LTE-advanced 系统级仿真方法与实现

蒙 玎，张祖凡，2，温林海

(1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065;2.移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

LTE-advanced 系统级仿真方法与实现

蒙 玎1，张祖凡1，2，温林海1

(1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065;2.移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

先进的长期演进技术(long term evolution advanced，LTE-advanced)是新一代无线移动通信系统核心技术，如何有效评估这一技术系统性能是当前研究重点之一。在充分理解无线通信系统级仿真基本理论和LTE-advanced系统级仿真若干规范基础上，梳理LTE-advanced系统级仿真涉及的组织结构，采用模块化设计方法，以此结构为框架搭建系统级仿真平台，实现对LTE-advanced进行系统级仿真。进一步以LTE-advanced系统重要性能参数平均吞吐量为考察指标，重点分析对比了轮询、最大载干比、比例公平这3种调度算法对LTE-advanced网络整体性能的影响。

LTE-advanced;系统级仿真;仿真方法;仿真平台

0 引言

先进的长期演进技术(long term evolution-advanced，LTE-advanced)是全球第四代移动通信(4th-generation，4G)标准的核心技术之一［1-4］。作为LTE的演进标准，LTE-advanced应向后兼容，这种兼容性对于从LTE平滑过渡到LTE-advanced至关重要。为了减小运营商投资风险和运营成本，先进通信系统在组建网络之前需要经过充分的整体性能测试和组网能力评估。如何建立LTE-advanced等4G移动通信系统的系统级仿真平台具有现实的意义［5-6］。本文充分理解了无线通信系统级仿真基本理论和LTE-advanced系统级仿真若干规范，梳理LTE-advanced系统级仿真涉及的组织结构，采用模块化设计方法，以此结构为框架搭建系统级仿真平台，实现对LTE-advanced进行系统级仿真。

1 无线通信系统级仿真

无线通信系统仿真分为链路级仿真和系统级仿真。链路级仿真的主要目的是检验不同无线传输技术对网络性能的影响，仿真数据流在单个收发链路的处理过程中，得到不同无线传输技术下信噪比(signal noise ratio，SNR)与误比特率(bit error rate，BER)的曲线。系统级仿真的主要目的是根据链路级仿真结果，检验不同的网络拓扑结构、业务特性以及无线资源管理(radio resource management，RRM)算法等对系统容量和频谱效率的影响。需要建立包含多个基站和多个终端的网络拓扑，以考察整个系统表现出来的性能指标。系统级仿真在研究无线通信系统高层算法以及网络规划、优化方面有着广泛的应用和重要的意义。

系统级仿真可以分为静态仿真和动态仿真2种。1)静态系统级仿真(static system simulation，SSS)是一种对多个不同的网络快照进行网络性能仿真的方法。在每个快照中，用户的位置被静态地随机确定，且独立于上一个快照中用户的位置和速度。每个用户连接到网络的能力通过迭代过程来计算，直到满足收敛条件，再通过使用蒙特卡罗方法对快照进行分析，最后得到被仿真系统的近似实际性能。2)动态系统仿真(dynamic system simulation，DSS)充分考虑用户和系统的各种行为，模拟真实环境中用户和系统所采取的全套资源管理算法，如调度等，并包含了业务模型。随着仿真时间的推进，用户位置、发送功率、路径损耗、干扰水平等都需要动态计算。因此，DSS是一种更加精确的系统级建模方法。

2 LTE-Advanced系统级仿真建模方法

无线移动通信系统在建立系统级仿真模型时有很多共性，在此基础上考虑到LTE-advanced系统的特性，首先将整个网络进行网格化划分，进一步求出各个网格的中心点坐标到所有基站坐标之间的距离，利用路径损耗模型求出当前仿真场景下的路径损耗值、阴影衰落以及快衰落值，进而可以计算出接收功率，从而计算出各个子载波处的信号干扰噪声比(signal interference noise ratio，SINR)。通过实现具体的调度算法，为当前用户的本次传输分配物理资源，并且选取调制编码方案(modulation coding schedule，MCS)。调度后，以用户分配到的资源块(resource block，RB)中的子载波处的SINR为输入，求出当前用户本次传输中在其所使用的物理资源上的等效SINR，在链路级仿真提供的各种调制编码方案下的误码率-信噪比曲线上查出该等效信号干扰比对应的误码率。以该误码率为依据完成正确应答(acknowledgement，ACK)和非正确应答(negative acknowledgement，NACK)判决，并将判决结果反馈给发送端，发送端以接收到的ACK/NACK反馈信息为依据完成混合自动重传请求(hybrid automatic repeat-request，HARQ)的发端相应操作，接收端进行合并接收。

根据上述设计思路，本文针对LTE-advanced所采用无线传输技术的特点，以MATLAB为仿真工具，采用模块化设计方法，搭建了LTE-advanced下行链路的动态基本仿真平台。平台的设计遵循各个子模块独立设计，并且预留出接口供后续扩展使用的原则，增加了平台的灵活性和后续可扩展性。该平台由网络拓扑结构、无线信道建模、业务模型、调度算法、HARQ、链路级与系统级接口等子模块构成，仿真流程如图1所示。

图1 LTE-Advanced系统级仿真工作流程Fig.1 LTE-Advanced system-level simulation workflow

2.1 网络拓扑结构

网络拓扑结构按照文献［7］中对系统级仿真场景的要求，采用19小区3扇区的结构，如图2所示，每个小区为正六边形结构，如果以所有19个小区的所有扇区都作为仿真对象，则图2中只有中心0号小区周围具有2层干扰小区，其余的小区将不具有2层干扰小区结构，需要采用小区卷绕技术形成如图3所示的拓扑结构，这样可以保证0—18号小区的所有扇区都具有2层干扰小区结构，更加接近于网络的真实干扰状态。为了减少仿真平台的存储和计算开销，本文采用图2中的网络拓扑结构，只把中心小区作为仿真对象。

2.2 无线信道建模

为了适应IMT-advanced新的无线传播特性和空中接口标准，ITU提出了IMT-advanced信道模型。该模型需要覆盖所有IMT-advanced应用场景测试，一共定义了室内热点(indoor hotspot，InH)、市区微小区(urban micro，UMi)、市区宏小区(urban macro，UMa)、郊区宏小区(rural macro，RMa)4种应用场景。在4种应用场景下，分别定义了视距(line of sight，LOS)和非视距(non line of sight，NLOS)模式，共有8种测试场景。

在特定的应用场景下，将整个网络的覆盖区域网格化成若干个正方形小区域，提前计算好每个小正方形小区域到目标基站的目标扇区下的路径损耗和阴影衰落值，仿真时直接使用。快衰落的计算依赖于为当前场景建立信道模型得到的信道矩阵，为了减少仿真运行时间，按照文献［8］中定义的IMT-advanced信道建模方法预先为各个应用场景建立信道模型得到信道矩阵，仿真时，直接读出信道矩阵数据并计算各个子载波处的SINR，这里计算得到的各个子载波处的SINR是后续不同调度算法的重要依据。

2.3 业务模型

LTE-advanced系统支持对服务质量(quality of service，QoS)有不同要求的多种业务类型，针对不同特性的业务采用不同的调度策略。按照QoS需求不同，第3代合作伙伴计划(the 3rd generation partnership project，3GPP)中规定的4种主要业务如下：

1)Conversational(对话类业务);

2)Streaming(流业务);

3)Interactive(交互类业务);

4)Background(背景类业务)。

本模块的难点在于：如何针对业务特性以满足QoS要求，为不同业务确定合适的优先级，在后续的调度模块中设计基于QoS的调度算法。本文中采用全缓冲(full buffer，FB)业务模型。

2.4 调度算法

调度的目的是为用户分配系统链路资源，OFDM系统下，链路资源分配需要考虑到多用户之间的相关性和干扰情况［9］。由于取消了专用传输信道，同步信号、系统广播消息、参考信号、随机接入前导等采用持续调度方式，在预先分配好的资源上传输。其他的几乎所有的应用与业务都使用共享信道，为了满足不同业务的QoS需求，对基于QoS的调度算法提出了更高的挑战和要求。因此，LTE-advanced调度器的设计与之前的第3代移动通信技术(3th-generation，3G)网络有很大区别，实现的功能也更加复杂，需要考虑的因素有：不同业务的QoS需求;不同用户之间的优先级处理;同一用户的不同业务的优先级处理，这体现在对不同的逻辑信道的处理上;传输块(transport block，TB)大小和MCS的选择。频域基本调度资源单位为一个RB，时域调度间隔通常选为一个传输时间间隔(transport time interval，TTI)。动态调度提供很大的灵活性的同时也产生了较高的信令负荷，对于较规则的低速业务，这种信令开销尤为明显。为了降低此类业务的信令负荷，3GPP定义了一个新的概念：半静态调度(semi-persistent scheduling，SPS)。这种调度概念的思想是对于较规则的低速业务使用的资源预先进行分配，而无需每次传输时都进行动态分配，以节省信令开销。

调度是LTE-advanced系统媒体接入控制(media access control，MAC)层的核心功能，也是系统级仿真模型中核心模块，涉及到SINR到信道质量指示(channel quality indication，CQI)以及CQI到MCS的映射算法。本文针对3种经典调度算法，实现了MAC层的调度功能。

30例参照组患者接受擦全身麻醉处理,具体方法为:实施麻醉前0.5h接受肌注0.5mg阿托品,同时监测患者生命体征,之后将上肢静脉通路开放,予以患者10ml/min乳酸林格液,静脉滴注,之后静脉滴注8mg维库溴胺、0.3mg/kg依托咪酯、5μg/kg芬太尼、0.04mg/kg咪达唑仑,滴注完成3min后对患者予以气管插管,连接麻醉呼吸机行机械通气。

2.4.1 轮询调度算法

轮询调度算法(round robin，RR)的基本思想是所有用户具有相同的优先级，调度模块以相等的机会为每一个用户分配资源，使用户按照某种确定的顺序使用无线资源，以牺牲吞吐量为代价，而不考虑系统总吞吐量应该尽量大。RR算法不仅可以保证用户间的长期公平性，还可以保证用户的短期公平性;另外算法实现简单。但该算法由于没有考虑到不同用户无线信道的具体情况，因此系统吞吐量很低，RR算法是公平性的上界和系统吞吐量的下界。核心公式为：设有用户数目为N，则每个用户的优先级为

2.4.2 Max C/I调度算法

Max C/I调度算法(maximum carrier of interference，Max C/I)的基本思想是信道质量最好的用户获得最高的优先级，使得数据正确传输的几率增加，错误重传的次数减少，整个系统的吞吐量得到了提升。显然，该算法依赖于用户侧对信道质量的反馈。虽然Max C/I能够适应无线信道的时变性，但是没有考虑到用户间的公平性。比如距离基站近的移动台由于其信道条件好会一直得到服务，而处于小区边缘的用户由于C/I较低，将得不到服务机会。从占有系统资源的角度看，Max C/I算法是公平性的下界和系统吞吐量的上界。

如果在时刻t，有数目为N的用户同时请求传输数据，每个用户的SINR为uk(t)，则Max C/I调度算法选中的用户k为

2.4.3 比例公平调度算法

比例公平调度算法(proportional fair，PF)的基本思想是为小区内的每个用户都分配一个优先级。在每个调度时刻，优先级高的用户得到服务。这和Max C/I调度算法基于优先级队列的思想是一致的，但是两者优先级的计算方法不同。它是随着用户速率的提高，其优先级降低，从而使原来优先级低的用户获得更多的传输机会。PF调度算法一方面充分考虑用户信道质量，另一方面保证了系统中多用户之间的公平性。因此，成为无线通信系统中常用的动态资源调度算法。比例公平算法的核心公式为

(4)式中，Tc为更新时间窗，其长度通常有严格的要求，需满足快衰落的变化，并且满足用户的时延要求。

2.5AMC和HARQ

与传统的3G移动通信系统相比，LTE-advanced不仅支持语音、图像和数据等多种业务，而且支持多媒体和高速率分组数据业务。LTE-advanced系统使用自适应调制编码(adaptive modulation and coding，AMC)和HARQ来提高数据传输的高效性和可靠性［10］。AMC基于 CQI反馈信息实现。因此，接收端测量计算各个子载波处的SINR以及由SINR到CQI的映射算法将至关重要。

HARQ是前向纠错编码(forward error correction，FEC)技术和自动请求重传(automatic repeat request，ARQ)技术的结合。

根据重传发生的时刻，HARQ分为同步HARQ和异步HARQ。同步HARQ是指一个HARQ进程的传输(重传)发生在固定的时刻，由于接收端预先知道传输的发生时刻，因此不需要额外的信令开销来标示当前HARQ进程的序号，此时的HARQ进程的序号可以从子帧号获得;异步HARQ是指一个HARQ进程的传输(重传)可以发生在任何时刻，接收端预先不知道传输的发生时刻。因此，发送端在控制信令中标示当前HARQ进程的序号。

根据重传时的传输参数是否发生变化，HARQ分为自适应 HARQ和非自适应 HARQ。自适应HARQ是指在每一次重传过程中，发送端可以根据

(3)式中：Uk(t)为用户k在时刻t的SINR，反映用户在当前时刻的信道质量;Rk(t)为用户k的平均传输数据速率，Rk(t)的更新公式为实际的信道状态信息改变传输参数，可改变的传输参数包括调制方式、资源单元的分配和传输的持续时间等。因此，在每次传输的过程中与传输参数相关的控制信息要一并发送。在非自适应HARQ中，重传时采用和上一次传输相同的传输参数。因此，发送端不需要传输与传输参数相关的控制信息，节省了信令开销。经过讨论，LTE最终决定上行采用同步非自适应HARQ，下行采用异步自适应HARQ。对于频分双工(frequency division duplex，FDD)系统上下行都是支持8个并行的HARQ进程，时分双工(time division duplex，TDD)系统所支持的HARQ进程数目与具体的上下行时隙配置有关［11］。

为了支持多个并行HARQ进程，发送端为每一个用户的每一个HARQ进程建立一个HARQ处理缓存，根据接收端的反馈结果来决定当前的HARQ进程传输承载的数据是重传还是新数据。

2.6 链路级和系统级接口模块

为了评估LTE-advanced系统性能，理论上可以为系统中的每一个用户建立一个精确的链路级仿真，但庞大的计算开销和时间开销使得在实际中不具有可行性。因此，需要一个链路级和系统级接口模块利用链路级仿真结果—BER-SNR曲线来预测LTE-advanced系统中的用户的传输性能。3GPP关于链路级和系统级映射方法的主要提案集中于指数有效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］，具体过程如图4所示。

图4 EESM映射方法Fig.4 EESM map method

这2种方法的主要差别在于使用的信息测度函数不一样，(5)式给出了这2种方法的通用表达式，其中I(x)就是压缩函数，也叫信息测度函数。在EESM映射方法中，使用的压缩函数为(6)式，I-1(x)是I(x)的反函数，如(7)式所示。由(5)—(7)式可得EESM映射方法的具体表达式为(8)式。其中P是用户分配到的所有RB包含的子载波数目，是总子载波数目，SINRp是子载波p处的信号功率与干扰功率之比。SINRp和P取决于具体的调度算法，β是与具体调制编码方案有关的一个常数，文献［13］中给出了β和调制编码方案的对应关系。

3 仿真参数和仿真结果

根据上述介绍的LTE-Advanced系统级仿真平台的设计方法，给出了3种不同调度算法对系统平均吞吐量的影响。采用的主要仿真参数如表1所示。

表1 系统级仿真参数Tab.1 System level simulation parameter

仿真结果如图5，图6所示。在图5中，由于轮询调度算法没有考虑到用户当前的信道质量，使得当前信道质量不好的用户也得到了调度，因而系统平均吞吐量最低，Max C/I调度算法只让当前信道质量最好的用户得到调度，因而系统的平均吞吐量最高，比例公平调度算法兼顾到了效率和公平性，系统平均吞吐量介于轮询调度算法和最大载干比调度算法之间。图6中，3种调度算法下系统平均吞吐量的累计概率密度曲线和图5中的仿真结果是一致的。仿真结果和理论分析基本一致，从而验证了本文给出的LTE-advanced系统级仿真平台设计思路的正确性。

4 结束语

由于LTE-advanced网络结构相对于3G系统革命性的改变，以及系统级仿真本身所涉及模块的多样性和复杂性。评估LTE-advanced网络整体性能的系统级仿真平台的设计还很不成熟。本文在介绍了系统级仿真的基本方法的基础上，设计了LTE-advanced系统级基本仿真平台，实现了对LTE-advanced系统整体性能的评估，在一定程度上为实际系统的设计提供理论参考，为后续进一步设计以及改进各模块的具体算法提供了一个仿真平台。

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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

重庆市科技攻关计划项目(CSTC，2010AC2143;CSTC，2009AA2037);教育部“春晖计划”合作科研项目(Z2009-1-63017)

张祖凡(1972-)，男，湖北荆州人，教授，2007年获电子科技大学博士学位，主要研究方向为无线移动通信理论与技术、无线资源管理和网络编码。E-mail:zhangzf@cqupt.edu.cn。

蒙 玎(1986-)，男，陕西汉中人，硕士研究生，主要研究方向为无线移动通信理论与技术。E-mail:meng-ding-ok@126.com。

温林海(1986-)，男，四川眉山人，硕士研究生，主要研究方向为无线移动通信理论与技术。E-mail:wenlh361@163.com。

(

王敏琦)