TD-LTE系統(tǒng)評估仿真設(shè)計(jì).doc

精品論文推薦td-lte 系統(tǒng)評估仿真設(shè)計(jì)邱禹，馮春燕 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京（100876） e-mail：摘要：為了評估無線通信系統(tǒng)在不同的無線資源管理算法下的網(wǎng)絡(luò)性能，需要進(jìn)行系統(tǒng)級 仿真的設(shè)計(jì)和研究。td-lte 系統(tǒng)所使用的 ofdma 技術(shù)在系統(tǒng)評估方面有許多新的特點(diǎn)，同時(shí)也帶來了新的挑戰(zhàn)。本文介紹了一種 td-lte 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級仿真方法，給出了較為詳細(xì)的 系統(tǒng)級仿真參數(shù)設(shè)定，說明了系統(tǒng)級仿真中的全局定時(shí)設(shè)計(jì)、多徑快衰信道建模、資源塊等效信噪比的計(jì)算方法以及自適應(yīng)調(diào)制編碼的使用方法，同時(shí)介紹了仿真中使用到的調(diào)度算 法，并對不同調(diào)度算法性能給出了簡單的對比。通過仿真說明，此系統(tǒng)級評估方法設(shè)計(jì)對于網(wǎng)絡(luò)性能的評估和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有一定的理論指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：td-lte；系統(tǒng)級仿真；仿真建模中圖分類號：tn929.5311. 引言td-scdma 是我國自有知識產(chǎn)權(quán)的全球 3g 標(biāo)準(zhǔn)。在國家相關(guān)部委的大力支持下，在 運(yùn)營商、通信企業(yè)、科研院所和業(yè)界專家的長期艱苦努力下，td-scdma 已經(jīng)取得了重大 突破，目前已開始逐步進(jìn)入商用階段。td-scdma 的長期演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn) td-lte 在國內(nèi)已有 td-scdma 產(chǎn)業(yè)鏈的支撐下，正與歐洲主導(dǎo)的 lte fdd 標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)展，并得到國際標(biāo)準(zhǔn)組 織 3gpp 的認(rèn)可，成為國際舞臺上唯一的 tdd 技術(shù)長期演進(jìn)方案，占據(jù)了世界移動通信業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)競爭的制高點(diǎn)。td-lte 的物理層傳輸，在下行鏈路上選擇了 ofdma 技術(shù)，在上行使用 sc-fdma 技 術(shù)。現(xiàn)在已經(jīng)有很多研究成果，在提高性能方面做出了很大的貢獻(xiàn)。與 3g cdma 系統(tǒng)不同 的是，因?yàn)橐恍┬录夹g(shù)的引入（時(shí)頻資源的分配，harq 機(jī)制等），ofdma 系統(tǒng)的評估方 法還不成熟，存在著很多挑戰(zhàn)。本文介紹了 td-lte 系統(tǒng)級仿真部分關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方 法，可以將其應(yīng)用于功率控制、資源分配算法和切換策略等一些系統(tǒng)級算法的研究和驗(yàn)證， 從而指導(dǎo) td-lte 系統(tǒng)性能的評估和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用。2. 無線通信仿真建模通信系統(tǒng)仿真通常分為鏈路級仿真與系統(tǒng)級仿真 2 大類。鏈路級仿真關(guān)注的是發(fā)射機(jī)與 接收機(jī)之間的單一鏈路，而系統(tǒng)級仿真的目標(biāo)是提高整個系統(tǒng)的總體性能，需要考慮到所有 用戶和基站。鏈路級仿真是通過對物理層和鏈路層傳輸?shù)慕?，輸出錯誤概率和信干噪比（sinr） 的關(guān)系。通常采用的錯誤概率為 ber（誤比特率）或 bler（誤塊率）或 fer（誤幀率）。 一個好的鏈路級性能是達(dá)到好的系統(tǒng)級性能的必要條件但并不是充分條件。系統(tǒng)級仿真基于鏈路級仿真，可分為靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真 2 類。靜態(tài)仿真的原理是采用 蒙特卡羅（monte carlo）方法：在特定配置下，靜態(tài)仿真產(chǎn)生不同的場景（快照）并通過 迭代過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過獲得足夠多次的快照可獲得系統(tǒng)平均性能。在靜態(tài)仿真中時(shí)間 是固定的，因此仿真速度較快，仿真也比較容易。靜態(tài)仿真不能仿真 rrm 算法，因?yàn)檫@些 算法都是與時(shí)間相關(guān)的。動態(tài)仿真更適合于模擬真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行，比靜態(tài)仿真更加準(zhǔn)確但更 復(fù)雜，同時(shí)也需要更多的時(shí)間搭建及運(yùn)行。在動態(tài)系統(tǒng)級仿真中,網(wǎng)絡(luò)元素（包括傳播環(huán)境） 和算法都必須按照其功能和要求建模。系統(tǒng)級性能與很多因素有關(guān)，例如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)選- 3 -擇、用戶特性和業(yè)務(wù)特性等。rrm（無線資源管理）算法也對系統(tǒng)級性能起著至關(guān)重要的作用，例如接入控制、功率控制、資源分配算法和切換策略等。3. td-lte 系統(tǒng)級仿真建模td-lte 系統(tǒng)級動態(tài)仿真平臺首先需要實(shí)現(xiàn) td-lte 系統(tǒng)的基本功能，包括物理層幀結(jié) 構(gòu)的定義以及仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)、仿真環(huán)境、對象、用戶移動特性、業(yè)務(wù)、衰落、系 統(tǒng)級和鏈路級動態(tài)接口、性能統(tǒng)計(jì)等功能模塊。td-lte 系統(tǒng)下行采用了 ofdma 多址傳輸 技術(shù)，因此其系統(tǒng)級仿真也具有區(qū)別于傳統(tǒng)的 gsm 和 cdma 網(wǎng)絡(luò)的一些特點(diǎn)。本文選擇 opnet modeler 和 matlab 為開發(fā)環(huán)境，對 td-lte 通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，并對其中的關(guān) 鍵模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)說明。平臺的設(shè)計(jì)可以為擴(kuò)展設(shè)計(jì)預(yù)留接口，從而增加平臺的功能和“逼 真”程度。平臺實(shí)現(xiàn)的功能越多，越復(fù)雜，就越接近真實(shí)，但是仿真的復(fù)雜度是時(shí)間也會隨 之增加?？梢愿鶕?jù)所實(shí)現(xiàn)算法的要求，增加某些功能，或者將某些功能理想化處理。根據(jù)文 獻(xiàn)1，td-lte 系統(tǒng)級仿真參數(shù)如表 1 所示。表 1 td-lte 系統(tǒng)級仿真參數(shù)選擇parameterexplanation/assumptioncellular layouthexagonal grid, 3-sector sitesantenna horizontal pattern70 deg (-3 db) with 20 db front-to-back ratiosite to site distance1000mpropagation modell = 128.1 + 37.6 log10(r)，r in kilometresstandard deviation of slow fading8 dbcorrelation between sectors0.7correlation between sites0.3correlation distance of slow fading20mcarrier frequency2000mhzue noise figure7dbthermal noise density-174 dbm/hzscheduling algorithmrr,max c/i, pfbs total tx power43dbmspecific fast fading modelscmemimo configuration nt:nr11，22，42channel width5 mhz, 10 mhz, 15 mhz, 20 mhz3.1 幀結(jié)構(gòu)和全局定時(shí)td-lte 系統(tǒng)采用 3gpp 定義的 type 2 幀結(jié)構(gòu)3，如圖 2 所示。圖1幀結(jié)構(gòu) type 2（5ms 切換點(diǎn)周期）幀長為 10ms，每個無線幀由兩個 5ms 長的半幀組成。每個半幀由 5 個 1ms 長的子幀組成，每個半幀包括 8 個時(shí)長 0.5ms 的時(shí)隙，和 3 個特殊時(shí)隙：dwpts，gp 和 uppts。三者 的總時(shí)長為 1ms。第 0、5 子幀以及 dwpts 只能用作下行傳輸。該幀結(jié)構(gòu)支持 5ms 和 10ms 切換點(diǎn)周期。全局定時(shí)模塊的時(shí)隙定時(shí)到達(dá)之后，首先判斷本時(shí)隙為上行還是下行時(shí)隙。若是上行時(shí) 隙，則先發(fā)送定時(shí)中斷到所有的用戶，再發(fā)送定時(shí)中斷到所有的 enodeb；若是下行時(shí)隙， 則先發(fā)送定時(shí)中斷到所有的 enodeb，再發(fā)送定時(shí)中斷到所有的用戶。這樣可以確定對于發(fā) 送端的設(shè)置可以在接收之前完成。全局定時(shí)模塊給各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送完定時(shí)中斷之后，根據(jù)本時(shí) 隙的長度，設(shè)置下一個時(shí)隙定時(shí)的發(fā)生時(shí)間，從而將仿真時(shí)間按照 tdd lte 系統(tǒng)的時(shí)隙結(jié) 構(gòu)不斷向前推進(jìn)。3.2 多徑快衰信道建模td-lte 支持 mimo 模式，其系統(tǒng)級仿真平臺采用了 3gpp 定義的文獻(xiàn)2中的 scme 空間信道模型。在2還中定義了系統(tǒng)級仿真時(shí)移動終端產(chǎn)生的快衰落的空時(shí)信道系數(shù)的產(chǎn) 生方法和相關(guān)參數(shù)。1. choose scenariosuburbanurbanurbanmacro macromicro2. determine user parametersangle spread as lognormal shadowing ln delay spread dspathlossorientation, speed vectorbs ms ms vantenna gainsn,aod angles of departure (paths)n,m,aod angles of departure (subpaths)n path delayspn average path powersn,aoa angles of arrival (paths)n,m,aoa angles of arrival (subpaths)far scattering cluster(urban macro)urban canyon(urban macro)3. generate channel coefficientspolarizationlos (urban micro)options圖2信道系數(shù)產(chǎn)生流程圖 2 是產(chǎn)生信道系數(shù)矩陣的流程，分為三大步驟：仿真場景的選擇、生成用戶參數(shù)和產(chǎn) 生信道矩陣系數(shù)。在產(chǎn)生信道矩陣系數(shù)的部分，首先通過 scme 信道模型計(jì)算出各徑的時(shí) 域響應(yīng)系數(shù)以及各徑相對于主徑的時(shí)延，并分別保存在文件里。在仿真時(shí)，通過讀取信道文 件，完成對各徑時(shí)域信道響應(yīng)的序列擴(kuò)展、fft 變換和子載波截取，隨后計(jì)算得出各個子載 波上的快衰值。3.3 資源塊等效信噪比的計(jì)算td-lte 仿真平臺使用接收信號的 sinr（信干噪比）作為 cq（i信道質(zhì)量指示），即 sinr直接影響信號的接收質(zhì)量，sinr 越高則正確接收的概率越大，因此，需要對每個用戶整個 共享信道上的每個資源塊（resource block, rb）的 sinr 進(jìn)行計(jì)算。圖 3 為 lte 下行資源 塊設(shè)計(jì)圖，相鄰的 12 個子載波被劃分在一個資源塊內(nèi)，承載傳輸?shù)臄?shù)據(jù)5。用戶在每個子載波上接收到的 sinr 值為 sinri = pc / (pi + pn ) ，其中 i 為子載波標(biāo)號，pc 、 pi 和 pn 分別為接收的信號功率，干擾功率和噪聲功率。計(jì)算得到每一個子載波上的sinr 值后，對每個資源塊上的 12 個子載波 sinr 進(jìn)行 eesm 合并，可以得到一個 rb 上的sinr 值。以往鏈路級與系統(tǒng)級仿真器之間一般使用平均值接口和真實(shí)值接口的方法。但是由于在 td-lte 系統(tǒng)中下行傳輸使用了 ofdm 技術(shù)，因此，使用以上兩種接口方法來進(jìn)行系統(tǒng)性能 評估是不精確的，其復(fù)雜度較高。而目前新出現(xiàn)的基于動態(tài)值映射（dvi）的方法需要鏈路 級和系統(tǒng)級仿真同時(shí)運(yùn)行，其復(fù)雜程度和運(yùn)算量已超過一般仿真設(shè)備的承受能力，因此也無 法使用。目前 3gpp 的提案主要集中于兩種的鏈路和系統(tǒng)級映射方法4：指數(shù)有效 sinr 映射rbscnb（eesm）和互信息有效 sinr 映射（mi-esm）。使用 eesm 時(shí)候，一個終端的所有子載波 都要使用相同的調(diào)制和編碼方式（mcs），而 mi-esm 則無此要求。兩種方法的思想都是要 找到一個壓縮函數(shù)把一組不同的 sinr 值映射成一個單一的 sinr 值，然后通過這個值進(jìn)行 查表就能得到 bler 值。目前在 3g lte 的研究中主要使用的是 eesm 映射方法，如圖 3。tslotndlsymbdl rb 1k = n rb nsc n dl n rbsymbsc- 7 -rbscndlrnl = 0k = 0symbl = n dl 1(k , l )圖3下行資源塊（resource block）圖4eesm 方法eff有效 sinr 映射（esm）的基本原理是將多個 ofdm 子載波的 sinr 值 k 映射成一個 有效的 sinr 值，然后用這個有效的 sinr 值從一條基本的 awgn 鏈路級性能曲線上查找到 bler 的估計(jì)值。式(1)為 eesm 方法的有效 sinr 計(jì)算表達(dá)式。= ln( 1n ie )neff(1)i =13.4 調(diào)度算法td-lte 系統(tǒng)級仿真平臺中的調(diào)度算法主要關(guān)注兩點(diǎn)：系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性。傳統(tǒng) 的調(diào)度算法主要有輪循調(diào)度（round robin）、最大 c/i 調(diào)度（max c/i），前者保證了用戶間 的絕對公平性但沒有考慮到各個用戶的信道狀況，后者充分利用了用戶的信道狀況，使系統(tǒng) 的資源總是給信道質(zhì)量最好的用戶使用，從而使系統(tǒng)的總吞吐量達(dá)到最高，但是由于系統(tǒng)資 源只給信道質(zhì)量好的用戶使用，所以完全不能保證用戶間的公平性，高通公司提出的正比公 平調(diào)度算法或稱比例公平調(diào)度算法（proportional fairness scheduling , pfs）同時(shí)兼顧了用戶 的公平性和系統(tǒng)的吞吐量，成為系統(tǒng)級仿真平臺中的主要調(diào)度算法。在 pfs 算法中，每個用戶被分配一個相應(yīng)的優(yōu)先級；任意時(shí)刻，小區(qū)中優(yōu)先級最大的用戶接受服務(wù)。優(yōu)先級表示為： j (t)= drc j (t)/r j (t) 。假設(shè)有 n 個用戶， r j (t) 是在時(shí)隙 t 用戶 j 的平均傳輸速率， drc j (t) 是在時(shí)隙 t 用戶 j 的當(dāng)前請求傳輸速率。被選中的用戶為：drc j (t ) k = arg max (2)j =1, k r j (t ) 若某一用戶此時(shí)刻沒有數(shù)據(jù)要傳輸，則 drc (t) =0。其中 r (t) 為時(shí)隙 t 用戶 j 的平均傳輸速率，計(jì)算公式為：j ji i ir (t + 1) = (1 1 ) r (t ) + 1 r (t ) (3)tc tc1其中， ri (t ) 為用戶實(shí)際的傳輸速率，當(dāng)前沒有接收服務(wù)的用戶的 ri (t ) 為 0。tc為濾波器過濾因子，tc 表示滑動時(shí)間窗口的長度，實(shí)際上反映了一個用戶對接收不到數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜?受能力，較長的tc 將允許等待較長時(shí)間直到該用戶的信道質(zhì)量變好，這有利于系統(tǒng)吞吐量的 提高，但是可能帶來附加的延遲。即使沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩粢惨缕骄俾省Ｋ惴ㄖ械挠?戶請求傳輸速率是根據(jù)用戶需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大?。淳彺嫫髦袛?shù)據(jù)大?。﹣頉Q定的。圖 5 給出了各種調(diào)度算法下，td-lte 系統(tǒng)用戶平均吞吐量的 cdf 曲線。其中仿真參 數(shù)見表 1。rr調(diào)度算法 pf調(diào)度算法 maxctoi調(diào)度算法 0.6cdf0.20.1用戶平均吞吐量cdf曲線00 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000用戶平均吞吐量 (kbps)圖5調(diào)度算法性能比較圖6mcs 選擇曲線3.5 自適應(yīng)調(diào)制編碼（amc）在 td-lte 系統(tǒng)中，根據(jù)當(dāng)前的無線信道狀況而自適應(yīng)的改變傳輸參數(shù)可以帶來系統(tǒng)性 能方面的改善。改變傳輸參數(shù)補(bǔ)償信道條件變化的處理過程稱為鏈路自適應(yīng)，自適應(yīng)調(diào)制編 碼（amc）就屬于其中一種。amc 的原理就是在系統(tǒng)限制的范圍內(nèi)，根據(jù)信道質(zhì)量情況變 化，靈活地調(diào)整每個用戶數(shù)據(jù)的調(diào)制與編碼方式（mcs）。處于有利位置的用戶（通常是那 些距離基站很近的用戶），會被賦予較高的調(diào)制與編碼方式（比如 64qam 4/5turbo 碼率）； 而處于不利位置的用戶（通常是那些處于小區(qū)邊界的用戶），會被賦予較低的調(diào)制與編碼方 式（比如 qpsk 1/3turbo 碼率）。圖 6 為由鏈路級仿真得到 mcs（調(diào)制編碼方案）選擇曲線。mcs 選擇基于 cqi 計(jì)算和 調(diào)度策略進(jìn)行，enodeb 根據(jù)分配給用戶的資源塊和用戶反饋的 cqi，可以查表確定傳輸所 用的 mcs。4. 結(jié)論與 3g cdma 系統(tǒng)不同的是，因?yàn)橐恍┬录夹g(shù)的引入，ofdma 系統(tǒng)的仿真評估方法還 不完善成熟，存在著很多挑戰(zhàn)。本文對 3gpp td-lte 系統(tǒng)級仿真方法進(jìn)行了介紹，給出了 系統(tǒng)建模和部分系統(tǒng)級算法的設(shè)計(jì)方法。此仿真方法可以在一定程度上對 td-lte 系統(tǒng)性能 進(jìn)行評估，進(jìn)而作為 td-lte 系統(tǒng)級算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并為實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)給出理論參考。 后續(xù)工作可基于此平臺進(jìn)行小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、切換等算法的研究。參考文獻(xiàn)13gpp tr 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