LTE 阵列天线与传播模型虚拟仿真实验设计

樊 超，李红岩，黄 毅，付麦霞，杨铁军

（河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

“无线通信”和“通信原理”课程在高校电子信息类专业中具有重要地位，在很多高校也是必修课[1-2]，而LTE 技术是这两门课的重要内容。LTE 阵列天线技术、载波聚合和空间无线传播模型是LTE 系统的关键技术，其模型算法的优劣和参数的选择直接关系到LTE 系统的覆盖性能、业务容量、用户数量等关键指标，选取天线模型和空间传播模型是LTE 网络覆盖规划和优化的主要内容，具有重要的理论意义和实践意义[3-4]。

1 开发LTE 系统虚拟仿真实验平台的必要性

传统的无线通信实验往往存在以下困难和问题：

（1）大多基于实验箱或者Matlab 算法仿真，而这样的实验平台无法在真实的无线场景和通信网络环境下对LTE 网络系统进行仿真[5]。因此，大多数高校在无线通信实验课程中很难安排LTE 通信网络规划和模型设计等方面的实验内容，不利于学生对基础知识的理解、应用以及设计创新能力的提高。

（2）搭建LTE 通信网络需要的硬件设备较多、价格昂贵，网络制式各异、网络结构复杂，在实验中需要频繁地操作，部分网络设备易于损坏且维护困难[6-9]。况且有些设备需要带电操作并具有一定的辐射，对学生的人身安全存在风险[10-11]。

（3）移动通信网络的覆盖能力通常受到真实环境的影响，即使在实验室条件下且性能优越的网络模型，也有可能无法适应真实环境的信号覆盖需求，进而使网络的设计失去实际意义[12-13]。

因此，结合虚拟仿真技术，开发LTE 系统虚拟仿真平台，实现LTE 天线模型和空间传播模型在真实环境中的性能模拟，为学生提供一个能够结合实际场景的天线模型和传播模型设计平台，解决各种LTE 模型算法的理论学习和创新设计在传统实验教学的难题。

LTE 阵列天线与传播模型虚拟仿真实验平台融合阵列天线技术、空间传播模型、区群结构、覆盖估计、小区规划、拓扑规划、开局组网、网络测试与优化、传播模型设计调优等基础知识，结合4G 的LTE 真实网络场景和实测网络数据，在实验教学中达到了解技术、融合知识、结合实际，递进能力的目的。实验包括验证性实验和创新性实验，总体流程如图1 所示。

图1 虚拟仿真实验设计总体流程图

2 LTE 阵列天线与传播模型原理验证性实验

在验证性实验部分，结合均匀直线阵列天线和SPM、COST 231-Hata、EURO-COST 等无线传输模型，对LTE 阵列天线和传播模型的原理进行实验验证，并通过改变天线参数和选择不同传输模型，让学生进一步理解阵列天线参数的意义和不同传播模型的特点及适应性。还可以结合多小区规划组网的多基站组合模型，对干扰覆盖进行渲染，让学生观察不同区群结构特征下多小区相互影响的综合覆盖效果，从而加深对所学知识的理解，为阵列天线和传播模型的算法创新设计打下坚实的理论基础。实验内容主要有阵列天线实验、无线传播模型仿真实验和区群结构实验。

2.1 阵列天线实验

通过配置天线参数（如天线长度、阵元个数），仿真LTE 阵列天线在空间的传播特性，可以观察到不同天线模型下的LTE 小区覆盖效果（见图2）。

图2 天线覆盖效果仿真图

2.2 无线传播模型仿真实验

选择合理的传播模型和模型参数进行覆盖估算，通过虚拟仿真渲染，观察单基站的覆盖范围，让学生学习传播模型的作用机制。实验步骤如下：

（1）选定传播模型，例如SPM 模型、COST231-Hata 模型等，根据虚拟仿真的地理环境设置传播模型的参数。

（2）利用发射端，传播空间和接收端的相关参数，计算出无线链路所能允许的最大路径损耗，并将允许的最大路径损耗代入无线传播模型中，估算相应的覆盖半径；通过系统的虚拟仿真渲染观察基站的覆盖范围（见图3），验证估算的覆盖半径的正确性。

图3 传播模型覆盖渲染图

2.3 区群结构实验

实验的目的是通过对 LTE 多基站的覆盖规划实验，掌握LTE 阵列天线技术和无线传播模型算法的区群结构特征，采用三维渲染技术查看其多小区覆盖和干扰效果，理解未来通信中区群结构的发展。实验步骤分为如下两步：

（1）进行小区规划，确定基站的蜂窝结构，根据基站覆盖半径计算单基站的覆盖面积，从而规划出满足区域覆盖要求的最少基站数量和位置；

（2）在虚拟仿真环境中开通网络，进行覆盖效果和干扰情况的 3D 渲染仿真，验证在特定的阵列天线函数和传播模型下，对选定地理环境的覆盖和干扰效果是否达到了规划的目标。

3 LTE 阵列天线与传播模型算法创新设计实验

通过LTE 阵列天线与传播模型原理验证性实验，可进行创新算法实验，通过虚拟仿真平台的创新算法设计接口，使用C#语言完成阵列天线方向图函数和空间传播模型仿真模型算法库的设计与编写，并利用仿真平台提供的虚拟路测功能，观察三维覆盖渲染图验证算法设计的正确性。该实验的主要步骤如下：

（1）配置创新算法接口，使用vs2015 新建C#动态库工程。

（2）选择阵列天线公式，根据阵列天线传播公式实现程序库要求的标准接口。

（3）编写仿真空间传播模型库。先选择无线传播模型，然后根据无线传播模型实现程序库要求的标准接口。

（4）在仿真无线网络场景中加载天线模型和传播模型算法，开启区群网络仿真，观察无线信号覆盖干扰的3D 渲染图，初步验证算法设计的正确性。

（5）以市区、郊区、高速路等常见无线场景的经验数据为模板，加载预设的其他主要参数和算法，在仿真无线环境中组网开局。

（6）加载天线模型和空间传播模型的虚拟网络环境，按测试路线和测试计划进行虚拟路测（见图4），采集LTE 网络的无线数据。

图4 虚拟路测图

（7）通过参数分析、KPI 统计、信令流程分析、覆盖专题分析等方法检验阵列天线模型和空间传播模型的覆盖效果，初步验证模型在常见无线场景下的正确性和与其他网络参数、算法的兼容性，如图5 所示。

（8）在虚拟场景中利用真实的无线环境数据进行覆盖测试，根据覆盖效果采用单参数分析法改变特定的模型参数，调整天线与传播模型库，迭代该测试过程，直到模型达到合理的覆盖，使模型的规划仿真和实际数据测试效果相匹配。

创新设计实验流程如图6 所示。

图5 点迹覆盖分析

图6 创新设计实验流程

4 考核要求、评价和教学效果

为了对学生实验过程中的数据进行记录与分析，并依此对实验报告进行评估，构建了基于实验操作步骤过程的质量评价与提升体系（见表1），在实验前、实验中和实验后进行连续跟踪考核。

要求学生在实验前对基础知识进行复习，知道实验目的和实验内容。通过对学生实验基本技能、实验步骤和实验效果的跟踪，全面考核学生完成实验的总体情况；通过对实验结果的分析和实验报告的撰写，考核学生对实验项目的完成情况。虚拟实验平台会自动对学生的实验操作过程数据、实验结果数据进行采集、统计和分析。通过对学生所有实验过程记录数据的分析和挖掘，评估学生对知识点掌握的情况和实验教学效果，进而采取改进措施，提高学生对课程相关内容的掌握程度。

自2018 年LTE 阵列天线与传播模型虚拟虚拟仿真实验平台建成以来，已为本校电子信息工程专业和通信工程专业的300 余名学生提供“通信原理”和“无线通信”课程的虚拟仿真实验，安排2 学时的原理验证性基础实验，或者安排2 学时基础+2 学时创新实验。在创新实验中，通过使用平台的二次开发功能，学生可以根据实际小区环境自主开发天线传播模型，进而验证模型的有效性和信号覆盖范围。学生的创新意识和创新能力由此得到提高。2018 年，该实验获得河南省示范性虚拟仿真实验教学项目立项，并已向高校和社会开放（网址为：http://xxxy.haut.edu.cn:8080）。

表1 虚拟仿真实验考核内容及要求

5 结语

LTE 阵列天线与传播模型的虚拟仿真实验使学生较好地掌握了阵列天线技术和传播模型设计调优等理论知识与工程实践技能，能够将相关知识融会贯通，将自主设计的模型算法运用于 LTE 网络的区域覆盖规划及优化实验中，积累了工程操作的经验。此外，创新设计实验部分使学生自主学习能力得到增强，创新能力得到有效锻炼。