基于LTE系统级仿真平台的设计

【摘要】众所周知，网络数据业务将成为未来移动通信竞争的焦点。随着新兴的无线接入方案如WiFi、WiMAX的产生，3G无线接入技术面临着巨大的压力。为了满足新兴业务的需求，3GPP标准组织在2004年底启动了3G长期演进（LTE）技术的标准化工作。

LTE技术的高效的基于分组的无线接入提供互联网协议（IP）为基础的无线接入网络低延迟和低成本的功能。随着规范的完成，LTE技术已经开始投入商业发展。

为了估算新移动网络技术的性能，系统级仿真是必不可少的。本文首先介绍了LTE的研究背景及演进目标，简要地描述了本文的组织架构。然后主要介绍了LTE的网络结构、协议架构、链路预算和其关键技术即OFDM技术和MIMO技术，还有资源调度机制。接着针对3GPP对系统级仿真的要求，提出系统级仿真框架和流程，建立LTE系统级仿真平台。最后对仿真结果进行分析。

    【关键词】LTE，MIMO，OFDM ，系统级仿真

Design of System Level Simulation Based on LTE

[Abstract]As we all know that network data service will be the focus of mobile communication in the future. The increasing radio access scheme such as WiFi and WiMAX bring great pressure to the 3G radio access technology. In order to satisfy the requirement of new service, 3GPP have launched the LTE standardization in 2004.

The specification on the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) Long-Term Evolution (LTE) called the Evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) was finalize in 3GPP.

In order to evaluate the performance of new mobile network technologies, system level simulations are crucial. Firstly, the paper has introduced the research background, evolution target and the paper's structure. The second chapter has presented the network structure, protocol frame, link budget, key technologies and resources scheduling mechanism. Then the chapter three presented the Schematic block diagram of the LTE system level simulator and process according to the requirement of 3GPP, and established the system platform of LTE. Finally, analysed the result of the simulation.

[Key Words] LTE , MIMO , OFDM , System Level Simulation focus of mobile communication

第一章 绪论

1.LTE的研究背景

    众所周知，网络数据业务将成为未来移动通信竞争的焦点。随着新兴的无线接入方案如WiFi、WiMAX的产生，3G无线接入技术面临着巨大的压力，它已经无法很好的满足人们的通信及消遣娱乐要求。

由于现有的3G技术无法成为最终解决方案，竞争的加剧进一步推动技术的发展，从而不断加快移动通信宽带化的步伐[1]。在这种需求的推动下，国际标准化组织3GPP推出了一种可填补3G移动通信系统和4G移动通信系统之间存在的巨大技术差距的新技术，这一新的系统被称作E3G(Evolved 3G)或LTE(Long Term Evolution)[2]。

国际标准化下的国际移动通信（IMT）的原则和新IMT的范围分别在2007年被无线电通信大会（RA-07）和世界无线电通信大会国际电信联盟（WRC-07）无线电通信部门（ITU-R）同意。为邀请IMT-Advanced无线接口的建议技术的通知信（CL）已于2008年3月发出。随着邀请函的发出，3GPP启动了一个研究项目（SI），即，在2008年3月的LTE-Advanced可行性研究。通过了LTE-Advanced的系统要求。3GPP讨论了为满足系统要求所需的技术组件，并在技术报告中总结。基于第八版本的 LTE的和当前协议上的LTE-Advanced，3GPP于今年十月向ITU-R提交了其最后建议。随着研究项目的进行，工作项目，即LTE-Advanced无线接口规范工作即将启动，预计这个规格将根据IMT-Advanced的标准化时间表完成。

通用移动通信系统（UMTS）的长期演进（LTE）的规格被称为演进通用陆地无线接入（UTRA）和通用陆地无线接入网（UTRAN）LTE的高效的基于分组的无线接入提供互联网协议（IP）为基础的无线接入网络低延迟和低成本的功能。随着规范的完成，已经开始发展商业设备。LTE在国内的产业发展如下：

2009年8月，TD-LTE在国内完成了6个厂家概念测试，测试结果提交LSTI。

2010年3月，TD-LTE第一阶段外场测试完成。

2010年10月，国际电信联盟确定我国提交的TD-LTE-Advanced技术正式成为4G国际标准。

2010年12月，全球首个双频LTE（4G）商用网络在正式商用。

2011年1月，工信部宣布启动TD-LTE规模技术试验，该试验于厦门、深圳、上海、广州、南京、杭州这六个城市进行。

2.LTE的演进目标

    LTE是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具体演进目标包括[3]：

    (1)频谱带宽的配置。实现灵活的频谱带宽的配置，支持1.25 MHz、1.6MHz、2.5 MHz、5 MHz、10MHz、1 5 MHz和20 MHz的带宽设置，从技术上保证LTE系统可以使用3G移动通信系统的频谱。

    (2)数据率和频谱利用率。实现下行峰值速率为100Mb／s，上行峰值速率为50Mb／s，频谱利用率为HSPA的2到4倍，用户平均吞吐量为HSPA的2到4倍。为保证LTE系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过MIMO技术、AMC和基于信道质量的频率选择性调度来实现。

(3)时延。能够减小时延，从而提高了对实时业务的支持水平。

(4)小区边缘传输速率。提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的通信质量，增强LTE系统的覆盖能力，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。

(5)分组交换与QoS保证。系统在整体架构上将基于分组交换，同时通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务（VoIP、视频流等）的服务质量。

(6)多媒体广播和多播业务。进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足各业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、层2的信道结构和高层的无线资源管理实现。

(7)兼容。与各移动通信系统实现兼容。

    以上描述了LTE系统在各个方向上的设计目标，为具体的系统设计工作奠定了良好的基础。总体来说，随着项目的进展以及若干系统设计基础问题的解决，LTE系统的技术发展方向已经明确进入到具体技术细节的设计和完善阶段。因此，我们有必要对LTE系统的技术发展进行一定的了解。

3.论文内容及组织架构

LTE系统是由移动通信标准化组织3GPP推出的以正交频分复用(OFDM)技术和多天线(MIMO)技术为基础的新一代移动通信系统。相比于第三代移动通信系统，LTE系统有更高的传输速率、更低的时延，因此能为用户带来更好的使用效果，更好地满足用户数据业务的需求。

LTE 系统的整体性能需要在系统级仿真中评估。本文阐述了LTE通信系统的主要参数和相关概念；进行LTE SISO与LTE MIMO网络下行共享信道性能分析。针对3GPP对系统级仿真的要求，提出系统级仿真框架和流程，建立LTE系统级仿真平台，并对系统的吞吐量进行分析。

第1章绪论，介绍了LTE的研究背景及演进目标，简要地描述了本文的组织架构。

第2章LTE概述，主要介绍了LTE的系统结构、协议架构、链路预算和其关键技术即OFDM技术和MIMO技术，还有资源调度机制。

第3章基于LTE系统级仿真平台的设计，本文的LTE系统级仿真主要由链路测量模型和链路性能模型组成。在链路测量模型中介绍了宏路径衰落、阴影衰落及三种信道模型。

第4章LTE系统级仿真结果分析，首先列出了设置的仿真参数，然后主要分析了天线模型、宏路径损耗的应用模型、阴影衰落对宏路径衰落的影响以及不同调度算法对吞吐量影响的比较。

    第五章对全文做了总结。

第二章 LTE概述

1.LTE的系统架构   

     在系统架构上，LTE系统在3GPP原有的基础上进行演进，对3G系统的NodeB、RNC、CN进行功能性的整合，系统设备简化成eNodeB和EPC两种网元，其中，eNodeB是由NodeB和RNC组成。NodeB结构可以将网络简单化，降低延迟，从而实现低时延、低复杂度和低成本的要求。LTE对3GPP的系统结构做出了很大的改变，渐渐的向典型的IP宽带网结构发展。

    整个LTE系统由核心网EPC、基站eNB和用户设备UE组成。其中eNB负责接入网部分，也称为演进型UTRAN结构(E-UTRAN)[4]，即3GPP初步确定LTE的架构，如图2.1所示。

图2.1  LTE总体架构

 eNBs是E-UTRA的主要组成部分，将LIE的用户面服务与控制面服务提供给E-UTRA。EPC负责核心网部分，其信令处理部分为MME(Mobility Management Entity)，数据处理部分为S-GW(Serving Gateway)。eNodeB间通过X2接口进行网格方式的互连，并且当基站需要互通信息时，建议保持X2接口。而eNBs通过S1接口与EPC连在一起，更准确的说eNBs通过S1-MME接口与MME相连，通过S1-U口与S-GW相连。eNB不仅具有原来NodeB的功能外，还能完成原来RNC的大部分功能，包括物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制和接入移动性管理等[5]。与3G系统比较，X2接口类似于IuR接口，S1接口类似于Iu接口，不过简化了许多。此外，由于NodeB和RNC融合成eNodeB，所以LTE系统比3G系统少了Iub接口。

2.LTE的协议架构

LTE无线接口包括层一(Layer 1)、层二(Layer 2)和层三(Layer 3)。层一是物理层，主要由3GPP TS 36.200系列协议描述，层二和层三由3GPP TS 36.300系列协议描述。

图2.2 物理层相关无线接口协议架构

如上图所示，物理层接入到层二的MAC(Medium Access Control)子层和层三的RRC(Radio Resource Control)层。图中不同层或子层之间的圈是服务接入点SAPs(Service Access Points)。物理层给MAC层提供传输信道，MAC层提供不同的逻辑信道给层二的RLC(Radio Link Control)子层。

3.LTE链路预算

链路预算是指通过系统上、下行信号传播途径中各种影响因素的考察与分析，对系统的覆盖能力进行评估，获得保持一定呼叫质量下链路所允许的最大传波损耗。它是网络覆盖规划的前提条件，通过计算业务的最大允许损耗，可以求得一定模型下的小区覆盖半径，从而满足连续覆盖条件下基站的规模。

LTE链路预算的特点有：

（1）将采用MIMO技术对链路预算带来的系统增益考虑在内。

（2）由于LTE系统对干扰并未采取严格的抑制，所以留出较大的干扰余量。

（3）馈缆损耗较小，LTE系统中的馈缆指的是从RRU的输出到天线的输入这段跳线。

（4）有很多因素可以影响链路预算，主要有用户设备的发射功率、基站的灵敏度、阴影衰落余量、建筑物的穿透损耗和业务的速率等。因此，链路预算应该区分地理环境和业务总类来进行。

4.LTE的OFDM技术

OFDM作为多载波通信的一种特殊技术，应用在频率选择性信道中最具优势。OFDM系统在各个子信道的时间上相互正交，频率上互相重叠，提高了频谱利用率。多载波调制的基本思想是将传输比特流分成多个子比特流，再调制到不同的子载波上进行传输[6]。OFDM利用载波间的正交性，更好地改善了频谱利用率，并且可以抗窄带干扰和多径衰落。其基本思想是把高速串行数据流通过串/并转换，变成多个低速的并行数据流，再把每个低速的数据流调制到一个子信道上进行传输。如此一来，能够减小每个子载波的码元速率，扩大码元符号周期，增强系统的抗衰落和抗干扰的能力。OFDM是LTE的关键技术之一。

    在LTE系统的下行链路，采用先进成熟的正交频分多址（OFDMA）技术，由于其固有的稳健性，特别是对多径干扰（MPI），和其对不同传输带宽的安排的适应性。在下行使用OFDMA技术，物理信道间的小区间正交复用实现在时域和频域，利用局部或分散的传输，如图2.3所示。数据流量通过物理下行共享信道（PDSCH）由局部传输采用频域通道的依赖调度基于报告的信道质量指示（CQI）测量，这是为了提高用户吞吐量和小区吞吐量。实时流量包括VoIP可以被采用半持续调度的分布式传输所承载。此外，下行控制通道，L1/ L2的控制信号在整个系统带宽中是多路复用，在每个子帧的持续时间的开始处采用一到三个OFDM符号的持续时间的分布式传输。 

图2.3 基于OFDMA的小区间正交复用接入

在LTE系统的上行链路，采用SC-FDMA技术。这是因为高优先级实现比用多载波的方法更能利用MPI的稳健性达到更高性能，而有更广泛的覆盖面积，且OFDM具有较高的峰均比，这就提高了终端的功率放大的成本和功率的消耗，对终端的使用时间有所约束。此外，离散傅立叶变换（DFT）的传播OFDM来产生的SC-FDMA信号，以提供高共性无线参数和下行链路OFDMA的信号处理。在LTE系统的上行链路，小区间正交复用在时域和频域都能实现。只有承载用户流量或控制数据的局部的FDMA传输用于共享信道。分散的FDMA传输使用梳状谱服务于在BS的CQI测量的测深参考信号（SRS）。正交的CDMA用于SRSs，物理随机接入信道（PRACH）和物理上行控制信道（PUCCH）。在这种情况下，循环转移生成的序列产生于原有的恒定振幅和零自相关（CAZAC）序列，它提供了原始序列多循环转移版本的良好的正交性。除了循环移位基于复用，块传播也基于复用，以适应在一副帧持续时间内大量的PUCCHs。

对比在LTE系统的上、下行的OFDM技术，可发现它们有如下差异：

（1）在资源映射方面下行OFDMA比上行SC-FDMA来的更灵活。

（2）下行OFDMA与上行SC-FDMA的原始符号的频谱不同。OFDMA原始符号是在频域上直接调制，而SC-FDMA是将原始符号进行DFT变换后，再进行频域调制的。

（3）多址方式有所不同。下行OFDMA技术的实质是OFDM技术和多用户子载波分配结合的传输技术。每个用户采取一个二维时频副载波集进行传输，能够灵活地分配带宽，同时防止干扰。SC-FDMA技术的本质是对调制信号先进行离散傅里叶变换，再在连续副载波集上对输出结果进行OFDM调制，从而降低信号的峰均比，并保持了OFDMA抗多径干扰的优势。

（4）频选增益有所不同。由于下行OFDMA用的是分散式的资源分布，所以，在相同的子载波资源情况下，OFDMA可获得更大的分集增益。

（5）而上行SC-FDMA采用的是集中式的资源分配，其均峰比小于下行OFDMA，可降低功率放大的成本，减小功率损耗，有利于用户设备的硬件实现。

OFDM技术作为LTE系统的技术基础与主要特点，对其参数进行设置于LTE系统的性能将造成巨大的影响。其中，载波间隔又是OFDM系统的基本参数，目前3GPP给出了两种载波间隔，分别为15kHz和7.5kHz。在常规宽带载波系统中，只可能按一个宽带的信道质量来确定编码方式，而OFDM技术在理论上能够按多个子信道质量来确定编码方式。当有多径效应出现在传输信道中，严重影响了接收子载波之间的正交性，使得各子载波上的前后传输符号之间以及各个子载波之间发生相互干扰。为此，在每个OFDM标志的前面添加一个保护间隔，即循环前缀CP(Cyclic Prefix)，它是由OFDM符号标志进行周期性扩展得到的。循环前缀的长度决定了OFDM系统的抗多径衰落能力和覆盖能力[7]。

    可见OFDM技术的主要优点有：（1）有非常高的频谱利用率，这是因为OFDM各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠。（2）系统实现结构简单，由于OFDM技术可通过FFT技术实现。（3）使用循环前缀方式，抗干扰和抗多径衰落的能力强。

     不过也由于OFDM系统存在多个正交子载波，且其输出信号是多个子信道信号的叠加，所以，该系统易受到频率偏差的影响；存在较高的峰值平均功率比，这对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，若处理不当，会使系统性能恶化。

5.LTE的MIMO技术

天线在无线通信系统中处在最前端的信号处理位置。提高天线系统的性能与效率，能为通信系统的增益起到很大的改善。

    LTE系统的另一关键技术就是MIMO技术。MIMO技术的基本思想就是在收发端都用多天线单元，利用无线散射信道的空间特性，能够很好地提高系统信道容量以及频谱利用。具体来说，MIMO技术是将用户数据分解为若干个并行数据流，再分别在每根发射天线上进行同时刻、同频率的发射，而保持总功率不变。最后，由多元接收天线阵列按照各个并行数据流的空间特性，在接收机上进行识别，并用解调技术将其恢复成原来的数据流。

相比SISO系统来说MIMO系统最明显的技术特征就是带来信道容量的大幅度提高。在不提高发射功率的前提下，仅依靠增加天线个数，就能获得系统容量成倍的增加，这可能为将来系统容量的扩充提供无限的可用空间。

图2.4 不同天线数量时同分布瑞利衰落模型的容量曲线

可以看出，在瑞利衰落信道中随着天线数的增加，信道容量也在逐渐增加。在高信噪比的时候，N×N的MIMO信道容量大约是的l×1 SISO信道的N倍。

    在 LTE系统上行，采用SIMO来简化发射机电路和降低功率UE的功率消耗。结果表明，超过50 Mbps的峰值数据率的75Mbps的峰值数据率通过使用2天线分集接收的QAM和20 MHz带宽获得[8]。然而， LTE系统上行又想用MU-MIMO或空分多址（SDMA）的应用来提高容量，尽管不需要MU-MIMO技术就能满足要求。

LTE系统采用了同一框架的自适应MIMO传输，可以根据信道条件和实际需要自适应地在空间分集、空分复用、波束赋形、空间复用和单天线发送各种模式之间转换，得以最大限度地利用实际信道的容量[9]。相对于上行较为单一的MIMO技术，LTE下行则支持多种MIMO技术[10]，如图2.5所示。

图2.5 LTE支持的下行MIMO技术

(1)发射分集：是指通过使用多个发射天线，每个天线以不同的形式来发送同一信号，在接收端以某种加权方式来得到这一信号，以获得分集增益。使用这种方法的好处是把采用多根天线的难度放在了发射方，并且接收方可继续使用单根天线，而能够得到分集增益。此技术对于同一发射信号可以使得若干个移动设备得到发射增益，能支持点对多点的发射，适应了移动通信的发展。在LTE系统中，发射分集技术支持两根或四根反射天线以及一个数据流的形式[11]，其候选技术有空时编码，循环延时分集以及天线切换分集技术等。

    分集的目的是提高链路质量，并且可以通过改进链路预算，来增大小区覆盖。

(2)空间复用：是指通过在多个天线上并行发送若干个数据流，以提高链路容量，获得复用增益。此技术适用于弱相关性信道，而若在高相关性信道用空间复用技术，将导致较厉害的数据流间的干扰，使得系统性能降低。

在LTE系统的下行，MIMO复用用于增加携带用户数据的PDSCH的峰值数据速率。LTE系统下行的100 Mbps目标峰值数据速率用16QAM和一个20 MHz带宽的2x2MIMO空间复用而获得。采用2x2MIMO空间复用的信号检测功能，这是一个UE的基本功能。此外，峰值数据率大于300 Mbps的使用4x4MIMO空间复用。在MIMO复用中，预编码，这乘以特定流的执行指令波束成形自适应天线的重量，有利于改善收到信号干扰加噪声功率比（SINR）。预编码的理想发射天线预编码权重产生于协方差矩阵HHH的最大特征值的特征向量。然而，反馈估计通道状态信息（CSI）或生成一个预编码矩阵（PM），而不量化，是不现实的，因为可用控制信号位是有限的。因此，通讯预编码被采用于2x2（4x4）的MIMO技术的预先定义6（）申请者中挑选最佳PM，如图2.6所示[12]。在通讯预编码中挑选最佳PM，是为了总容量，即预编码好的传输流的吞吐量，得以最大化。在这种情况下，两种类型的预编码方案被采用：一个2到8带宽的RB的频选预编码或整个传输带宽的宽带预编码。自适应排名控制称为秩适应，根据接收到的信道条件，如SINR和空间相关性来用的。因此，UE反馈除了BS的CQI外的选定的PM指数和秩。然后，BS根据已有的信息，动态选择每个UE的PM和秩，如图2.7所示。在MIMO复用技术中，使用2个和4个发射天线最多用两个码字。

图2.6 基于预编码的MIMO复用码本

图2.7 自适应的秩控制

(3)波束赋形：即单天线端口模式，适合用在短距离的天线阵列。其主要原理是利用空间信道的强相关性及波的干涉原理通过在多个天线阵元的波干涉，使天线主波束对准期望用户，低增益旁瓣或零陷对准干扰信号，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的，且天线数目越多，其主波束窄，赋形越精确[13]。因为权值只要配合信道的慢变化，所以无需终端将信息反馈过来。波束赋形能够进行单路的数据传输之外，还能支持多路数据传输和空分多址技术。波束赋形模式可利用上、下行信道的对称性，按照天线阵列对应的上行接收信号或者信道估计来实现各用户的赋形权矢量计算。

6.资源调度机制

在无线资源调度算法中要注意一下几点：（1）无线信道的时变特性决定了无线资源调度算法的易变性，从而处理用户通信与时间和空间相关的变化。（2）不同的服务模型、业务类型及信道特性等决定了无线调度的公平性。（3）宽带无线网络对具有不同网络服务质量的需求的各种业务提供服务，因此无线调度的网络服务质量支持有业务模型来决定。（4）带宽对于无线网络来说是最重要的资源，所以希望无线调度算法能使错误链路上的无效传输最小化，有效服务传输和无线信道利用率最大化。（5）调度算法不能太复杂，使与调度相关的信令数目尽量少，从而让实时调度能快速执行。

目前主要采用的调度算法有最大载干比（Max C/I）调度算法、轮询（Round Robin）调度算法和比例公平（PF）调度算法。本文的仿真设计采用的是最大载干比调度算法与轮询调度算法。

6.1最大载干比调度算法

最大载干比调度算法的基本思想是对于所有等待服务的用户，根据其接收信号 C/I预测值进行排序，并按照从大到小的顺序进行发送。这种算法总是把最高优先级分配给C/I最好的用户。所以采用最大载干比调度算法可获得最大的系统吞吐量，所得的系统容量可以作为其他调度算法的上限，并且此算法的实现简单。

但是采用这种调度算法时，离基站近的用户由于其信道条件好，会一直接受服务，而对于处于小区边缘C/I较低的用户就得不到服务。从占有系统资源的角度看，这种调度算法是最不公平的。

6.2轮询调度算法

轮询调度算法的基本原理是每一次把来自用户的请求，轮流分配给内部中的服务器，从1开始，直到N(假设内部服务器有N个)，然后重新开始循环。轮询调度算法就是尽量保证能以相等的机会分配大小相同的资源块给系统中的每个用户，而不考虑获得最大的系统吞吐量。

这种算法保证了用户间的公平性，算法实现也简单。不过由于不考虑用户的具体无线信道的情况，系统的吞吐量可能很低。所以轮询调度算法被当成算法公平性的上限和算法性能的下限。

6.3比例公平调度算法

上述两种调度算法，一种为提高系统的总吞吐量而不顾用户的公平性，一种保证了用户间的公平性却牺牲了系统吞吐量。所以，为了兼顾系统吞吐量与用户间的公平性，提出了比例公平调度算法。

在多个用户的小区中，当用户连续通信时，该用户的获得服务的优先级就会降低，无法再获得服务。这就保证了信道质量好的用户不能一直独占资源，提高了用户间的公平性。另外，在任意时刻，同一个小区内的不同用户获得服务的概率是相等的。当用户获取服务时，它的快衰落状况是最好的。由于服务时机选择，用户只在快衰落情况较好的的时候获得服务，所以系统吞吐量得以提高。

不过，该算法的主要缺点是未考虑不同业务的网络服务质量要求，特别是延迟的要求。

第三章 基于LTE系统级仿真平台的设计

链路级的仿真适用于发展接收机结构[14]、编码方案或反馈策略，但不可能反映出如小区计划、调度或干扰等问题的效果。由于需要巨大的计算能力，在用户设备和基站之间仿真无线链路的全部，在执行系统级仿真中是不切实际的。因此，在系统级的仿真中，将物理层抽象成捕捉其高精度及低复杂的基本特点的简化模型。

图3.1描绘了LTE系统级仿真的原理方框图。它主要由链路测量模型和链路性能模型组成。

 基站部署

天线增益模型

 斜率/角度

                    图3.1 LTE系统级仿真的原理方框图

链路测试模型提取测量过的链路质量，用于链路自适应和资源配置。另一方面，链路性能模型决定链路块错误率（BLER）以降低复杂度。

作为品质因数，仿真器输出包括了吞吐量和错误率，它们的分布可以被计算出来。

在执行方面，仿真被定义在已定位好的基站和用户设备中的感兴趣区域（ROI)和传输时间间隔(TTI)里的仿真长度中执行。只有在这个区域中，能对下行链路共享信道(DLSCH)的用户设备（UE）的移动和传输进行仿真。仿真器的流程伪代码如下所示。

for each simulated TTI do

  move UEs

  if UE outside ROI then

     reallocate UE randomly in ROI

   for each eNodeB do

         receive UE feedback after a given feedback delay schedule users

       for each UE do

         1.channel state → link quality model→SINR

         2.SINR, MCS → link performance model → BLER

         3.send UE feedback

其中，“→”代表仿真器链路提取模型的数据流向。在使用MATLAB的执行中，维持伪代码中的分离结构，允许简单的增加新功能和算法。

                                               No 

                                     Yes

                         图3.2 LTE系统级仿真流程图

1.链路测量模型

为了提取测量的链路质量，如伪代码所示，信号干扰噪声比（SINR）被用来当做度量标准。特别是每个副载波后均衡复原标志SINR。

链路测量模型提取了链路自适应和资源配置的测量结果，旨在通过事先生成尽可能多的可能需要的参数来降低执行时间的计算复杂度。这就将大部分的计算负担转移给一个离线文件，预生成和储存结果在仿真时可用的追踪文件里。

为了说明呈现在无线移动电话系统中的信道的空间与时间相关性，采取了特殊处理。也就是说，链路质量模型分为三个部分：（1）宏路径衰落、（2）阴影衰落、（3）小规模衰落（SISO与MIMO），然后联合起来获得后均衡标志SINR公式。

1.1宏路径衰落

宏路径衰落在基站扇区与用户设备之间，用于基于距离和天线增益的传播路径衰落共建渠道。把宏路径衰落记为LM,bi,uj，bi指第i个发射机，0代表依附的基站（期望信号），1，...，Nint代表第Nint个干扰的基站，uj代表第j个用户设备，决定(x; y)的方位。

如路径衰落图所执行的，可以被马上计算出来，网络布局也可维持一致，再被利用。这个图指出仿真的感兴趣区域（ROI）中的每个点和每点(x; y）与每个发射机间的宏路径衰落。图3.3描绘了一幅生成的宏路径衰落图。从蓝色到红色路径衰落越来越大，即离发射基站越远，路径衰落就越大。

图3.3 宏路径衰落

（最小耦合损耗MCL:70dB,θ3dB=65º/15 dBi）

1.2阴影衰落

把阴影衰落记作LS,bi,uj，是由用户设备与基站之间的传播路径中的障碍物引起的。阴影衰落是典型的接均值为0dB,标准差为10dB的对数正态分布。

当仿真小规模衰落时，用一维的时间随机函数就可以满足，因为即使是很小的移动，数据也会有显著的变换，但这种方法不能较好的模拟出阴影衰落。由于阴影效应在很大的区域内存在，为了用一种可现实的方法来捕捉动态影响的宏单元多样性，用适当与空间相关的二维高斯过程是令人满意的。这种模型是一种低复杂度的方法，可以对高斯过程引入空间相关参数，同时保存它的统计特性，点间相关系数也被应用到。

图3.4描绘了一幅对于一个给定基站的空间相关的阴影衰弱图。由于阴影衰弱，一个用户设备通过感兴趣区域时会体验到缓慢变化的路径损耗LS,b0,u0，LS,b0,u0与LS,bi,u0一一相关对应，其中i=1，...，Nint。因此，要避免使用户设备在空间上靠近，而产生的不相关的阴影衰弱损失不的切实际的仿真方案。

图3.4 空间相关的阴影衰弱图

1.3信道模型

    当损耗由宏路径损耗引起，阴影衰弱是已定好位置且时不变的，小规模衰弱是按时间建模的。

对于每个模式化的MIMO传输方式（发射分集技术（TxD）和开环空分复用(OLSM)），一个基于迫零均衡的接收机被发明出来。这个版本建立了两传输天线的系统模型，但是，衍生的SINR表达式可以被简单的延伸到用四天线端口的LTE传输模型。基于这个导出的模型，生成了信道中的衰弱参数模拟时间与频率的变量。此外，这些衰弱参数考虑到系统级仿真的优先产生，能显著的降低运行时间和计算复杂度。

信道模型的目的是计算每层的信号干扰噪声比SINR。在LTE系统中，空间层这个术语用于由空分复用产生的不同数据流。一层因此可以被描述为一个映射到发射天线端口的符号。每层被鉴定为一定尺寸的（预编码）矢量，相当于发射天线端口的数量。

1.3.1 MIMO OLSM建模

LTE的开环空间复用多天线模型由一个在大循环延迟分集（CDD）下的空间复用(SM)预编码组成。基于LTE协议定义，大循环延迟分集按以下模式进行预编码：

其中，Nt指发射天线的个数，v指层数，W（i）是Nt*v阶的预编码矩阵，D（i）和 U 是支持最大循环分集的矩阵。

记F为W D U的矩阵积，H0为接收信号的信道，H1-Nint指第i个干扰基站的信号，代表估计的信道，则有：

其中，“+”指伪倒转，记A=，B=，Ci=，矩阵元素为，则记i层的接收标志为SINRi：

              SINRi=   （1）

其中，Pi指经过宏衰落与阴影衰落的i层接收功率，指接收机的噪声，假设是不相关的。假设均匀的功率分布Pl=Ptx/v，接着定义以下衰落参数：和，表示信道估计误差；，表示迫零接收机噪声放大；，表示干扰。则我们可将用户设备的SINRi，u表示为

                SINRi，u=     （2） 

其中，LM,bi,u，LS,bi,u表示在用户设备u与其依附的基站间的宏衰落路径损耗和阴影衰落路径损耗。

1.3.2MIMO TxD建模

LTE物理层协议规定，在二端口的情况下，采用下行发射分集，流的数目为1，层的数目为2[15]。二端口发射分集采用Alamouti原理，在时域和频域上对发射数据进行预编码。可表达为：

其中，h(0)和h(1)包含了从第一和第二根发射天线到NR根接收天线的信道系数。

与OLSM的例子相似，可得TxD模型的SINRi ：

           SINRi =

而SINRi，u的表达方式也与等式（2）一样（，，，）

1.3.3 SISO建模

对于SISO模型，一个给定子载波的SINR可以表示为：

                SINR= 

因此，只需要噪声和干扰的参数：和。

2.链路性能模型

链路性能模型决定接收机的块错误率，给定了确定的资源配置和调制编码方案(MCS)。对于LTE系统中，定义了15个不同的调制编码方案(MCS)，由15个信道质量指标CQI的值驱动。被确定的CQI用1/13到1的混合的4-QAM, 16-QAM和-QAM（正交幅度调制）来调制。CQI是用户设备根据下行参考信号测量得到的关于下行信道质量的指标，将其反馈给基站，基站根据CQI来完成对下行数据的调度。

为了估算接收到的传输模块（TB）的块错误率，画出一组链路级加性高斯白噪声性能曲线。信号干扰噪声比与模块错误率的映射需要一个有效的信号干扰噪声比的值yeff，从一组分配给用户传输模块的副载波的信号干扰噪声比到加性高斯白噪声信号干扰噪声比的映射获得。图3.5显示了链路性能模型的单天线AWGN BLER曲线。

基站在CQI的反馈基础上，采用各种调度算法分配时域与频域的资源，然后通过速率预测，来确定下行传输格式。根据接收到的ACK／NCK信令进行混合自动重传请求处理，来确定下行需要传输的数据。

在用户设备端，对于接收到的下行数据信号，基站先计算出频域上各载波的SINR，然后利用指数有效信号到干扰噪声比的映射即效信噪比映射（EESM）算法计算时域信号的等效SINR yeff，再加上各种非理想因素的影响后，通过链路级曲线确定BLER。从而得到分组的传输质量，产生ACK／NAK信令，反馈给基站。用户设备还需测量下行导频强度，将测量结果打包成CQI反馈给基站。

图3.5  单天线AWGN BLER曲线

（从左到右依次是CQI 1-CQI 15）

EESM是当前用来获取一个传输模块有效的SINR yeff的方法，可用于从加性高斯白噪声链路级仿真中映射获得的BLER。有效的SINR yeff是对几个资源块的SINR求非线性的平均值。

          yeff = EESM（yi，β）= -β·

其中，SINRi代表第i个子载波上的SINR，N代表传输的编码块中包含的总符号数，β是可调整或可优化的值，由MCS和编码块长度决定[16]。因此，在我们的信道追踪中，通过用每资源块的两个子载波的SINR获得yeff，减少了仿真需要的内存。

用AWGN BLER曲线，yeff被映射到BLER。给定的接收的传输模块是否准确被接收是通过抛硬币的方法来决定，随后生成确认报告。

关于链路性能模型，CQI反馈报告向基站提供了用户设备信道状况的品质因数。对于CQI反馈策略，SINR到CQI的映射由BLER曲线取BLER为0.1的点来实现，如图3.6所示。获得的CQIs随后用于获得报告给基站的整体CQI值。

图3.6 由BLER曲线取10%的点来实现的SINR到CQI的映射

第四章 LTE系统级仿真结果分析

1.仿真参数的设置

本设计采用的是三扇区定向站模式，每扇区随机分配20个用户。基站与用户设备位置如图4.1所示。

图4.1

2.天线模型

对于三扇区的天线模型，基站天线的相对天线增益表示为：

其中，min[]表示最小运算，为3dB波束宽度，Am为最大衰减。在本设计采用的是TS 36.942天线模型，其中为65º，Am为20dB。如图4.2所示。

基站天线指向定义为天线的主瓣方向与正东方的夹角，指向角按顺时针方向增加。由图4.2可以看出增益最大值为0dB，在偏离一定角度后，最小值为-20dB。

对于全向天线模型，如图4.3所示。由于天线是全向的，所以在360º内，天线增益都是相同的。

图4.2  TS 36.942天线模型基站天线方向图

图4.3 全向天线模型基站天线方向图

3.宏路径损耗的应用模型

宏路径损耗的应用模型有城市宏小区模型、郊区宏小区模型、自由空间模型等。在实际传播中，由于空间距离，会产生路径损耗，城市宏小区的路径损耗公式为：

          L=40*(1-0.004H)* -18*+21*+80dB   （公式1）

其中，R代表基站与用户设备之间的距离，H表示基站天线离屋顶的高度，f表示载波频率。

郊区宏小区的路径损耗公式为：

L=69.55+26.16*-13.82*+[44.9-6.55*]*

   -4.78*()2+18.33*-40.94dB                    （公式2）  

其中，Hb为基站天线离地面的高度。

自由空间损耗公式为：

      L=20+20+32.4dB                       （公式3）

其中，D为距离。

路径损耗总是随着距离的增加而变大。距离相同时，城市宏小区模型的路径损耗最大，这是由于在城市里的建筑物、障碍物较多；然后是郊区宏小区模型，而自由空间模型的路径损耗最小，自由空间模型是一种较理想的状态，一般用来做仿真测试。本设计使用的是城市宏小区模型。

本仿真设计采用的是城市宏小区模型，取基站天线离屋顶的高度H为15m，载频f取2GHz，带入公式1，得

           L=128.1+37.6

其他条件相同时，对于不同的最小耦合损耗的宏路径损耗不同。如图4.4~图4.6所示。

图4.4 最小耦合损耗为70dB的宏路径损耗的应用模型

图4.5 最小耦合损耗为90dB的宏路径损耗的应用模型

图4.6 最小耦合损耗为100dB的宏路径损耗的应用模型

对比以上三幅图可见：最小耦合损耗与模型的最小路径损耗相等，且最小耦合损耗越大时，路径损耗随距离的变化越不明显。

其他条件相同时，对于不同的载频对应的的宏路径损耗也不同。

图4.7 载频为20GHz的宏路径损耗的应用模型

图4.8 载频为2GHz的宏路径损耗的应用模型

图4.9 载频为1.3GHz的宏路径损耗的应用模型

由以上三图可以看出：载频越大，路径损耗随距离的变化就越明显。

4.阴影衰落对宏路径衰落的影响

上文提到宏路径衰落主要是由传播距离引起的，而阴影衰落则是在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生的阴影效应而形成的损耗。

图4.10为感兴趣区域中最大SINR的单天线宏衰落示意图，离基站越近的地方，用户设备接收到的信号就越强。图4.11是加了阴影衰落之后的最大SINR的单天线宏衰落示意图。对比两图可以看出，阴影衰落对于传输性能的影响是很大的。

         图4.10                                图4.11

  图4.12 目标扇区的SINR累积分布函数

由图4.12所示，当SINR小于5dB时，有阴影衰落的SINR累积分布函数较大；而大于5dB时，有阴影衰落的SINR累积分布函数较小，表明只有宏衰落的SINR较大，即只有宏衰落情况下的传输性能比较好。也可得出阴影衰落对对通信质量有一定的影响。

图4.13

    图4.13为小区和扇区的分配图。指的是当用户设备在某个颜色的区域内，它就接收这个颜色区域内的基站发射的信息。这是由于在此基站对应的区域内，该用户设备的接收功率比起接收其他基站的功率来的更大。而用户设备的接收功率等于基站的发射功率减去干扰。

5.调度算法的比较

在仿真中比较了最大载干比调度算法和轮询调度算法。

由图4.14可以看出，在相同的信道模型的情况下，采用最大载干比调度算法的小区吞吐量比采用轮询调度算法大得多。这反应了最大载干比调度算法总是把最高优先级分配给C/I最好的用户，以获得最大的系统吞吐量，而轮询调度算法不考虑信道质量，对每个用户分配相同的调度机会，所以其小区吞吐量较低。

如图4.15所示，在相同的信道模型的情况下，采用轮询调度算法的用户吞吐量明显优于采用最大载干比调度算法的小区吞吐量。这是由于轮询调度算法的公平性造成的。

图4.14 小区吞吐量的累积分布函数

图4.15 用户设备吞吐量的累积分布函数

第五章 总结

在现今的信息化时代，人们对信息的丰富性、及时性和获取便利性的要求越来越高。对于人们的高要求，3G技术已经无法让人满足。在这种需求的推动下，国际标准化组织3GPP推出了一种可填补3G移动通信系统和4G移动通信系统之间存在的巨大技术差距的新技术，它就是LTE技术。

本文针对3GPP对系统级仿真的要求，提出系统级仿真框架和流程，并应用系统级仿真中不同仿真模型，结合MATLAB软件，建立LTE系统级仿真平台。

    本文的第一章绪论，介绍了LTE的研究背景、演进目标，包括频谱带宽的配置、数据率和频谱利用率、低时延、小区边缘传输速率、分组交换与QoS保证、多媒体广播和多播业务和兼容性。并简要地描述了本文的组织架构。

第二章，主要介绍了LTE的网络结构、协议架构、链路预算和其关键技术即OFDM技术和MIMO技术，分别描述了它们在LTE系统上、下行的应用。还介绍了资源调度机制，主要包括调度算法有最大载干比（Max C/I）调度算法、轮询（Round Robin）调度算法和比例公平（PF）调度算法。本文的仿真设计采用的是最大载干比调度算法与轮询调度算法。

    第三章，介绍了基于LTE系统级仿真平台设计。本文的LTE系统级仿真主要由链路测量模型和链路性能模型组成。在链路测量模型中介绍了宏路径衰落、阴影衰落及三种信道模型。在链路性能模型中，描述了链路性能模型的单天线AWGN BLER曲线，介绍了信道质量指标CQI的作用。

第4章，LTE系统级仿真结果分析。主要分析了天线模型；各种宏路径损耗的应用模型及最小耦合损耗和载频对它们的影响；阴影衰落对宏路径衰落有一定的影响；在相同的信道模型的情况下，采用最大载干比调度算法与采用轮询调度算法所产生的用户吞吐量或小区吞吐量差异很大。

最后，就是以上对本文的总结。

参考文献

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