CN101335967B - 一种无线通讯系统中系统仿真的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种无线通讯系统中系统仿真的方法及装置，包括，获得小区内移动设备的相关参数，在特定条件下，得到瑞利衰落的长度，获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，其中，T_limit为相关时间门限，取值为大于系统仿真需要模拟最小用户速度对应的瑞利衰落相关时间值；在系统仿真过程中，分别为小区内每个移动设备的每条激活链路的每个快衰落径，在瑞利衰落的最小时间粒度间隔地读取相应的所述快衰落数据，最终完成整个系统的仿真，其中，读取的时间间隔大于T_limit。应用本发明，在计算机硬件资源受限情况下，需要按最小时间粒度计算瑞利衰落的无线通讯系统仿真，可很大的提高仿真时间效率，缩短开发周期，从而节约开发成本。

Description

一种无线通讯系统中系统仿真的方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通讯系统，尤其涉及一种在计算机硬件资源受限情况下的系统仿真的方法及装置。

背景技术

系统仿真，通过计算机对系统建模，可以优化系统参数，缩短开发周期，节省大量开发资金，因此被广泛的应用到产品开发领域，以宽带码分多址接入(WCDMA)系统为例进行说明。

一般无线通讯系统的传播环境很恶劣，基本属于大地平面传播，因为移动设备(MS)天线很低，信号波长远小于建筑物，尤其在城市基本没有直射波信号，而由反射信号合成，所以信号经历严重的快衰落。

如图1所示，快衰落是叠加在慢衰落信号上的，这个衰落速度变化很快，除与地形地物有关，还与MS的速度和信号波长有关，并且幅度最高可达几十个dB，信号变化呈瑞利分布，因此也可称为瑞利衰落。在计算机仿真中，快衰落有不同实现方法，比如采用多个(常用10个以上)正弦波叠加来模拟一个瑞利衰落径。由于其变化速度快，在系统仿真中需要被高频率计算。比如在WCDMA系统中，10ms帧包含15个时隙，每个时隙都要计算一个新的瑞利衰落值，即每分钟要为每个MS每条瑞利径计算90000次，在MS以120km/h运动速度条件下，每时刻每个MS存在至少4条这样的瑞利径。在小规模网络仿真中还可以接受，但当网络规模扩大，MS增多，各种算法不断增加后，硬件CPU资源逐渐耗尽，仿真周期被不断拖长，很多时候甚至是无法接受的。因此必须优化其计算效率，减少由于硬件资源受限带来的时间消耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线通讯系统中系统仿真的方法及装置，解决了由于计算机硬件瓶颈，通过计算机计算模拟瑞利衰落径现有方法效率很低的问题，应用本发明，可以很好的提高计算效率，减少开发时间，从而节约开发成本。

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线通讯系统中系统仿真的方法，包括，

a、获得小区内移动设备用户数MS_num，每个移动设备最多可同时激活的链路条数Link_num，移动设备在不同的移动速度下每条链路所需要的快衰落径的条数FastLoss_num，以及获得仿真总时间长度T；同时设置门限T_threshold，其中，T_threshold是开关判别的时间门限；

b、如果MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘大于T_threshold，则根据MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘后除以T_limit，得到瑞利衰落的长度，获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，其中，T_limit为相关时间门限，取值为大于系统仿真需要模拟最小用户速度对应的瑞利衰落相关时间值；

c、在系统仿真过程中，分别为小区内每个移动设备的每条激活链路的每个快衰落径，在瑞利衰落的最小时间粒度间隔地读取相应的所述快衰落数据，最终完成整个系统的仿真，其中，读取的时间间隔大于T_limit。

进一步地，上述方法还可包括，所述步骤b中获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，具体为：采用多个正弦波叠加进行计算得到该快衰落数据。

进一步地，上述方法还可包括，如果仿真系统中移动设备不具备软切换能力，即不能同时建立多条无线链路时，则Link_num取值为1。

进一步地，上述方法还可包括，所述T_threshold根据计算机硬件条件、仿真时间周期进行设置。

进一步地，上述方法还可包括，所述无线通讯系统包括宽带码分多址接入系统。

本发明还提供了一种无线通讯系统中系统仿真的装置，包括，

快衰落计算因数模块、快衰落数据运算模块、读取数据模块，其中，

快衰落计算因数模块，用于获得小区内移动设备用户数MS_num，每个移动设备最多可同时激活的链路条数Link_num，移动设备在不同的移动速度下每条链路所需要的快衰落径的条数FastLoss_num，以及获得仿真总时间长度T，同时设置门限T_threshold和T_limit后，将获得的数据传送给快衰落数据运算模块，其中，T_threshold是开关判别的时间门限，T_limit为相关时间门限，取值为大于系统仿真需要模拟最小用户速度对应的瑞利衰落相关时间值；

快衰落数据运算模块，用于当MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘大于T_threshold时，根据接收的数据，将MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘后除以T_limit，得到瑞利衰落的长度，获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，并进行存储；

读取数据模块，用于在系统仿真过程中，分别为小区内每个移动设备的每条激活链路的每个快衰落径，在瑞利衰落的最小时间粒度间隔地读取快衰落数据运算模块中相应的所述快衰落数据，其中，读取的时间间隔大于T_limit。

进一步地，上述装置还可包括，所述快衰落数据运算模块，获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据具体为：通过采用多个正弦波叠加进行计算得到快衰落数据。

进一步地，上述装置还可包括，当仿真系统中移动设备不具备软切换能力，即不能同时建立多条无线链路时，所述快衰落计算因数模块获得Link_num的取值为1。

进一步地，上述装置还可包括，所述快衰落计算因数模块设置T_threshold，是指根据计算机硬件条件、仿真时间周期对T_threshold进行设置。

进一步地，上述装置还可包括，所述无线通讯系统包括宽带码分多址接入系统。

与现有技术相比，应用本发明，在计算机硬件资源受限的情况下，需要按最小时间粒度计算瑞利衰落的无线通讯系统仿真，可以很大的提高仿真时间效率，缩短开发周期，从而节约开发成本。

附图说明

图1是无线电信号快衰落和慢衰落的示意图；

图2是本发明的无线通讯系统中系统仿真的方法的流程图

图3是本发明的快衰落数据读取方法的示意图；

图4是本发明的无线通讯系统中系统仿真的装置的结构示意图；

图5是本发明具体实例中系统仿真效率优化方法流程图；

图6是采用本发明方法的优化前后仿真时间对比的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

在无线通讯系统仿真研究中发现，瑞利信号包络相关时间为，

t＝9/(16*π*fm)

其中，fm为最大多普勒频偏，由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频偏，它与信号源与信号接收端的相对运动速度成正比，由于WCDMA系统中基站固定，因此这里的相对速度就是MS的运动速度。

多普勒频移Δf由下式给出：

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\υ}}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\θ}$

式中θ为接收信号的到达角；

υ为MS运动速度；

λ为载波波长。

fm为θ＝π/2时的Δf取值。

由此可以得到，频率在2GHz载频附近时，瑞利信号包络相关时间与MS速度对应关系为：

当MS的速度为3km/h，瑞利信号包络相关时间是30ms；

当MS的速度为30km/h，瑞利信号包络相关时间是3ms；

当MS的速度为30m/s，瑞利信号包络相关时间应该是0.9ms；

当MS的速度为120km/h，瑞利信号包络相关时间是0.8ms；

从上可以看出，任意两个时间点的瑞利衰落数据，只要在时间上间隔大于上述瑞利信号包络相关时间，就不再具有相关性。这就使得多个MS或同一个MS的不同无线链路的不同瑞利径使用一条瑞利径的数据成为可能，从而大量减少运算时间。

即可以预先将一段足够长的单条瑞利径衰落数据进行计算并保存下来，在进行系统仿真时，为不同瑞利径按时间增序在该数据序列读取数据，作为本瑞利径数据，同时保证任意时刻，为不同瑞利径读取数据时间点间隔不得小于上述瑞利信号包络相关时间，否则将破坏系统仿真中不同瑞利径的非相关性及系统仿真的采样随机性。

通过上面的计算，MS移动速度越小，不同径的瑞利衰落表现出来的瑞利信号包络相关时间越长。因此为简化本方法，可在同一瑞利衰落记录数据读取点间隔不低于T_limit，其中T_limit为瑞利信号包络相关时间门限，应该大于上述系统仿真需要模拟最小用户速度对应的瑞利衰落相关时间。

如图2所示，一种无线通讯系统中系统仿真的方法，可以提高系统仿真的效率，包括以下步骤，

步骤100、根据仿真需要，获得小区内移动设备用户数MS_num，每个MS最多可以同时激活的链路条数Link_num，MS在不同的移动速度下每条链路所需要的快衰落径的条数FastLoss_num，以及获得仿真总时间长度T；同时设置门限T_threshold；

其中，T可以根据仿真目的需求人为设定，如需要验证功率控制算法时，可以设T＝1分钟。

其中，如果仿真系统中MS不具备软切换能力，即不能同时建立多条无线链路时，则Link_num取值为1。

其中，MS_num、Link_num、FastLoss_num称为快衰落计算因数。

其中，T_threshold是开关判别的时间门限，可由仿真人员根据计算机硬件条件、仿真时间周期等进行设置。

步骤200、判断MS_num×Link_num×FastLoss_num×T是否大于T_threshold，如果是，则执行下一步；否则，结束。

步骤300、根据MS_num×Link_num×FastLoss_num×T/T_limit，得到瑞利衰落的长度，按照传统方法获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，并进行存储；如图3所示，在系统仿真过程中，分别为小区内每个MS的每条激活链路的每个快衰落径，在瑞利衰落的最小时间粒度，间隔读取相应的所述快衰落数据，最终完成整个系统的仿真，其中，读取的时间间隔应该大于T_limit。

其中T_limit相关时间门限，可为大于上述系统仿真需要模拟最小用户速度对应的瑞利衰落相关时间任意值。

其中，获得该瑞利衰落的长度内的所有的快衰落数据，可采用多个(常用10个以上)正弦波叠加进行计算得到快衰落数据，当然本发明也不仅限于此。

图4描述了一种无线通讯系统中系统仿真的装置，包括，快衰落计算因数模块、快衰落数据运算模块、读取数据模块，其中，

快衰落计算因数模块，用于获得小区内移动设备用户数MS_num，每个MS最多可同时激活的链路条数Link_num，MS在不同的移动速度下每条链路所需要的快衰落径的条数FastLoss_num，以及获得仿真总时间长度T，同时设置门限T_threshold和T_limit后，将获得的数据传送给快衰落数据运算模块，其中，T_threshold是开关判别的时间门限，T_limit为相关时间门限，取值为大于系统仿真需要模拟最小用户速度对应的瑞利衰落相关时间值；

快衰落数据运算模块，用于当MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘大于T_threshold时，根据接收的数据，将MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘后除以T_limit，得到瑞利衰落的长度，获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，并进行存储；

读取数据模块，用于在系统仿真过程中，分别为小区内每个MS的每条激活链路的每个快衰落径，在瑞利衰落的最小时间粒度，间隔读取快衰落数据运算模块中相应的所述快衰落数据，其中，读取的时间间隔应该大于T_limit。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

在无线通讯系统的系统仿真中，采用本发明的瑞利衰落产生方法，提高了系统仿真效率，如图5所示，包括以下步骤，

步骤210、获得快衰落计算因数MS_num和Link_num，获得快衰落计算因数FastLoss_num，并设置T_limit和获得需要仿真总时间长度T，同时设置门限T_threshold；

步骤220、判断MS_num×Link_num×FastLoss_num×T是否大于T_threshold，如果是，则执行步骤230；否则，退出；

步骤230、根据MS_num×Link_num×FastLoss_num×T/T_limit，得到瑞利衰落的长度，获得该瑞利衰落的长度内的所有的快衰落数据，并存储到数据文件File，执行步骤250；

步骤240、在系统仿真开始后，判断系统仿真循环中，是否到达需要更新MS的快衰落时间，如果是，则步骤250；否则，执行步骤260；

步骤250、读取数据文件File，更新MS快衰落数据，其中，任意两条不同瑞利径读取数据的时间点间隔大于T_limit；

步骤260、执行系统仿真的其他步骤，返回步骤240。

其中，执行系统仿真的其他步骤可以是任意情况，下面是以“WCDMA的高速上行分组接入(HSUPA)上行外环功控参数优化仿真”为目所执行的步骤，包括：

步骤2601、根据快衰落计算移动设备MS与基站设备(Node B)间的路损PL；

步骤2602、根据PL，及MS发射功率计算Node B处的接收功率及接收SIR；

步骤2603、根据接收SIR进行上行外环功率控制，返回步骤240。

下面是根据本发明提出的方法，通过系统仿真验证其结果的正确性以及时间效率优化效果。

本结果是在WCDMA的高速上行分组接入(HSUPA)上行外环功控参数优化仿真中得到的。

表一：仿真参数设置

项目	数值	快衰落计算因数
			NodeB个数	3
扇区类型	3扇区
			每小区用户数	4	4
MS最大激活集	3	3
			MS移动速度	120km/h	4
仿真周期	12000无线帧
			仿真时间长度	10ms*12000＝120s	120
外环工控功率偏移	3dB
			使用载频频点	1
无线衰落模型	Hata

在系统仿真过程中，分别产生每小区的每个频点的瑞利衰落数据，因此每个小区所需要的瑞利衰落长度为4*3*4*120/30＝192s，即192000个无线帧。

表二：仿真结果

	当前瑞利衰落产生方法	采用本发明优化后瑞利衰落产生方法
			小区吞吐均值kbps	54.53373	54.56241
MS吞吐均值kbps	12.32778	12.32633
			平均用户BLER	0.4330	0.4398
小区平均热噪抬升(dB)	1.97	1.98
			仿真时间(秒)	2816.5	761.7182

如图6所示，通过采用本发明的瑞利衰落产生方法，进行使用前后仿真结果对比，可以看出，在使用同样的计算机硬件情况下，系统仿真性能几乎没有影响，但仿真时间明显缩短。

以上说明仅以WCDMA系统仿真为例，但不仅限于WCDMA，而是适用所有需要对无线衰落信道建模的移动通信系统仿真。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无线通讯系统中系统仿真的方法，其特征在于，包括，

a、获得小区内移动设备用户数MS_num，每个移动设备最多可同时激活的链路条数Link_num，移动设备在不同的移动速度下每条链路所需要的快衰落径的条数FastLoss_num，以及获得仿真总时间长度T；同时设置门限T_threshold，其中，T_threshold是开关判别的时间门限；

b、如果MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘大于T_threshold，则根据MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘后除以T_limit，得到瑞利衰落的长度，采用多个正弦波叠加计算得到该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，其中，T_limit为相关时间门限，取值为大于系统仿真需要模拟最小用户速度对应的瑞利衰落相关时间值；

c、在系统仿真过程中，分别为小区内每个移动设备的每条激活链路的每个快衰落径，在瑞利衰落的最小时间粒度间隔地读取相应的所述快衰落数据，最终完成整个系统的仿真，其中，读取的时间间隔大于T_limit。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤b中获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，具体为：采用多个正弦波叠加进行计算得到该快衰落数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

如果仿真系统中移动设备不具备软切换能力，即不能同时建立多条无线链路时，则Link_num取值为1。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述T_threshold根据计算机硬件条件、仿真时间周期进行设置。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述无线通讯系统包括宽带码分多址接入系统。

6.一种无线通讯系统中系统仿真的装置，其特征在于，包括，

快衰落计算因数模块、快衰落数据运算模块、读取数据模块，其中，

快衰落计算因数模块，用于获得小区内移动设备用户数MS_num，每个移动设备最多可同时激活的链路条数Link_num，移动设备在不同的移动速度下每条链路所需要的快衰落径的条数FastLoss_num，以及获得仿真总时间长度T，同时设置门限T_threshold和T_limit后，将获得的数据传送给快衰落数据运算模块，其中，T_threshold是开关判别的时间门限，T_limit为相关时间门限，取值为大于系统仿真需要模拟最小用户速度对应的瑞利衰落相关时间值；

快衰落数据运算模块，用于当MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘大于T_threshold时，根据接收的数据，将MS_num、Link_num、FastLoss_num和T相乘后除以T_limit，得到瑞利衰落的长度，采用多个正弦波叠加计算得到该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据，并进行存储；

读取数据模块，用于在系统仿真过程中，分别为小区内每个移动设备的每条激活链路的每个快衰落径，在瑞利衰落的最小时间粒度间隔地读取快衰落数据运算模块中相应的所述快衰落数据，其中，读取的时间间隔大于T_limit。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述快衰落数据运算模块，获得该瑞利衰落的长度内的所述小区所有的快衰落数据具体为：通过采用多个正弦波叠加进行计算得到快衰落数据。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

当仿真系统中移动设备不具备软切换能力，即不能同时建立多条无线链路时，所述快衰落计算因数模块获得Link_num的取值为1。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述快衰落计算因数模块设置T_threshold，是指根据计算机硬件条件、仿真时间周期对T_threshold进行设置。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述无线通讯系统包括宽带码分多址接入系统。

Images