i o n 图表目录 图表目录 图1 - 1 网络仿真在网络规划中所处的位置i 图1 2 导频e c f l o 3 图1 3 移动台接收功率4 图1 4 终端发射功率5 图1 5 切换状态图6 图1 - 6 前向数据速率7 图1 7 反向数据速率8 图2 - 1 某地区第1 时刻的网络状态1 0 图2 2 同一地区第2 时刻的网络状态1 0 图2 3 无线网络仿真模型1 3 图2 4c d m a 2 0 0 0 系统参考模型1 4 图2 5c d m a 2 0 0 0 系统的信道结构1 5 图2 - 6 语音业务的业务信道功率结构1 6 图2 7 数据业务的业务信道功率结构1 6 图2 - 8 语音业务起呼流程1 7 图2 - 9c d m a 软切换流程2 2 图2 1 0 迭代法求软切换状态下前向基本信道功率2 5 图2 1 1 求取软切换状态下的反向基本信道功率2 5 图2 1 2 反向链路发射功率软切换增益2 7 图2 1 3 前向链路发射功率软切换增益2 7 表2 - 1 不同移动速度下软切换反向链路发射功率增益d b 2 8 表2 2 不同移动速度下软切换前向链路发射功率增益d b 2 8 图2 1 4 前向链路数据速率指配流程3 1 图2 1 5 前向基本信道功率指配数据速率3 3 图2 1 6 前向导频e c i o 指配数据速率3 4 图2 1 7 反向链路数据速率指配3 6 表2 3 反向等效用户数目与速率关系取值表3 7 图3 - 1 网络仿真流程3 9 v 图表目录 表3 - 1 业务模型配置表4 3 图3 2 基于地物的话务分布图4 4 图3 3 基于自定义区域的话务分布图4 5 图3 - 4 基于现网数据的话务分布图4 6 图3 5i t e r a t i o n 的收敛过程一4 9 图3 - 6 反向计算流程5 0 图3 7 前向计算流程5 2 图3 8 虚拟终端快速算法5 4 图4 - 1 路径损耗p a s s l o s s 5 6 图4 2 导频e “i o 5 7 图4 3 移动台接收功率i o 5 7 图4 - 4 移动台发射功率t x p 5 7 图4 5 语音业务测试a 的输出5 8 图4 6 语音业务测试b 的输出5 9 图4 7 语音业务测试c 的输出6 0 图4 8 语音业务测试d 的输出6 1 图4 9 移动台导频e c i o 6 2 图4 1 0 移动台接收率i o 一6 2 图4 1 1 移动台发射功率t x p 6 3 图4 1 2 反向数据速率6 3 图4 1 3 前向数据速率6 4 图4 1 4 数据业务测试的输出6 5 图5 - 1g o t a 的业务类型6 7 表5 - 1 私密呼业务模型参数6 8 表5 2 组呼业务模型参数6 8 表5 3 混合业务模型参数6 9 图5 2g o t a 用户结构示范7 2 图5 3g o t a 迭代流程7 4 v i 主要符号表 b sn f a c t 0 1 c da d j c d m a ff c h fs c h f s c hp w r f f c hp w r f e ra d j fr a t e g o t a g ! h a n d o f fa d j j 】 k l e g m sn f a c t o r n b a s e n t o t 。l 廿耐 9 一耐 n ”s 案皓 r e 、f f j 一 主要符号表 基站噪声系数 编码修正因子 码分多址分组数据传输技术 前向基本信道 前向补充信道 前向补充信道功率 前向基本信道功率 误帧率f e r 修正因子 前向数据速率 开放式集群结构 前向扩频增益； 软切换修正因子 扇区j 移动台f b o l t s t m a n 常数 腿，特指移动台与它的各个激活扇区建 立的业务信道 移动台噪声系数 无线环境的底噪 移动台接收的所有噪声 移动台j 的热噪声 扇区j 的热噪声 扇区j 的额外噪声 前向信噪比 反向信噪比 主要符号表 等“l 磁n 。 f o 咖g p y “ 或哆 垆：。 磙_ n 9 6 p m u p i 。锄 u o “2 p j “一a v e r a g e p r 硼 p ：。锄u p ? 一s c h p _ s e t u p p w rm a x e f f c h e f s c h e r s c h e r f c h r f 。“2 r a t ea d j r a t ef c h r a t ee c l o rf c h rs c h r ca d j t 扇区j 前向总发射功率 扇区j 导频信道发射功率 扇区j 寻呼信道发射功率 扇区j 同步信道发射功率 扇区j 到移动台n 的业务信道功率 扇区j 前向平均总发射功率 前向基本信道在激活状态下的功率 前向基本信道在非激活状态下的功率 前向补充信道的功率 移动台总发射功率 移动台总的平均发射功率 反向基本信道在激活状态下的功率 反向基本信道在非激活状态下的功率 反向补充信道发射功率 前向补充信道建立门限 基站额定最大发射功率 前向基本信道语音激活因子 前向补充信道激活因子 反向补充信道在某种速率下的激活因子 反向基本信道语音激活因子 移动台接收的所有功率 速率修正因子 f c h 指配的前向数据速率 e c i o 指配的前向数据速率 反向基本信道 反向补充信道 无线配置参数 绝对温度( 2 0 度) i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：仝照盐纽 日期：劂年r 月玎日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：豳出邑 导师签名： 日期：别年r 月汀日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线网络仿真软件的研究需求 在网络的建设过程中，网络规划是一项非常重要的工作。由于移动网络的建 网成本直接取决于网络容量分析以及覆盖分析的结果，同时实际的网络规划勘察 并不能完全保证规划方案的可信度和规划质量，因此，使用具有高可信度的仿真 软件进行仿真验证，不仅可以大大缩短规划的时间，更重要的是能够保证规划的 合理性和可信度，从而合理地估计网络规模和投资规模【l j 。 其次移动运营商的竞争力在很大程度上依赖于他所能提供的无线网络的质 量。在售后网络规划中，利用仿真软件输出多种网络性能指标，能够使运营商全 面了解网络运营状况，为网络优化提供指导【“。 网络仿真在网络规划中所处的位置如下图： 图1 - 1 网络仿真在网络规划中所处的位置 电子科技大学硕士学位论文 1 2 无线网络仿真软件在国内外的研究现状 目前的c d m a 无线网络仿真软件多为从国外进口，如：w i z a r d 、p l a n e t 、h p a d s 等，国内暂时还没有权威的仿真软件。同时国外的仿真软件普遍存在采购价格高 昂、数据业务的仿真输出结果与实际情况差异较大的问题。开发自己的仿真软件， 将有助于更好地刻画产品和系统的性能，满足运营商的特殊需求，并结合后台数 据进行优化和性能分析，还能节约网络规划的成本。同时由于目前还没有一种仿 真软件能对g o t a 系统进行仿真。鉴于此，开发自主的无线网络仿真系统势在必行。 1 3 无线网络仿真软件研究希望达到的目标 在仿真软件开发的前期，希望尽量简化开发的需求，只实现最简单、最基本、 最核心的功能，避免过早陷入复杂的设计和编程。前期目标是能够完成c d m a 语 音业务、数据业务的m o n t e c a r l o 仿真，在c d m a 仿真系统算法成熟的基础上研 究g o t a 仿真。后期考虑加上多种投影格式、p n 规划、邻区互配以及仿真算法的 优化( 如路径损耗的插值算法) 等。 仿真系统的框架如下： 通过输入网络规划的结果基站信息( 包括经纬度、站高、天线文件、扇 区方向角等) 以及运营商提供的话务信息( 用户数、业务类型等) ，借助电子地图、 无线传播模型以及仿真算法输出该业务区的各种无线参数( e c i o ，移动台发射功 率t x p ，移动台接收功率i o 等) 的覆盖情况【3 】 4 1 。 1 3 1 仿真软件的输入 1 基站参数：基站名、经纬度、前反向c e 资源、扇区名、天线名、天线高 度、天线方向角、天线下倾角、接收机噪声系数、载频、额定发射功率、 导频信道功率、同步信道功率、寻呼信道功率等。 2 天线参数：天线名、方向图、增益。 3 终端参数：终端名、最d 最大发射功率、天线增益、接收损耗、接收机 噪声系数 线配置等 业务参数 系统参数 激活集大小、导频切换a n 去门限、业务类型、人体损耗、无 业务分布概率、业务模型等。 语音业务的速率、不同速率所需的e b n t 值、编码类型、前反 第一章绪论 向激活因子、噪声等。 6 无线传播模型：高度算法、传播模型、地物损耗等 7 仿真参数：预测半径、s n a p s h o t ( 快照) 次数等。 1 3 2 仿真软件的输出 仿真软件的输出主要包括图形输出、表输出两种。表输出的是地图上每个栅 格( b i n ) 的统计结果。一般运营商对表输出的需求较少，在本论文中不再赘述。 语音业务和数据业务仿真一般需要输出如下几种结果【5 】： 1 导频e c l o 图1 - 2 导频e c i o 这是一张在二维栅格地图上表示的前向导频e c i o ，表示的是覆盖区域内每一 电子科技大学硕士学位论文 个b i n 上，移动台能够接收到的最强导频的e c i o 。图中不同的颜色表示不同的导 频e c b o 强度，如团表示e c i o 的强度是。7 d b 到5 d b 之间。 2 移动台接收功率i o 图1 - 3 移动台接收功率 移动台接收功率图表示的是在覆盖面积内每个b i n 上，移动台能够接收到的前 向总功率，包括开销信道功率、业务信道功率、补充信道功率以及热噪声等。图 中不同的颜色表示的是不同的接收功率，如醵示接收功率在8 0 d b m 到7 0 d b m 范 围内。 4 第一章绪论 3 移动台发射功率t x p 图1 4 终端发射功率 移动台发射功率图表示的是覆盖区内每个b i n 上，移动台为了满足反向覆盖要 求所需要的发射功率。图中不同的颜色表示了不同的发射功率大小，如曰表示移动 台的发射功率在一3 2 d b m 到2 2 d b m 之间。 电子科技大学硕士学位论文 4 切换状态 图1 - 5 切换状态图 切换状态图表示的是覆盖区域内每一个b i n 上移动台所处的切换状态，如果某 个区域没有切换，则表示在该区域内，只有一个强导频覆盖。在切换状态图中移 动台一共有三种切换类型：无切换、软切换和更软切换。图中不同的颜色表示不 同的切换类型，例如一表示软切换区域。 第章绪论 5 前向数据速率 图1 - 6 前向数据速率 前向数据速率图表示的是覆盖区域内每一个b i n 上移动台能够接收到的前向 数据速率，这是数据业务的一个重要指标。图中不同的颜色表示不同的速率档次， 例如一表示1 5 3 6 k b p s 。 7 电子科技大学硕士学位论文 6 反向数据速率 图1 一反向数据速率 反向数据速率图与前向的类似，表示的是覆盖区域内每一个b i n 上移动台可能 发射的数据速率。不同的颜色表示不同的速率，例如一表示1 5 3 6 k b p s 。 1 4 本文主要研究工作和论文安排 本文的研究工作主要是围绕无线网络仿真系统的算法设计展开的，主要包括 三个方面； c d m a 与g o t a 系统原理研究。 c d m a 无线网络仿真系统算法设计、m a t l a b 代码实现以及仿真性能测试。 第一章绪论 o o t a 无线网络仿真系统算法设计。 本文具有以下创新点： 通过对实际系统数据业务的研究，设计出真正适合于公司c d m a 2 0 0 0 1 x 系统的数据速率指配仿真算法。 为了提高仿真的运算速度，设计了一种即能保证定仿真精度又能快速输 出仿真结果的虚拟终端( v i t u a lm o b i l e ) 算法。 通过对g o t a 系统原理以及话务的研究，设计出g o t a 的仿真系统算法。 本文的具体安排如下： 第一章首先介绍了无线网络仿真软件目前的需求状况以及国内外研究现状。 描述了一个仿真系统基本的输入与输出，最后介绍了本文的主要研究工作和各章 内容安排。 第二章首先介绍了无线网络环境中的诸多随机因素并且根据各种随机因素对 仿真结果的影响对它们做了筛选和处理，然后介绍了仿真中采用的m o n t ec a r l o 方 法，以及如何从c d m a 的系统性能中抽取仿真数学模型，最后重点介绍数据速率 指配算法。 第三章重点介绍了从输入规划信息到输出仿真结果的完整的c d m a 2 0 0 0 1 x 仿真系统算法流程，同时还设计了一种既能够保证仿真精度又能快速输出仿真结 果的方法。 第四章是对第三章设计的c d m a 仿真系统算法的m a t l a b 程序进行语音业务仿 真测试和数据业务仿真测试。语音业务的测试结果与现有的仿真软件c n s 对比， 数据业务的测试结果与实测数据对比。 第五章是在第四章验证了算法可信的前提下，通过对g o t a 系统的分析，以第 三章c d m a 无线网络仿真系统算法的为基础设计g o t a 无线网络仿真系统算法。 第六章是对整篇论文的总结。 最后是参考文献，致谢和个人简历。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章仿真模型的建立 2 1 无线网络的随机因素 在无线网络中存在很多的随机因素，仿真环境非常复杂。如下面两张图所示： 图2 - 1 某地区第1 时刻的网络状态 图2 - 2 同一地区第2 时刻的网络状态 可以看出在无线网络中存在以下一些随机因素： ( 1 ) 终端的个数不同，终端分布的位置也不同，某些终端可能在移动中， 终端的业务类型也可能不同( 如：语音业务、数据业务) 。 ( 2 ) 终端与基站之间无线传播环境的变化。比如终端基站周围忽然出现的 遮挡( 如：汽车、行人等) ，以及无线信道的快衰落、慢衰落、多径效 应、气候与植被的变化等【5 】。 1 0 第二章仿真模型的建立 ( 3 ) 噪声的变化。如：终端的噪声的变化，终端周围出现的干扰，无线环 境的底噪声以及基站噪声的变化。 ( 4 ) 系统功率控制的波动。c d m a 系统采用开环功控与闭环功控结合的方 式，而无论哪一种方式基站和移动台的功率调整都是随时变化的。 ( 5 ) 除此以外还有数据拥塞等各种随机情况。 由此可以看出，如果在网络仿真中要面面俱到地考虑上述诸多的随机因素， 仿真代价将是非常高昂的，同时运营商希望看到的也并不是某一时刻、某一特定 条件下的网络状态( 相当于随机事件的一个样本) ，而是网络在某种话务模型下的 平均状态( 相当于随机事件的均值) 。因此如何在上述随机因素中选取对网络影响 最大的部分，以求在尽可能保证仿真精度的情况下简化仿真系统算法、减少仿真 开销是仿真软件设计中重要的环。 通过研究实际系统与实测数据，我们对随机因素的影响有如下分析： ( 1 ) 话务模型的随机 这是影响最大的随机因素。其中包括：移动台的数目随机、移动台位 置随机、移动台接入顺序随机等，这一部分将在话务模型( 3 3 节) 中 详细描述。 ( 2 ) 无线信道的随机因素 在移动传播环境中，电磁波同时受到快衰落和慢衰落的影响【6 】。由于网 络仿真表现的是一种宏观的情况。因此对于慢衰落这种宏观的现象， 我们在仿真中通过为每个移动台的路径损耗叠加一个随机偏置来模拟 无线传播环境中的阴影衰落特性。这一部分将在3 2 节中详细介绍。而 对于多径效应和多普勒频移引起的快衰落这种微观现象我们将在第 2 3 5 软切换增益中考虑。 ( 3 ) 噪声随机因素 在仿真算法中我们采用了四组参数来表示噪声的影响：1 移动台噪声 系数( m sn f a c t o r ) 描述移动台的热噪声( n 4 ”缸) 。2 基站噪声系数 ( b sn f a c t o r ) 描述基站的热噪声( n j 1 “) ，它的计算公式与移动台 热噪声的公式一致。3 无线环境的底噪( n b 。) ，取值为实际测试值一 1 1 0 d b m 。4 基站额外噪声( n c 。) ，主要用来描述馈线的噪声，它的值 与馈线长度有关。 ( 4 ) 功控随机因素 由于实际系统所表现出的功率控制的复杂性，仿真中无法建立准确的 1 1 电子科技大学硕士学位论文 功率控制过程的数学模型，因此我们通过随机模拟的方法来表示不精 确的功率控制过程对系统性能的影响。 通过分析前人的研究结果( j v i t e r b i ) 我们知道在非精确功率控制下基 站接收信号的信噪比呈对数正态分布。由于前反向发射功率是信噪比 的函数，因此我们在仿真中通过对前反向链路叠加对数正态分布的随 机变量，借以表示功率控制误差带来的影响。这个分布的标准方差是 可以设置的( 推荐设置为仿真结果与实际测试结果拟合后的参考值) 。 在仿真计算过程中，功控随机变量是在前反向建链以后再叠加，因此 这个随机变量的波动不会影响链路的建链过程。 ( 5 ) 数据拥塞等随机因素 由于这些属于系统仿真的内容，在无线网络的仿真中暂时不予考虑。 2 2m o n t eo a r l 0 仿真方法 由上一节的分析可以看出，无线网络的仿真其实是一个存在着若干随机因素 的过程，而运营商需要的结果却是抛开随机因素以后的网络的平均状态，因此在 本论文中我们采用m o m ec a r l o 方法来完成对无线网络的仿真。 下面简要介绍m o n t ec a r l o 仿真方法的原理。 m o n t ec a r l o 方法是利用随机数进行数值模拟的计算机仿真方法，又称为统计 模拟方法( s t a t i s t i c ss i m u l a t i o nm e t h o d ) 。m o n t ec a r l o 方法，是通过在计算机上完 成统计试验、随机模拟，研究随机数的产生、检验，并用随机数解决数学物理、 科学研究、工程技术、生产管理等各类实际问题近似数值解的一类概率统计计算 方法。其基本思想是将计算的问题化成一个概率模型，并使模型的数字特征( 如 均值) 为所需的计算结果，然后用抽样试验和统计的方法去求这些数字特征的估 计值【7 j 。 m o n t ec a r l o 方法特别适用于求解随机性问题，同时也可以将部分确定性问题 转化为随机性问题解决，其解决问题的步骤如下【r ( 1 ) 根据实际问题，构造模拟的概率模型。 ( 2 ) 根据概率模型的特点，设计更有效( 精度高，运算速度快) 的模拟方 法。 ( 3 ) 给出适合概率模型的抽样方法。 ( 4 ) 统计处理模拟结果。 第二章仿真模型的建立 假定v = g ( x 1 ，x 2 ，x m ) 是我们研究的对象，其中( x 1 ，x 2 ，x 。) 为相互独立的随机 变量，它们的概率密度为f ( x 1 ) ，“x 2 ) ，“x m ) 。m o n t ec a r l o 仿真的基本步骤是利用计 算机随机抽样的方法从f ( x - ) ，f ( x ：) ，f ( x 。) 中抽样产生随机变量的一个值 x i i ，x 2 1 ，x 。1 。由x i i ，x 2 1 ，x m l 计算出y 1 = g ( x 1 1 ，x 2 1 ，x m i ) 。鲨仝盐簋过理冀血整查垫 丛q 旦堡塑! ! q 丝二迭墨塾a 卫塾垡( 鱼签边迭墨21 重复上述步骤n 次，可得随机变量y 的几个样本值。i 乜，y ) ，经统计处理后，就可以得到问题近似解。 由此可知，m o n t ec a r l o 方法的计算过程就是用数学方法模拟实际的物理过 程，是在计算机上产生已知分布的随机变量样本，用以代替难以实现的物理试验。 因此m o n t ec a r l o 方法又被看作是用计算机来完成物理试验的一种方法，也称之 为计算机试验。 对于本论文中涉及到的c d m a 无线网络仿真而言，用户数量( t r a f f i c ) 、用户 分布的位置以及用户的接入顺序就是上述的x 1 ，x 2 x 。相互独立的随机变量，而经 过n 次s n a p s h o t ( 快照) 得到的前向链路扇区发射功率、反向链路手机发射功率等 网络性能参数就是“，y 2 ，y n ) 、( z ，z 2 z m ) 的统计平均值，其中y ，= g ( x 1 1 施l x 0 ) ，y 2 = g ( x 1 2 ，x 2 2 x j ) ，z l = q ( x 1 1 对，x 2 ) ，z 庐q ( x 1 2 , x 2 ，x d ) 。 函数y ，= g ( ) ，z l = q ( ) 其实上就是c d m a 系统性能的数学模型。应该注意的是 由于在系统中不同业务的用户的接入顺序存在优先级，因此用户业务( s e r v i c e ) 与接 入顺序不独立，不在x 1 ，x 2 ，x 。不的范围之内( 详见2 3 5 节) 。无线网络的仿真模 型如下图所示 s n a p s h o t 图2 - 3 无线网络仿真模型 在下一节将详细介绍如何建立无线网络仿真的数学模型。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 根据c o m a 系统性能抽取仿真模型 c d m a 系统是非常复杂的，在无线网络仿真中我们需要考虑的是系统中从基 站到移动台这一侧，即下图中蓝圈标注的范围： 图2 4c d m a 2 0 0 0 系统参考模型 即使是如此，c d m a 系统在b t s 到m s 两者之间也是非常复杂的。如何从复 杂的系统中合理地抽取出仿真数学模型是仿真系统算法研究的重要部分。我们知 道无线侧仿真最终的输出结果是关于前反向功率的若干个指标，因此仿真算法最 关，t l , 的就是与功率相关的系统原理。下面的几节就将说明如何从c d m a 系统特性 中抽取出仿真的数学模型。 2 ，3 1c d m a 系统信道结构 c d m a 2 0 0 0 1 x 系统的信道结构如下图所示： 第二章仿真模型的建立 rl 量塑堡堕l ，匝囹 匝囹 f t 一 嚣 lr 臣囹匮囹 l 匦圈1 匦圈j 圊 。一一l 匝囹 中兴c d m a 2 0 0 0 系统的前向开销信道有三种，分别是：导频信道、同步信道 导频信道：它是在前向信道上是不停发射的，每个小区都有一个唯一的导频 信号加以区别，导频信道用于捕获系统的p n 相位，帮助所有在基站覆盖区中工作 的移动台进行同步和切换【8 1 9 1 。它的功率是在后台设定的参数，以3 0 w 的宏基站 为例，导频信道功率一般为3 5 5 6 w ( 1 0 1 。 同步信道：用来为移动台提供时间和帧同步。同步信道上使用的导频p n 序列 偏置与同一前向导频信道上使用的相同，一旦移动台捕获导频信道，即可以认为 移动台与这个前向信道的同步信道达到同步。与导频信道一样，它的功率也是固 定的，一个3 0 w 的宏基站同步信道功率一般为0 。3 5 5 6 w 1 1 0 1 。 寻呼信道：用来向移动台发送系统消息和寻呼消息，与导频信道和同步一样 也是固定功率，3 0 w 的宏基站寻呼信道功率一般为2 5 1 8 w 1 1 0 】。 前向业务信道：包括基本信道和补充信道两种。在语音业务中一般仅采用基 本信道，当移动台处于软切换区时各个与它发生切换关系的扇区都将与移动台建 立各自的基本信道。补充信道般在数据业务时才采用，c d m a 系统中每条前向 补充信道可以提供9 6 k b p s 的速率，需要高速率的时候就要相应的占用多条补充信 道，此时的基本信道一般用于传输信令或者并发的语音业务【8 】。 因此我们可以初步得出，c d m a 2 0 0 0 系统中扇区的发射功率为各条前向信道 p “；p p “十p ；”4 + p p g ”。+ 了jp 寻磷“ 2 1 电子科技大学硕士学位论文 然而在典型的全双工双向通话中，每次通话都存在个占空比。对于c d m a 系统而言，用户不讲话时系统会将基本信道的传输速率由9 6 k b p s 降为1 2 k b p s 以 减轻对其他用户的干扰。以9 6 k b p s 传输时我们称之为激活状态，1 2 k b p s 传输时 为非激活状态，这两者的比例就是话音激活因子。此时语音业务的业务信道功率 结构如下图所示： 图2 6 语音业务的业务信道功率结构 此时扇区的平均发射功率为： 尊t ：。= 砖m t + 守c 七砖。g i n g t 七 罗k s 磺一6 + ( 1 一脚) * 瑶一2 】 2 2 ) 7 前向基本信道的语音激活因子的取值参见表3 - 1 。 对于数据业务而言，数据速率也不是恒定不变的，比如：w a p 浏览时只有点 击了链接开始下载数据时才有流量出现，而用户在阅读网页时是没有数据传输的。 因此数据业务也存在激活因子，与语音不同的是数据业务在非激活状态时是没有 速率的，前向补充信道不同速率下激活因子的取值参见表3 - 1 。数据业务的功率结 构如下图： 图2 - 7 数据业务的业务信道功率结构 第二章仿真模型的建立 此时扇区的平均发射功率为： 秽。= 群“+ 霉”1 + 弩g “。 kf 。，p ；一s “+ s7 。* p ；一“h 9 + q ef f c 0 * p i f c h l 。、。j j 百 c d m a 2 0 0 0 系统的反向信道有三种：反向接入信道、反向基本信道与反向补 充信道。 反向接入信道：移动台使用接入信道发起与基站的通信，以及响应基站发来 的寻呼信道消息。接入信道由长码掩码唯一识别，采用了闭环功率控制，提高了 信道性能减少了差错概率【6 l 。下图为为语音业务的起呼流程，其中a - - e 的步骤是 在接入信道上实现的： 图2 8 语音业务起呼流程 a ：移动台发送起呼消息 b ：b s 回证实指令 c ：b s 向m s c 发送层3 消息，其中包含c ms e r v i c er e q u e s t 消息 d ：m s c 回指配请求 e ：b s 向移动台发送信道指配消息 f ：移动台开始在业务信道上发送前缀 1 7 电子科技大学硕士学位论文 譬：b s 回基站证实指令 h ：移动台回移动台证实指令 i ：b s 发送业务连接消息 j ：移动台发送业务连接完成消息 k ：b s 发送指配完成消息 h ：m s c 送回铃音 事实上在第e 个步骤( b s 向移动台发送信道指配消息) 以后，移动台与基站 之间的消息传递都已经全部转向业务信道，接入信道被拆除。接入信道存在的时 间是非常短暂的。因此移动台的反向信道要么是在第e 个步骤以前只有接入信道， 要么在第e 个步骤以后只有业务信道。也就是说接入信道与业务信道是不会同时 存在的。而仿真是静态的，描述的是网络在功控以后的平均状态，是没有时间概 念的，网络中的移动台只有接入成功和接入失败这两种状态。因此移动台处于接 入过程( a e ) 这种短时间的情况在仿真中不予以考虑，移动台反向发射功率仅考 虑业务信道功率。第四章的测试结果证明了我们这种考虑是正确的。 反向基本信道：用于在呼叫建立期间传输用户信息和信令信息。不同的用户 使用不同的长码掩码来调制其反向业务信道。 反向补充信道：功能与前向补充信道类似。 因此移动台发射功率为反向业务信道的发射功率： p ? “l = p ；一f c h + p ? s c h o 吣 反向信道同样存在激活因子，移动台的平均发射功率是考虑激活以后的功率， 激活因子取值参见表3 - 1 ，公式如下： g o _ 2 。r a g e = 靠c 日。哆q c hq e r 一删4 彤4 锄6 十( 1 一靠一) + 瑶。f c 皿2 ( 2 5 ) 2 3 2c d m a 系统功率控制 对于无线通信系统而言，如果小区中的所有用户均以相同功率发射，则靠近 基站的移动台到达基站的信号强，远离基站的移动台到达基站的信号弱，导致强 信号掩盖弱信号，这就是所谓的“远近效应”问题。由于c d m a 是个自干扰系 统，所有用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。在c d m a 系 统中某个用户信号的功率较强，对该用户被正确接收是有利的，但却会增加对共 享的频带内其它的用户的干扰，甚至淹没有用信号，结果使其它用户通信质量劣 第二章仿真模型的建立 化，导致系统容量下降。为了克服远近效应，c d m a 系统建立了一套机制以根据 通信距离的不同，实时地调整发射机所需的功率，这就是“功率控制”0 1 1 2 】。 由于c d m a 系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰，所以如果每个 移动台的信号到达基站时的功率都恰好达到最小所需的信噪比，系统容量将会达 到最大值。 c d m a 系统的功控分为：前向功控和反向功控两种。 反向链路的功率控制是通过调整用户发射机功率，使信号到达基站接收机的 功率相同，且刚刚达到信噪比要求的门限值，同时满足通信质量要求。通过调整， 各用户不论在基站覆盖区的什么位置和经过何种传播环境，都能保证各个用户信 号到达基站接收机时具有相同的功率。在实际系统中，由于用户的移动性，用户 信号的传播环境随时变化，因此每时每刻到达基站时所经历的传播路径、信号强 度、时延、相移都随机变化，基站接受信号的功率将在期望值附近起伏变化。j v i t e r b i 在经过对大量基站接受信号的统计分析后，得出非精确功率控制下基站接收信号 的信噪比呈对数正态分布u “。 反向功率控制包括三部分：开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。 开环功率控制：每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗，当 移动台接收到从基站来的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一个特别好 的传播路径，这时移动台可以降低它的发送功率，而基站依然可以正常接收；相 反，当移动台接收到的信号很弱时，它就增加发送功率，以抵消衰耗。开环功率 控制简单、直接，不需在移动台和基站之间交换控制信息，同时控制速度快并节 省开销。但c d m a 系统中，前向和反向传输使用的频率不同(