TD-LTE系统评估仿真设计.doc

精品论文推荐td-lte 系统评估仿真设计邱禹，冯春燕 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京（100876） e-mail：摘要：为了评估无线通信系统在不同的无线资源管理算法下的网络性能，需要进行系统级 仿真的设计和研究。td-lte 系统所使用的 ofdma 技术在系统评估方面有许多新的特点，同时也带来了新的挑战。本文介绍了一种 td-lte 网络系统级仿真方法，给出了较为详细的 系统级仿真参数设定，说明了系统级仿真中的全局定时设计、多径快衰信道建模、资源块等效信噪比的计算方法以及自适应调制编码的使用方法，同时介绍了仿真中使用到的调度算 法，并对不同调度算法性能给出了简单的对比。通过仿真说明，此系统级评估方法设计对于网络性能的评估和实际网络建设有一定的理论指导意义。 关键词：td-lte；系统级仿真；仿真建模中图分类号：tn929.5311. 引言td-scdma 是我国自有知识产权的全球 3g 标准。在国家相关部委的大力支持下，在 运营商、通信企业、科研院所和业界专家的长期艰苦努力下，td-scdma 已经取得了重大 突破，目前已开始逐步进入商用阶段。td-scdma 的长期演进标准 td-lte 在国内已有 td-scdma 产业链的支撑下，正与欧洲主导的 lte fdd 标准同步发展，并得到国际标准组 织 3gpp 的认可，成为国际舞台上唯一的 tdd 技术长期演进方案，占据了世界移动通信业 标准竞争的制高点。td-lte 的物理层传输，在下行链路上选择了 ofdma 技术，在上行使用 sc-fdma 技 术。现在已经有很多研究成果，在提高性能方面做出了很大的贡献。与 3g cdma 系统不同 的是，因为一些新技术的引入（时频资源的分配，harq 机制等），ofdma 系统的评估方 法还不成熟，存在着很多挑战。本文介绍了 td-lte 系统级仿真部分关键模块设计与实现方 法，可以将其应用于功率控制、资源分配算法和切换策略等一些系统级算法的研究和验证， 从而指导 td-lte 系统性能的评估和网络的实际应用。2. 无线通信仿真建模通信系统仿真通常分为链路级仿真与系统级仿真 2 大类。链路级仿真关注的是发射机与 接收机之间的单一链路，而系统级仿真的目标是提高整个系统的总体性能，需要考虑到所有 用户和基站。链路级仿真是通过对物理层和链路层传输的建模，输出错误概率和信干噪比（sinr） 的关系。通常采用的错误概率为 ber（误比特率）或 bler（误块率）或 fer（误帧率）。 一个好的链路级性能是达到好的系统级性能的必要条件但并不是充分条件。系统级仿真基于链路级仿真，可分为静态仿真和动态仿真 2 类。静态仿真的原理是采用 蒙特卡罗（monte carlo）方法：在特定配置下，静态仿真产生不同的场景（快照）并通过 迭代过程达到稳定状态。通过获得足够多次的快照可获得系统平均性能。在静态仿真中时间 是固定的，因此仿真速度较快，仿真也比较容易。静态仿真不能仿真 rrm 算法，因为这些 算法都是与时间相关的。动态仿真更适合于模拟真实系统的运行，比静态仿真更加准确但更 复杂，同时也需要更多的时间搭建及运行。在动态系统级仿真中,网络元素（包括传播环境） 和算法都必须按照其功能和要求建模。系统级性能与很多因素有关，例如系统结构、参数选- 3 -择、用户特性和业务特性等。rrm（无线资源管理）算法也对系统级性能起着至关重要的作用，例如接入控制、功率控制、资源分配算法和切换策略等。3. td-lte 系统级仿真建模td-lte 系统级动态仿真平台首先需要实现 td-lte 系统的基本功能，包括物理层帧结 构的定义以及仿真时间推进机制的实现、仿真环境、对象、用户移动特性、业务、衰落、系 统级和链路级动态接口、性能统计等功能模块。td-lte 系统下行采用了 ofdma 多址传输 技术，因此其系统级仿真也具有区别于传统的 gsm 和 cdma 网络的一些特点。本文选择 opnet modeler 和 matlab 为开发环境，对 td-lte 通信系统进行仿真建模，并对其中的关 键模块进行了设计说明。平台的设计可以为扩展设计预留接口，从而增加平台的功能和“逼 真”程度。平台实现的功能越多，越复杂，就越接近真实，但是仿真的复杂度是时间也会随 之增加。可以根据所实现算法的要求，增加某些功能，或者将某些功能理想化处理。根据文 献1，td-lte 系统级仿真参数如表 1 所示。表 1 td-lte 系统级仿真参数选择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 帧结构和全局定时td-lte 系统采用 3gpp 定义的 type 2 帧结构3，如图 2 所示。图1帧结构 type 2（5ms 切换点周期）帧长为 10ms，每个无线帧由两个 5ms 长的半帧组成。每个半帧由 5 个 1ms 长的子帧组成，每个半帧包括 8 个时长 0.5ms 的时隙，和 3 个特殊时隙：dwpts，gp 和 uppts。三者 的总时长为 1ms。第 0、5 子帧以及 dwpts 只能用作下行传输。该帧结构支持 5ms 和 10ms 切换点周期。全局定时模块的时隙定时到达之后，首先判断本时隙为上行还是下行时隙。若是上行时 隙，则先发送定时中断到所有的用户，再发送定时中断到所有的 enodeb；若是下行时隙， 则先发送定时中断到所有的 enodeb，再发送定时中断到所有的用户。这样可以确定对于发 送端的设置可以在接收之前完成。全局定时模块给各个节点发送完定时中断之后，根据本时 隙的长度，设置下一个时隙定时的发生时间，从而将仿真时间按照 tdd lte 系统的时隙结 构不断向前推进。3.2 多径快衰信道建模td-lte 支持 mimo 模式，其系统级仿真平台采用了 3gpp 定义的文献2中的 scme 空间信道模型。在2还中定义了系统级仿真时移动终端产生的快衰落的空时信道系数的产 生方法和相关参数。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图2信道系数产生流程图 2 是产生信道系数矩阵的流程，分为三大步骤：仿真场景的选择、生成用户参数和产 生信道矩阵系数。在产生信道矩阵系数的部分，首先通过 scme 信道模型计算出各径的时 域响应系数以及各径相对于主径的时延，并分别保存在文件里。在仿真时，通过读取信道文 件，完成对各径时域信道响应的序列扩展、fft 变换和子载波截取，随后计算得出各个子载 波上的快衰值。3.3 资源块等效信噪比的计算td-lte 仿真平台使用接收信号的 sinr（信干噪比）作为 cq（i信道质量指示），即 sinr直接影响信号的接收质量，sinr 越高则正确接收的概率越大，因此，需要对每个用户整个 共享信道上的每个资源块（resource block, rb）的 sinr 进行计算。图 3 为 lte 下行资源 块设计图，相邻的 12 个子载波被划分在一个资源块内，承载传输的数据5。用户在每个子载波上接收到的 sinr 值为 sinri = pc / (pi + pn ) ，其中 i 为子载波标号，pc 、 pi 和 pn 分别为接收的信号功率，干扰功率和噪声功率。计算得到每一个子载波上的sinr 值后，对每个资源块上的 12 个子载波 sinr 进行 eesm 合并，可以得到一个 rb 上的sinr 值。以往链路级与系统级仿真器之间一般使用平均值接口和真实值接口的方法。但是由于在 td-lte 系统中下行传输使用了 ofdm 技术，因此，使用以上两种接口方法来进行系统性能 评估是不精确的，其复杂度较高。而目前新出现的基于动态值映射（dvi）的方法需要链路 级和系统级仿真同时运行，其复杂程度和运算量已超过一般仿真设备的承受能力，因此也无 法使用。目前 3gpp 的提案主要集中于两种的链路和系统级映射方法4：指数有效 sinr 映射rbscnb（eesm）和互信息有效 sinr 映射（mi-esm）。使用 eesm 时候，一个终端的所有子载波 都要使用相同的调制和编码方式（mcs），而 mi-esm 则无此要求。两种方法的思想都是要 找到一个压缩函数把一组不同的 sinr 值映射成一个单一的 sinr 值，然后通过这个值进行 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，如图 3。tslotndlsymbdl rb 1k = n rb nsc n dl n rbsymbsc- 7 -rbscndlrnl = 0k = 0symbl = n dl 1(k , l )图3下行资源块（resource block）图4eesm 方法eff有效 sinr 映射（esm）的基本原理是将多个 ofdm 子载波的 sinr 值 k 映射成一个 有效的 sinr 值，然后用这个有效的 sinr 值从一条基本的 awgn 链路级性能曲线上查找到 bler 的估计值。式(1)为 eesm 方法的有效 sinr 计算表达式。= ln( 1n ie )neff(1)i =13.4 调度算法td-lte 系统级仿真平台中的调度算法主要关注两点：系统吞吐量和用户公平性。传统 的调度算法主要有轮循调度（round robin）、最大 c/i 调度（max c/i），前者保证了用户间 的绝对公平性但没有考虑到各个用户的信道状况，后者充分利用了用户的信道状况，使系统 的资源总是给信道质量最好的用户使用，从而使系统的总吞吐量达到最高，但是由于系统资 源只给信道质量好的用户使用，所以完全不能保证用户间的公平性，高通公司提出的正比公 平调度算法或称比例公平调度算法（proportional fairness scheduling , pfs）同时兼顾了用户 的公平性和系统的吞吐量，成为系统级仿真平台中的主要调度算法。在 pfs 算法中，每个用户被分配一个相应的优先级；任意时刻，小区中优先级最大的用户接受服务。优先级表示为： j (t)= drc j (t)/r j (t) 。假设有 n 个用户， r j (t) 是在时隙 t 用户 j 的平均传输速率， drc j (t) 是在时隙 t 用户 j 的当前请求传输速率。被选中的用户为：drc j (t ) k = arg max (2)j =1, k r j (t ) 若某一用户此时刻没有数据要传输，则 drc (t) =0。其中 r (t) 为时隙 t 用户 j 的平均传输速率，计算公式为：j ji i ir (t + 1) = (1 1 ) r (t ) + 1 r (t ) (3)tc tc1其中， ri (t ) 为用户实际的传输速率，当前没有接收服务的用户的 ri (t ) 为 0。tc为滤波器过滤因子，tc 表示滑动时间窗口的长度，实际上反映了一个用户对接收不到数据传输的忍 受能力，较长的tc 将允许等待较长时间直到该用户的信道质量变好，这有利于系统吞吐量的 提高，但是可能带来附加的延迟。即使没有数据传输的用户也要更新平均速率。算法中的用 户请求传输速率是根据用户需要传输的数据大小（即缓存器中数据大小）来决定的。图 5 给出了各种调度算法下，td-lte 系统用户平均吞吐量的 cdf 曲线。其中仿真参 数见表 1。rr调度算法 pf调度算法 maxctoi调度算法 0.6cdf0.20.1用户平均吞吐量cdf曲线00 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000用户平均吞吐量 (kbps)图5调度算法性能比较图6mcs 选择曲线3.5 自适应调制编码（amc）在 td-lte 系统中，根据当前的无线信道状况而自适应的改变传输参数可以带来系统性 能方面的改善。改变传输参数补偿信道条件变化的处理过程称为链路自适应，自适应调制编 码（amc）就属于其中一种。amc 的原理就是在系统限制的范围内，根据信道质量情况变 化，灵活地调整每个用户数据的调制与编码方式（mcs）。处于有利位置的用户（通常是那 些距离基站很近的用户），会被赋予较高的调制与编码方式（比如 64qam 4/5turbo 码率）； 而处于不利位置的用户（通常是那些处于小区边界的用户），会被赋予较低的调制与编码方 式（比如 qpsk 1/3turbo 码率）。图 6 为由链路级仿真得到 mcs（调制编码方案）选择曲线。mcs 选择基于 cqi 计算和 调度策略进行，enodeb 根据分配给用户的资源块和用户反馈的 cqi，可以查表确定传输所 用的 mcs。4. 结论与 3g cdma 系统不同的是，因为一些新技术的引入，ofdma 系统的仿真评估方法还 不完善成熟，存在着很多挑战。本文对 3gpp td-lte 系统级仿真方法进行了介绍，给出了 系统建模和部分系统级算法的设计方法。此仿真方法可以在一定程度上对 td-lte 系统性能 进行评估，进而作为 td-lte 系统级算法设计的基础，并为实际系统的实现给出理论参考。 后续工作可基于此平台进行小区间干扰协调、切换等算法的研究。参考文献13gpp tr 25.814, “physical layer aspects for evolved universal terrestrial radio access (utra)”, 2006.09. 23gpp tr 25.996, “spatial channel model for multiple input multiple output (mimo) simulations”,2007.06.33gpp ts 36.211, “evolved universal terrestrial radio access; physical channels and modulation”,2007.11.43gpp tr 25.892, “feasibility study for orthogonal frequency division; multiplexing (ofdm) for utranenhancement (release 6)”, 2004.06.5a. jalali, r.padovani and 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