《信息與通信系統(tǒng)仿真》課件1 仿真概述

1、計(jì)算機(jī)仿真概論提綱引子系統(tǒng)、模型與仿真計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟計(jì)算機(jī)仿真的分類仿真的必要性和優(yōu)勢計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真在信息與通信領(lǐng)域中的應(yīng)用提綱引子系統(tǒng)、模型與仿真計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟計(jì)算機(jī)仿真的分類仿真的必要性和優(yōu)勢計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真在信息與通信領(lǐng)域中的應(yīng)用可能遇到的問題舉例采用某種視頻壓縮編碼方式經(jīng)過某種信道后恢復(fù)的視頻質(zhì)量是否能滿足要求？新的傳輸技術(shù)是否能有效改善不同信道條件下的鏈路性能？協(xié)議如何配置能夠更有效地利用資源？在某一區(qū)域提供移動通信服務(wù)需要多少基站才能夠滿足通信需求？局域網(wǎng)的資源配置方式能容納多少臺計(jì)算機(jī)？路由器中緩沖區(qū)配置多大才能夠滿足要求？解決問題的三種方法理論

2、分析對于一些較簡單的系統(tǒng)理論分析方法能夠給出閉式解；較復(fù)雜的系統(tǒng)則往往通過大量簡化總結(jié)為較簡單的數(shù)學(xué)公式后通過數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算；隨著信息與通信系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，多種錯綜復(fù)雜的因素互相交織在一起，很難進(jìn)行合理的簡化；理論分析方法往往很難奏效；實(shí)驗(yàn)構(gòu)造與實(shí)際系統(tǒng)非常相似的物理實(shí)體，通過在這些物理實(shí)體上施加相應(yīng)的輸入得到我們所需要的問題答案；可信度較高；但是由于現(xiàn)代信息與通信系統(tǒng)規(guī)模很大，系統(tǒng)很復(fù)雜，構(gòu)造高度相似的物理模型經(jīng)濟(jì)成本和社會成本都很高；往往不可能實(shí)現(xiàn)仿真提綱引子系統(tǒng)、模型與仿真計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟計(jì)算機(jī)仿真的分類仿真的必要性和優(yōu)勢計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真在信息與通信領(lǐng)域中的應(yīng)用系統(tǒng)哲學(xué)

3、味很濃的概念從古希臘古典唯物主義哲學(xué)家德謨克利特開始，不同領(lǐng)域的學(xué)者對系統(tǒng)給出過多種不同的定義；G.戈登 “按照某些規(guī)律結(jié)合起來，互相作用、互相依存的所有實(shí)體的集合或總和”。系統(tǒng)舉例：信息與通信領(lǐng)域：我們的研究對象可以是一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)移動通信的基站、一個(gè)調(diào)制解調(diào)器、一塊電路板，甚至可以是一個(gè)集成電路芯片。系統(tǒng)與外界的關(guān)系環(huán)境邊界輸入輸出系統(tǒng)的三要素實(shí)體實(shí)體就是系統(tǒng)內(nèi)存在的確定的物體屬性系統(tǒng)內(nèi)每一物體的有效特征活動系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的任何變化過程系統(tǒng)中各要素不是孤立地存在著，每個(gè)要素在系統(tǒng)中都處于一定的位置上，起著特定的作用，要素之間相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體。確定性系統(tǒng)與隨機(jī)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)

4、中活動的隨機(jī)性可以將系統(tǒng)分為確定系統(tǒng)與隨機(jī)系統(tǒng)；確定型系統(tǒng)是指活動完全確定性的系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入一旦給定，系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)參量和系統(tǒng)輸出隨時(shí)間的變化關(guān)系都將完全確定；隨機(jī)系統(tǒng)是指具有隨機(jī)型活動的系統(tǒng)，隨機(jī)型活動通常用概率分布加以描述。如電路系統(tǒng)中的噪聲、電話系統(tǒng)中通話時(shí)間的長短等都是隨機(jī)的；信息與通信系統(tǒng)都屬于隨機(jī)系統(tǒng)。模型為了便于對系統(tǒng)進(jìn)行研究，經(jīng)常需要對實(shí)際系統(tǒng)本質(zhì)進(jìn)行抽象、簡化和近似，構(gòu)造各種各樣的模型?；谀Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)方法占據(jù)了越來越重要的位置直接在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有非常多的限制在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，真實(shí)系統(tǒng)還沒有建立，只能通過對模型實(shí)驗(yàn)；在某些實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障，造成較大

5、損失；需多次實(shí)驗(yàn)時(shí)才能獲得可信結(jié)果時(shí)，直接在實(shí)際系統(tǒng)上實(shí)驗(yàn)難以保證每次實(shí)驗(yàn)的條件的一致性，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析不利；有的系統(tǒng)活動持續(xù)時(shí)間太長，直接實(shí)驗(yàn)可能耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力成本?；谀Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)則可以克服這些限制，并且往往具有時(shí)間短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。物理模型和數(shù)學(xué)模型物理模型是指采用一定的比例按真實(shí)系統(tǒng)的“樣子”制作的看得見、摸得著的模型；數(shù)學(xué)模型則是指用各種數(shù)學(xué)表達(dá)方式來描述系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。仿真（Simulation）廣義的仿真：所有基于模型的實(shí)驗(yàn)活動；仿真活動包括“建模實(shí)驗(yàn)分析”三個(gè)步驟；基于物理模型的實(shí)驗(yàn)活動稱為物理仿真優(yōu)點(diǎn)：直接、形象、可信；缺點(diǎn)：模型受限、易破壞、難以重用。直接在數(shù)學(xué)模型上

6、仿真活動是不現(xiàn)實(shí)的?，F(xiàn)代仿真技術(shù)往往需要把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為仿真模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動，這種仿真稱為計(jì)算機(jī)仿真。我們通常所說的仿真都是指借助計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)仿真模型對系統(tǒng)進(jìn)行研究的實(shí)驗(yàn)活動，這種仿真稱為狹義的仿真。系統(tǒng)、模型與仿真系統(tǒng)是研究的對象；模型是系統(tǒng)的抽象；仿真通過對模型的實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的。提綱引子系統(tǒng)、模型與仿真計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟計(jì)算機(jī)仿真的分類仿真的必要性和優(yōu)勢計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真在信息與通信領(lǐng)域中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟系統(tǒng)建模將實(shí)際系統(tǒng)用概念模型進(jìn)行描述；包括系統(tǒng)邊界和輸入輸出的確定、系統(tǒng)抽象和關(guān)鍵因素分析、實(shí)體劃分、參數(shù)定義、變量模型的確定等；概念模型可以用各

7、種形式的數(shù)學(xué)語言給出比如微分方程、差分方程、數(shù)據(jù)流圖、狀態(tài)圖、偽代碼甚至它們的組合等。確定概念模型的過程中可能需要反復(fù)進(jìn)行模型可信度檢驗(yàn)以確定概念模型確實(shí)能夠反映出我們所關(guān)心的系統(tǒng)特征。仿真策略選擇仿真策略：仿真過程中仿真時(shí)鐘的控制；仿真中各種活動的處理方式。選擇依據(jù)：系統(tǒng)中各實(shí)體之間的交互關(guān)系；實(shí)體屬性隨時(shí)間的變化關(guān)系；實(shí)體的輸入、狀態(tài)和輸出。仿真建模將系統(tǒng)的概念模型轉(zhuǎn)換為適合于在所選仿真策略下進(jìn)行仿真的仿真模型，稱為仿真建模；關(guān)鍵：針對概念模型中總結(jié)出的各種數(shù)學(xué)描述，結(jié)合計(jì)算的穩(wěn)定性、仿真精度要求和仿真速度等因素，選擇適當(dāng)?shù)乃惴▽?shí)現(xiàn)概念模型。同樣涉及到模型的可信度驗(yàn)證問題。程序設(shè)計(jì)將仿真模

8、型用計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的程序描述出來；程序的測試與檢驗(yàn)是必不可少的，這里的測試與檢驗(yàn)不但包括仿真程序本身的檢測與調(diào)試，更重要的是要檢驗(yàn)仿真程序與仿真模型的吻合程度。仿真實(shí)驗(yàn)在模型上進(jìn)行仿真活動，得到輸出?？梢愿鶕?jù)仿真的目的設(shè)定不同的條件對模型進(jìn)行多方面的實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)地得到模型的輸出。仿真分析仿真輸出分析的過程既是對研究對象得出結(jié)論的過程，也是對模型的可信性進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)的過程?，F(xiàn)代仿真中，仿真結(jié)果的分析越來越得到重視。V&V（Verification and Validation）貫穿計(jì)算機(jī)仿真的全過程；只有在各個(gè)步驟執(zhí)行有效的Verification 和Validation，才能保證仿真結(jié)果能夠反映

9、實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀況?，F(xiàn)代仿真技術(shù)所關(guān)注的另一個(gè)重點(diǎn)。三個(gè)要素與三個(gè)活動提綱引子系統(tǒng)、模型與仿真計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟計(jì)算機(jī)仿真的分類仿真的必要性和優(yōu)勢計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真在信息與通信領(lǐng)域中的應(yīng)用分類標(biāo)準(zhǔn)按模型形態(tài)分：物理模型和數(shù)學(xué)模型按時(shí)間相對性分：實(shí)時(shí)仿真，亞實(shí)時(shí)仿真和超實(shí)時(shí)仿真按系統(tǒng)模型的特性分系統(tǒng)模型特性的不同側(cè)面作為不同的分類標(biāo)準(zhǔn)。模型的動態(tài)性靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真靜態(tài)仿真：模型本身不隨時(shí)間變化而變化，在這種仿真模型中不需要對時(shí)間因素，也就是說仿真模型中不考慮仿真時(shí)鐘的管理與更新問題動態(tài)仿真：大部分仿真模型中必須包含時(shí)間因素，模型本身的各種行為都與時(shí)間密切相關(guān)，針對這種模型的仿真都屬于

10、動態(tài)仿真。狀態(tài)變量變化的連續(xù)性連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真是指系統(tǒng)本身的狀態(tài)變量是連續(xù)變化的，這種系統(tǒng)往往可以建模為微分方程形式，在實(shí)際計(jì)算機(jī)處理時(shí)，則需要轉(zhuǎn)換為差分方程的求解問題進(jìn)行處理；系統(tǒng)中的狀態(tài)變量只在某些離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生變化，也只有發(fā)生這些事件的時(shí)間點(diǎn)上系統(tǒng)的狀態(tài)才會發(fā)生變化，因此這種系統(tǒng)被稱為離散事件系統(tǒng)，針對這種系統(tǒng)模型的仿真稱為離散事件系統(tǒng)仿真。離散事件系統(tǒng)仿真往往很難用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式描述出來，其仿真過程也不再是差分方程求解問題，往往需要在統(tǒng)一的仿真時(shí)鐘控制下仿真不同事件的處理過程，跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的變化，得到相應(yīng)的輸出。連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真具有完全不同的

11、處理方式。系統(tǒng)模型的確定性確定性仿真和隨機(jī)性仿真確定性仿真是指所研究的系統(tǒng)模型中所有元素的數(shù)學(xué)和邏輯關(guān)系都是確定的，不包含任何隨機(jī)成分，如能夠歸結(jié)為確定系數(shù)差分方程組模型的連續(xù)系統(tǒng)仿真就屬于確定性仿真。只要在所研究的系統(tǒng)模型中包含隨機(jī)元素，則只能采用隨機(jī)性仿真方式。系統(tǒng)模型的驅(qū)動方式數(shù)據(jù)流驅(qū)動、時(shí)間驅(qū)動和事件驅(qū)動數(shù)據(jù)流驅(qū)動的仿真機(jī)制，數(shù)據(jù)流從前端的實(shí)體流向后端的實(shí)體，各個(gè)實(shí)體依次處理，在一次數(shù)據(jù)流的整個(gè)處理過程中不需要考慮時(shí)間變量。這種處理方法適合于實(shí)體間相互作用較為簡單的系統(tǒng)。單個(gè)通信鏈路的仿真往往可以采用這種方式。如果時(shí)間變量按一定步長推進(jìn)，整個(gè)仿真模型在仿真時(shí)間變量的驅(qū)動下工作，則屬于時(shí)

12、間驅(qū)動仿真機(jī)制。如果系統(tǒng)模型是離散事件系統(tǒng)模型，則仿真鐘可以在事件控制下推進(jìn)，所對應(yīng)的仿真機(jī)制屬于事件驅(qū)動仿真機(jī)制。提綱引子系統(tǒng)、模型與仿真計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟計(jì)算機(jī)仿真的分類仿真的必要性和優(yōu)勢計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真在信息與通信領(lǐng)域中的應(yīng)用仿真的必要性(1)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各領(lǐng)域的研究對象都變的越來越復(fù)雜，真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和理論分析方法往往都沒有辦法滿足系統(tǒng)研究的要求，使得仿真稱為一種必不可少的研究手段。真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在很多情況下是無法實(shí)現(xiàn)的。首先，真實(shí)系統(tǒng)不存在的條件下，必須基于模型對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究；其次，在很多情況下，即使真實(shí)系統(tǒng)存在也不能在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在通信、電力等

13、關(guān)乎國計(jì)民生的系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可能引起系統(tǒng)破壞或發(fā)生故障，甚至帶來極其嚴(yán)重的社會影響；在真實(shí)系統(tǒng)不能保證多次實(shí)驗(yàn)的條件相同；水文地質(zhì)等系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要耗費(fèi)時(shí)間太長；導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)成本過于昂貴等等。仿真的必要性(2)另一方面，數(shù)學(xué)分析方法也有其局限性。首先，對于復(fù)雜系統(tǒng)而言，實(shí)體之間交叉互連，相互影響，要得到一個(gè)能用簡單數(shù)學(xué)表達(dá)式表示的數(shù)學(xué)模型幾乎是不可能的，往往需要在很多簡化假設(shè)的基礎(chǔ)上才能得到可求解的數(shù)學(xué)模型；其次，實(shí)際系統(tǒng)中的實(shí)體往往具有時(shí)變性和隨機(jī)性，這使得實(shí)際系統(tǒng)往往具有組合復(fù)雜性和動態(tài)復(fù)雜性。隨著現(xiàn)代信息與通信系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和純粹的數(shù)學(xué)分析方法都顯得無能為力了，仿真已經(jīng)成為

14、一種必不可少的技術(shù)手段。與真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比的優(yōu)勢成本優(yōu)勢；時(shí)間優(yōu)勢；實(shí)驗(yàn)條件的可控性和可重現(xiàn)性。與解析分析方法相比的優(yōu)勢對時(shí)變性的支持；較少的假設(shè)與簡化，保證有效性和準(zhǔn)確性；直觀性。提綱引子系統(tǒng)、模型與仿真計(jì)算機(jī)仿真的一般步驟計(jì)算機(jī)仿真的分類仿真的必要性和優(yōu)缺點(diǎn)計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真在信息與通信領(lǐng)域中的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域核物理、生物學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域；機(jī)械制造、航空航天、電力、化工、冶金、電子設(shè)備制造等工程技術(shù)領(lǐng)域；氣象、交通、水文地質(zhì)、公共事業(yè)管理、教育培訓(xùn)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會學(xué)等關(guān)系國計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。小到夸克、大至宇宙，具體如飛機(jī)上的一個(gè)油箱，抽象如人類社會，形形色色的系統(tǒng)被不同領(lǐng)域的研究者抽象為仿真模型，在計(jì)算機(jī)上