蒙 玎，張祖凡，2，溫林海

(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065;2.移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

LTE-advanced 系統(tǒng)級仿真方法與實現(xiàn)

蒙 玎1，張祖凡1，2，溫林海1

(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065;2.移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

先進的長期演進技術(long term evolution advanced，LTE-advanced)是新一代無線移動通信系統(tǒng)核心技術，如何有效評估這一技術系統(tǒng)性能是當前研究重點之一。在充分理解無線通信系統(tǒng)級仿真基本理論和LTE-advanced系統(tǒng)級仿真若干規(guī)范基礎上，梳理LTE-advanced系統(tǒng)級仿真涉及的組織結構，采用模塊化設計方法，以此結構為框架搭建系統(tǒng)級仿真平臺，實現(xiàn)對LTE-advanced進行系統(tǒng)級仿真。進一步以LTE-advanced系統(tǒng)重要性能參數(shù)平均吞吐量為考察指標，重點分析對比了輪詢、最大載干比、比例公平這3種調度算法對LTE-advanced網(wǎng)絡整體性能的影響。

LTE-advanced;系統(tǒng)級仿真;仿真方法;仿真平臺

0 引言

先進的長期演進技術(long term evolution-advanced，LTE-advanced)是全球第四代移動通信(4th-generation，4G)標準的核心技術之一［1-4］。作為LTE的演進標準，LTE-advanced應向后兼容，這種兼容性對于從LTE平滑過渡到LTE-advanced至關重要。為了減小運營商投資風險和運營成本，先進通信系統(tǒng)在組建網(wǎng)絡之前需要經(jīng)過充分的整體性能測試和組網(wǎng)能力評估。如何建立LTE-advanced等4G移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)級仿真平臺具有現(xiàn)實的意義［5-6］。本文充分理解了無線通信系統(tǒng)級仿真基本理論和LTE-advanced系統(tǒng)級仿真若干規(guī)范，梳理LTE-advanced系統(tǒng)級仿真涉及的組織結構，采用模塊化設計方法，以此結構為框架搭建系統(tǒng)級仿真平臺，實現(xiàn)對LTE-advanced進行系統(tǒng)級仿真。

1 無線通信系統(tǒng)級仿真

無線通信系統(tǒng)仿真分為鏈路級仿真和系統(tǒng)級仿真。鏈路級仿真的主要目的是檢驗不同無線傳輸技術對網(wǎng)絡性能的影響，仿真數(shù)據(jù)流在單個收發(fā)鏈路的處理過程中，得到不同無線傳輸技術下信噪比(signal noise ratio，SNR)與誤比特率(bit error rate，BER)的曲線。系統(tǒng)級仿真的主要目的是根據(jù)鏈路級仿真結果，檢驗不同的網(wǎng)絡拓撲結構、業(yè)務特性以及無線資源管理(radio resource management，RRM)算法等對系統(tǒng)容量和頻譜效率的影響。需要建立包含多個基站和多個終端的網(wǎng)絡拓撲，以考察整個系統(tǒng)表現(xiàn)出來的性能指標。系統(tǒng)級仿真在研究無線通信系統(tǒng)高層算法以及網(wǎng)絡規(guī)劃、優(yōu)化方面有著廣泛的應用和重要的意義。

系統(tǒng)級仿真可以分為靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真2種。1)靜態(tài)系統(tǒng)級仿真(static system simulation，SSS)是一種對多個不同的網(wǎng)絡快照進行網(wǎng)絡性能仿真的方法。在每個快照中，用戶的位置被靜態(tài)地隨機確定，且獨立于上一個快照中用戶的位置和速度。每個用戶連接到網(wǎng)絡的能力通過迭代過程來計算，直到滿足收斂條件，再通過使用蒙特卡羅方法對快照進行分析，最后得到被仿真系統(tǒng)的近似實際性能。2)動態(tài)系統(tǒng)仿真(dynamic system simulation，DSS)充分考慮用戶和系統(tǒng)的各種行為，模擬真實環(huán)境中用戶和系統(tǒng)所采取的全套資源管理算法，如調度等，并包含了業(yè)務模型。隨著仿真時間的推進，用戶位置、發(fā)送功率、路徑損耗、干擾水平等都需要動態(tài)計算。因此，DSS是一種更加精確的系統(tǒng)級建模方法。

2 LTE-Advanced系統(tǒng)級仿真建模方法

無線移動通信系統(tǒng)在建立系統(tǒng)級仿真模型時有很多共性，在此基礎上考慮到LTE-advanced系統(tǒng)的特性，首先將整個網(wǎng)絡進行網(wǎng)格化劃分，進一步求出各個網(wǎng)格的中心點坐標到所有基站坐標之間的距離，利用路徑損耗模型求出當前仿真場景下的路徑損耗值、陰影衰落以及快衰落值，進而可以計算出接收功率，從而計算出各個子載波處的信號干擾噪聲比(signal interference noise ratio，SINR)。通過實現(xiàn)具體的調度算法，為當前用戶的本次傳輸分配物理資源，并且選取調制編碼方案(modulation coding schedule，MCS)。調度后，以用戶分配到的資源塊(resource block，RB)中的子載波處的SINR為輸入，求出當前用戶本次傳輸中在其所使用的物理資源上的等效SINR，在鏈路級仿真提供的各種調制編碼方案下的誤碼率-信噪比曲線上查出該等效信號干擾比對應的誤碼率。以該誤碼率為依據(jù)完成正確應答(acknowledgement，ACK)和非正確應答(negative acknowledgement，NACK)判決，并將判決結果反饋給發(fā)送端，發(fā)送端以接收到的ACK/NACK反饋信息為依據(jù)完成混合自動重傳請求(hybrid automatic repeat-request，HARQ)的發(fā)端相應操作，接收端進行合并接收。

根據(jù)上述設計思路，本文針對LTE-advanced所采用無線傳輸技術的特點，以MATLAB為仿真工具，采用模塊化設計方法，搭建了LTE-advanced下行鏈路的動態(tài)基本仿真平臺。平臺的設計遵循各個子模塊獨立設計，并且預留出接口供后續(xù)擴展使用的原則，增加了平臺的靈活性和后續(xù)可擴展性。該平臺由網(wǎng)絡拓撲結構、無線信道建模、業(yè)務模型、調度算法、HARQ、鏈路級與系統(tǒng)級接口等子模塊構成，仿真流程如圖1所示。

圖1 LTE-Advanced系統(tǒng)級仿真工作流程Fig.1 LTE-Advanced system-level simulation workflow

2.1 網(wǎng)絡拓撲結構

網(wǎng)絡拓撲結構按照文獻［7］中對系統(tǒng)級仿真場景的要求，采用19小區(qū)3扇區(qū)的結構，如圖2所示，每個小區(qū)為正六邊形結構，如果以所有19個小區(qū)的所有扇區(qū)都作為仿真對象，則圖2中只有中心0號小區(qū)周圍具有2層干擾小區(qū)，其余的小區(qū)將不具有2層干擾小區(qū)結構，需要采用小區(qū)卷繞技術形成如圖3所示的拓撲結構，這樣可以保證0—18號小區(qū)的所有扇區(qū)都具有2層干擾小區(qū)結構，更加接近于網(wǎng)絡的真實干擾狀態(tài)。為了減少仿真平臺的存儲和計算開銷，本文采用圖2中的網(wǎng)絡拓撲結構，只把中心小區(qū)作為仿真對象。

2.2 無線信道建模

為了適應IMT-advanced新的無線傳播特性和空中接口標準，ITU提出了IMT-advanced信道模型。該模型需要覆蓋所有IMT-advanced應用場景測試，一共定義了室內熱點(indoor hotspot，InH)、市區(qū)微小區(qū)(urban micro，UMi)、市區(qū)宏小區(qū)(urban macro，UMa)、郊區(qū)宏小區(qū)(rural macro，RMa)4種應用場景。在4種應用場景下，分別定義了視距(line of sight，LOS)和非視距(non line of sight，NLOS)模式，共有8種測試場景。

在特定的應用場景下，將整個網(wǎng)絡的覆蓋區(qū)域網(wǎng)格化成若干個正方形小區(qū)域，提前計算好每個小正方形小區(qū)域到目標基站的目標扇區(qū)下的路徑損耗和陰影衰落值，仿真時直接使用?？焖ヂ涞挠嬎阋蕾囉跒楫斍皥鼍敖⑿诺滥Ｐ偷玫降男诺谰仃?，為了減少仿真運行時間，按照文獻［8］中定義的IMT-advanced信道建模方法預先為各個應用場景建立信道模型得到信道矩陣，仿真時，直接讀出信道矩陣數(shù)據(jù)并計算各個子載波處的SINR，這里計算得到的各個子載波處的SINR是后續(xù)不同調度算法的重要依據(jù)。

2.3 業(yè)務模型

LTE-advanced系統(tǒng)支持對服務質量(quality of service，QoS)有不同要求的多種業(yè)務類型，針對不同特性的業(yè)務采用不同的調度策略。按照QoS需求不同，第3代合作伙伴計劃(the 3rd generation partnership project，3GPP)中規(guī)定的4種主要業(yè)務如下：

1)Conversational(對話類業(yè)務);

2)Streaming(流業(yè)務);

3)Interactive(交互類業(yè)務);

4)Background(背景類業(yè)務)。

本模塊的難點在于：如何針對業(yè)務特性以滿足QoS要求，為不同業(yè)務確定合適的優(yōu)先級，在后續(xù)的調度模塊中設計基于QoS的調度算法。本文中采用全緩沖(full buffer，F(xiàn)B)業(yè)務模型。

2.4 調度算法

調度的目的是為用戶分配系統(tǒng)鏈路資源，OFDM系統(tǒng)下，鏈路資源分配需要考慮到多用戶之間的相關性和干擾情況［9］。由于取消了專用傳輸信道，同步信號、系統(tǒng)廣播消息、參考信號、隨機接入前導等采用持續(xù)調度方式，在預先分配好的資源上傳輸。其他的幾乎所有的應用與業(yè)務都使用共享信道，為了滿足不同業(yè)務的QoS需求，對基于QoS的調度算法提出了更高的挑戰(zhàn)和要求。因此，LTE-advanced調度器的設計與之前的第3代移動通信技術(3th-generation，3G)網(wǎng)絡有很大區(qū)別，實現(xiàn)的功能也更加復雜，需要考慮的因素有：不同業(yè)務的QoS需求;不同用戶之間的優(yōu)先級處理;同一用戶的不同業(yè)務的優(yōu)先級處理，這體現(xiàn)在對不同的邏輯信道的處理上;傳輸塊(transport block，TB)大小和MCS的選擇。頻域基本調度資源單位為一個RB，時域調度間隔通常選為一個傳輸時間間隔(transport time interval，TTI)。動態(tài)調度提供很大的靈活性的同時也產(chǎn)生了較高的信令負荷，對于較規(guī)則的低速業(yè)務，這種信令開銷尤為明顯。為了降低此類業(yè)務的信令負荷，3GPP定義了一個新的概念：半靜態(tài)調度(semi-persistent scheduling，SPS)。這種調度概念的思想是對于較規(guī)則的低速業(yè)務使用的資源預先進行分配，而無需每次傳輸時都進行動態(tài)分配，以節(jié)省信令開銷。

調度是LTE-advanced系統(tǒng)媒體接入控制(media access control，MAC)層的核心功能，也是系統(tǒng)級仿真模型中核心模塊，涉及到SINR到信道質量指示(channel quality indication，CQI)以及CQI到MCS的映射算法。本文針對3種經(jīng)典調度算法，實現(xiàn)了MAC層的調度功能。

30例參照組患者接受擦全身麻醉處理,具體方法為:實施麻醉前0.5h接受肌注0.5mg阿托品,同時監(jiān)測患者生命體征,之后將上肢靜脈通路開放,予以患者10ml/min乳酸林格液,靜脈滴注,之后靜脈滴注8mg維庫溴胺、0.3mg/kg依托咪酯、5μg/kg芬太尼、0.04mg/kg咪達唑侖,滴注完成3min后對患者予以氣管插管,連接麻醉呼吸機行機械通氣。

2.4.1 輪詢調度算法

輪詢調度算法(round robin，RR)的基本思想是所有用戶具有相同的優(yōu)先級，調度模塊以相等的機會為每一個用戶分配資源，使用戶按照某種確定的順序使用無線資源，以犧牲吞吐量為代價，而不考慮系統(tǒng)總吞吐量應該盡量大。RR算法不僅可以保證用戶間的長期公平性，還可以保證用戶的短期公平性;另外算法實現(xiàn)簡單。但該算法由于沒有考慮到不同用戶無線信道的具體情況，因此系統(tǒng)吞吐量很低，RR算法是公平性的上界和系統(tǒng)吞吐量的下界。核心公式為：設有用戶數(shù)目為N，則每個用戶的優(yōu)先級為

2.4.2 Max C/I調度算法

Max C/I調度算法(maximum carrier of interference，Max C/I)的基本思想是信道質量最好的用戶獲得最高的優(yōu)先級，使得數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)膸茁试黾?，錯誤重傳的次數(shù)減少，整個系統(tǒng)的吞吐量得到了提升。顯然，該算法依賴于用戶側對信道質量的反饋。雖然Max C/I能夠適應無線信道的時變性，但是沒有考慮到用戶間的公平性。比如距離基站近的移動臺由于其信道條件好會一直得到服務，而處于小區(qū)邊緣的用戶由于C/I較低，將得不到服務機會。從占有系統(tǒng)資源的角度看，Max C/I算法是公平性的下界和系統(tǒng)吞吐量的上界。

如果在時刻t，有數(shù)目為N的用戶同時請求傳輸數(shù)據(jù)，每個用戶的SINR為uk(t)，則Max C/I調度算法選中的用戶k為

2.4.3 比例公平調度算法

比例公平調度算法(proportional fair，PF)的基本思想是為小區(qū)內的每個用戶都分配一個優(yōu)先級。在每個調度時刻，優(yōu)先級高的用戶得到服務。這和Max C/I調度算法基于優(yōu)先級隊列的思想是一致的，但是兩者優(yōu)先級的計算方法不同。它是隨著用戶速率的提高，其優(yōu)先級降低，從而使原來優(yōu)先級低的用戶獲得更多的傳輸機會。PF調度算法一方面充分考慮用戶信道質量，另一方面保證了系統(tǒng)中多用戶之間的公平性。因此，成為無線通信系統(tǒng)中常用的動態(tài)資源調度算法。比例公平算法的核心公式為

(4)式中，Tc為更新時間窗，其長度通常有嚴格的要求，需滿足快衰落的變化，并且滿足用戶的時延要求。

2.5AMC和HARQ

與傳統(tǒng)的3G移動通信系統(tǒng)相比，LTE-advanced不僅支持語音、圖像和數(shù)據(jù)等多種業(yè)務，而且支持多媒體和高速率分組數(shù)據(jù)業(yè)務。LTE-advanced系統(tǒng)使用自適應調制編碼(adaptive modulation and coding，AMC)和HARQ來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃裕?0］。AMC基于 CQI反饋信息實現(xiàn)。因此，接收端測量計算各個子載波處的SINR以及由SINR到CQI的映射算法將至關重要。

HARQ是前向糾錯編碼(forward error correction，F(xiàn)EC)技術和自動請求重傳(automatic repeat request，ARQ)技術的結合。

根據(jù)重傳發(fā)生的時刻，HARQ分為同步HARQ和異步HARQ。同步HARQ是指一個HARQ進程的傳輸(重傳)發(fā)生在固定的時刻，由于接收端預先知道傳輸?shù)陌l(fā)生時刻，因此不需要額外的信令開銷來標示當前HARQ進程的序號，此時的HARQ進程的序號可以從子幀號獲得;異步HARQ是指一個HARQ進程的傳輸(重傳)可以發(fā)生在任何時刻，接收端預先不知道傳輸?shù)陌l(fā)生時刻。因此，發(fā)送端在控制信令中標示當前HARQ進程的序號。

根據(jù)重傳時的傳輸參數(shù)是否發(fā)生變化，HARQ分為自適應 HARQ和非自適應 HARQ。自適應HARQ是指在每一次重傳過程中，發(fā)送端可以根據(jù)

(3)式中：Uk(t)為用戶k在時刻t的SINR，反映用戶在當前時刻的信道質量;Rk(t)為用戶k的平均傳輸數(shù)據(jù)速率，Rk(t)的更新公式為實際的信道狀態(tài)信息改變傳輸參數(shù)，可改變的傳輸參數(shù)包括調制方式、資源單元的分配和傳輸?shù)某掷m(xù)時間等。因此，在每次傳輸?shù)倪^程中與傳輸參數(shù)相關的控制信息要一并發(fā)送。在非自適應HARQ中，重傳時采用和上一次傳輸相同的傳輸參數(shù)。因此，發(fā)送端不需要傳輸與傳輸參數(shù)相關的控制信息，節(jié)省了信令開銷。經(jīng)過討論，LTE最終決定上行采用同步非自適應HARQ，下行采用異步自適應HARQ。對于頻分雙工(frequency division duplex，F(xiàn)DD)系統(tǒng)上下行都是支持8個并行的HARQ進程，時分雙工(time division duplex，TDD)系統(tǒng)所支持的HARQ進程數(shù)目與具體的上下行時隙配置有關［11］。

為了支持多個并行HARQ進程，發(fā)送端為每一個用戶的每一個HARQ進程建立一個HARQ處理緩存，根據(jù)接收端的反饋結果來決定當前的HARQ進程傳輸承載的數(shù)據(jù)是重傳還是新數(shù)據(jù)。

2.6 鏈路級和系統(tǒng)級接口模塊

為了評估LTE-advanced系統(tǒng)性能，理論上可以為系統(tǒng)中的每一個用戶建立一個精確的鏈路級仿真，但龐大的計算開銷和時間開銷使得在實際中不具有可行性。因此，需要一個鏈路級和系統(tǒng)級接口模塊利用鏈路級仿真結果—BER-SNR曲線來預測LTE-advanced系統(tǒng)中的用戶的傳輸性能。3GPP關于鏈路級和系統(tǒng)級映射方法的主要提案集中于指數(shù)有效SINR映射(exponential effective sinr mapping，EESM)和互信息有效SINR映射(mutual information effective sinr mapping，MI-ESM)。目前3GPP主要是使用EESM映射方法［12］，具體過程如圖4所示。

圖4 EESM映射方法Fig.4 EESM map method

這2種方法的主要差別在于使用的信息測度函數(shù)不一樣，(5)式給出了這2種方法的通用表達式，其中I(x)就是壓縮函數(shù)，也叫信息測度函數(shù)。在EESM映射方法中，使用的壓縮函數(shù)為(6)式，I-1(x)是I(x)的反函數(shù)，如(7)式所示。由(5)—(7)式可得EESM映射方法的具體表達式為(8)式。其中P是用戶分配到的所有RB包含的子載波數(shù)目，是總子載波數(shù)目，SINRp是子載波p處的信號功率與干擾功率之比。SINRp和P取決于具體的調度算法，β是與具體調制編碼方案有關的一個常數(shù)，文獻［13］中給出了β和調制編碼方案的對應關系。

3 仿真參數(shù)和仿真結果

根據(jù)上述介紹的LTE-Advanced系統(tǒng)級仿真平臺的設計方法，給出了3種不同調度算法對系統(tǒng)平均吞吐量的影響。采用的主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)級仿真參數(shù)Tab.1 System level simulation parameter

仿真結果如圖5，圖6所示。在圖5中，由于輪詢調度算法沒有考慮到用戶當前的信道質量，使得當前信道質量不好的用戶也得到了調度，因而系統(tǒng)平均吞吐量最低，Max C/I調度算法只讓當前信道質量最好的用戶得到調度，因而系統(tǒng)的平均吞吐量最高，比例公平調度算法兼顧到了效率和公平性，系統(tǒng)平均吞吐量介于輪詢調度算法和最大載干比調度算法之間。圖6中，3種調度算法下系統(tǒng)平均吞吐量的累計概率密度曲線和圖5中的仿真結果是一致的。仿真結果和理論分析基本一致，從而驗證了本文給出的LTE-advanced系統(tǒng)級仿真平臺設計思路的正確性。

4 結束語

由于LTE-advanced網(wǎng)絡結構相對于3G系統(tǒng)革命性的改變，以及系統(tǒng)級仿真本身所涉及模塊的多樣性和復雜性。評估LTE-advanced網(wǎng)絡整體性能的系統(tǒng)級仿真平臺的設計還很不成熟。本文在介紹了系統(tǒng)級仿真的基本方法的基礎上，設計了LTE-advanced系統(tǒng)級基本仿真平臺，實現(xiàn)了對LTE-advanced系統(tǒng)整體性能的評估，在一定程度上為實際系統(tǒng)的設計提供理論參考，為后續(xù)進一步設計以及改進各模塊的具體算法提供了一個仿真平臺。

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LTE-advanced system-level simulation methods and implement

MENG Ding1，ZHANG Zu-fan1，2，WEN Lin-hai1

(1.School of Communications and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，P.R.China;
2.Chongqing Key Laboratory of Mobile Communication(CQUPT)，Chongqing 400065，P.R.China)

LTE-advanced is the core technology of next generation wireless mobile communication system，and one of the concentrations in current research is how to assess the performance of this technology effectively.This paper，based on the understanding of the basic theory of wireless communication system-level simulation and a number of specifications about LTE-advanced system-level simulation，cards the organizational structure involved in LTE-advanced system-level simulation，employs the modular design，taking the above mentioned structure as a framework to build the system-level simulation platform，and achieves the LTE-advanced system-level simulation.Furthermore，using key performance parameter of LTE-advanced system— average throughput as the indicators，this paper analyzes and compares the influence of round robin，best cqi and proportional fair scheduling algorithm in LTE-advanced network overall performance.

long term evolution advanced(LTE-advanced);system-level simulation;simulation methods;simulation platform

s:The Chongqing MunicipalScience ＆ Technology Development Program (CSTC，2010AC2143;CSTC，2009AA2037);The Chunhui Plan of the Ministry of Education of China(Z2009-1-63017)

TN92

A

1673-825X(2011)06-0654-07

10.3979/j.issn.1673-825X.2011.06.002

2011-05-23

2011-10-11

重慶市科技攻關計劃項目(CSTC，2010AC2143;CSTC，2009AA2037);教育部“春暉計劃”合作科研項目(Z2009-1-63017)

張祖凡(1972-)，男，湖北荊州人，教授，2007年獲電子科技大學博士學位，主要研究方向為無線移動通信理論與技術、無線資源管理和網(wǎng)絡編碼。E-mail:zhangzf@cqupt.edu.cn。

蒙 玎(1986-)，男，陜西漢中人，碩士研究生，主要研究方向為無線移動通信理論與技術。E-mail:meng-ding-ok@126.com。

溫林海(1986-)，男，四川眉山人，碩士研究生，主要研究方向為無線移動通信理論與技術。E-mail:wenlh361@163.com。

(

王敏琦)