CN104602254B - 一种用于lte系统的分布式并行化系统级仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法，通过显式指定eNB、UE间的连接，并在每个节点独立维护该节点的无线信道，实现了LTE系统的分布式并行化仿真，为LTE系统大规模高复杂度的网络仿真提供了可能；将地理位置相同或相近的eNB及其所服务的UE划分到相同的LP，以最大程度降低仿真同步开销，有效提升分布式并行化仿真速度，可与底层的通用通信接口(如MPI)结合，实现服务器集群的分布式仿真。

Description

一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法

技术领域

本发明涉及一种仿真方法，具体是一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法。

背景技术

随着个人数据业务的急剧膨胀，移动通信系统容量面临巨大的挑战。以构建高吞吐率低延迟的新一代移动通信系统为目标，3GPP LTE以其成熟的技术路线和巨大的商用潜力获得各大通信设备商和运营商的广泛支持。为更高效、精确地评估LTE系统性能、优化系统方案及算法设计，系统级仿真逐渐成为科研人员普遍采用的关键评估手段。近年来LTE系统仿真器呈现多样化的趋势，无论是NS-2、NS-3、OMNeT++等开源网络仿真平台还是各大设备商、运营商、科研院校及其他研究机构，都基于各自的研究目标开发了各类LTE仿真器。然而这些仿真器大都只能单线程运行，仿真效率低下，无法满足日益增长的系统性能评估需求所带来的越来越庞大的仿真运算开销。因此，将仿真平台的并行化势在必行。

尽管现有的部分仿真平台可以支持并行化仿真，但有些只能支持多线程并行，而无法支持分布式的多机并行，而另一些则只提供了并行化处理平台，可以处理有线网络的并行仿真，但是对无线通信系统特别是LTE系统的分布式并行仿真支持还相当欠缺。OMNeT++/INET Framework：OMNeT++是一个离散事件网络仿真平台，主要用于通信网络的仿真。OMNeT++提供了一套消息传递机制，使得所有模块之间的通信都可以通过消息传递进行，同时其底层也提供了MPI接口以实现分布式仿真。OMNeT++本身只是一个仿真环境，为了便于在OMNeT++上进行各类协议仿真，INET Framework提供了基本的有线和无线的协议模块。INET对无线网络的一般性建模包括多个节点以及一个全局的ChannelControl模块，如图1所示。该网络定义中并未给出显式的连接，各个节点在初始化时先将各自的Radio子模块注册到全局模块ChannelControl中，节点间的数据包发送通过ChannelControl进行分发，实现了数据包的广播。

INET Framework对无线系统的建模并未考虑到分布式仿真问题，其技术缺点在于仿真中存在全局的ChannelControl模块，数据包的发送并非通过纯粹的消息传递进行，而是涉及到了函数接口的直接调用。如果将各个节点分配到不同的LP上做并行处理，则其中只会有一个LP存在该全局模块，而其他LP都会因为在函数调用过程中无法获得全局模块而中止仿真。也就是说，OMNeT++环境下的INET Framework框架无法为LTE系统的分布式仿真提供必要的结构性支持。

系统级仿真是研究人员评估LTE系统性能的重要手段。近年LTE系统研究的场景越来越庞大，例如由数十个基站和成百上千个终端构成的复杂网络。而LTE系统仿真器对各个模块建模细节都有很高的要求，无论是小尺度信道计算、物理层链路预测、多天线处理还是调度算法都需要消耗大量的运算。如此巨大的运算量用单线程仿真几乎无法完成，只有采用多线程甚至分布式多机并行的方式才能够满足日益增长的仿真运算量的需求。目前能够支持LTE系统仿真的仿真平台大都只能支持单线程，部分支持单机多线程，但都无法提供完善的分布式多机并行仿真方案。

一般而言，分布式仿真能够实现的关键在于整个仿真流程中所有的模块间都必须通过消息传递机制进行通信，不能出现模块间的直接函数调用(除非这些模块在仿真分区时被配置到相同的处理单元中)。也就是说，一旦仿真建模出现全局模块，其分布式处理就不可能实现。对于采用有线连接的通信网络仿真，其数据包的发送都是点对点进行，可在仿真建模时避免设计全局模块从而较为方便的进行分布式仿真，而无线通信系统具有天然的广播特性，多数仿真平台都通过一个全局的信道控制模块来维护信道并进行数据包广播，从而制约了其分布式并行仿真的可行性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法，可避免出现全局的仿真模块，从而便于将所有节点分配到多个服务器上并行处理，成倍的节省仿真时间，为大规模高复杂度的LTE系统仿真提供了可能。本发明可与底层的通用通信接口(如MPI)结合，实现服务器集群的分布式仿真。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法，包括如下步骤：

S1、定义网络拓扑，将网络中的每个eNB通过一个GateInterface的中间层与所有UE显式的连接在一起，建立双向连接，从eNB到UE的连接用于传递下行数据包以及控制、调度等信息，从UE到eNB的连接用于传递上行数据包以及各种测量反馈信息；

S2、将网络中的所有节点分配到不同的LP，把位置相同或相近的eNB及其所服务的UE划分到相同的LP；

S3、进行节点初始化，包括参数读入、位置归属选择、信道生成等工作；

S4、初始化结束后，即可开始在各个节点的应用层生成数据包驱动仿真进行。

其中，所述步骤S3中的位置归属具体为当UE位置和大尺度信道由配置文件导入时，只需预先计算好UE的归属，即可将其与归属的eNB划分到相同的LP中，当UE地理位置需要随机生成的情况时，需预先设定UE的归属并重复撒点确定UE位置，直至该位置的eNB归属与预设一致为止。

其中，所述步骤S3中信道生成步骤为：在初始化确定UE位置后，UE向所有eNB发送信道计算请求，eNB将自己的位置、天线配置、发送功率等信息发送给UE，UE根据这些信息依次完成大尺度、小尺度信道的计算

本发明具有以下有益效果：

通过显式指定eNB、UE间的连接，并在每个节点独立维护该节点的无线信道，实现了LTE系统的分布式并行化仿真，为LTE系统大规模高复杂度的网络仿真提供了可能；将地理位置相同或相近的eNB及其所服务的UE划分到相同的LP，以最大程度降低仿真同步开销，有效提升分布式并行化仿真速度。

附图说明

图1为传统技术中OMNeT++/INET Framework的无线网络仿真结构。

图2为本发明实施例LTE系统分布式并行化仿真配置流程。

图3为本发明实施例中m个eNB与n个UE的连接示意图。

图4为本发明实施例中eNB模块中的门实现示意图。

图5为本发明实施例中UE模块中的门实现示意图。

图6为本发明实施例中LTE分布式仿真中小区划分到LP的情形示意图。

图7为本发明实施例中UE与eNB的下行信道计算交互过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法，包括如下步骤：

在仿真开始前，用户通过配置文件或其他预定义的方式，创建eNB与UE之间显式的双向连接；同时也通过配置文件或其他预定义的方式，将网络中的所有节点(eNB和UE)静态的分配到不同的LP，该过程称为分区。每个LP就是一个处理单元，不同的LP可以位于相同的服务器，也可以是在不同的服务器。接着在各个LP上创建其分配到的网络节点(包括eNB和UE)，进行节点初始化，包括参数读入、位置归属选择、信道生成等工作。在这些并行化的准备结束之后，即可开始在各个节点的应用层生成数据包驱动仿真进行。该配置流程如图2所示。

在网络拓扑的定义中，将网络中的每个eNB与所有UE显式的连接在一起，该连接是一个双向连接，从eNB到UE的连接用于传递下行数据包以及控制、调度等信息，从UE到eNB的连接用于传递上行数据包以及各种测量反馈信息，该连接方法见图3所示。

模块与模块之间的连接是通过门(Gate)来实现的。eNB和UE的内部通过一个GateInterface的中间层实现了一对多/多对一的连接，如图4和图5所示，其中m和n分别表示eNB和UE的数量。其具体实现过程为：当eNB或UE发送消息时，PHY(物理层)将该消息直接发送给GateInterface，而GateInterface负责将该消息复制后分发到n个或m个Gate，最终发送到n个UE或m个eNB的输入端；当eNB或UE接收消息时，GateInterface直接将某一个输入门收到的消息转发给PHY，由PHY判断该消息的来源与类型并做进一步处理。

eNB与UE间的连接确定后，所有的节点将按照预设的配置分配到不同的LP准备进行各自的仿真，该过程称为分区。LP内部的消息传递是即时的，而LP之间的消息传递则会有一定的延迟，从而带来仿真同步的开销。考虑到该问题，将网络中的所有节点分区时，把位置相同或相近的eNB及其所服务的UE划分到相同的LP，减小LP间的仿真同步开销，以最大程度节省仿真时间。以图6中的仿真拓扑为例，每个六边形蜂窝的中心对应着3个eNB，则将其与其服务的所有UE都划分到同一LP。

然而分区是仿真前就配置完成，而UE归属则可能需要在仿真初始化时才能确定。因此根据UE归属是否可以预设来区分，分区方法在实现时有以下两种实施方案：

(1)UE位置和大尺度信道由配置文件导入：这种情况下只需预先计算好UE的归属，即可将其与归属的eNB划分到相同的LP中；

(2)UE位置和大尺度信道由仿真器动态生成：这种情况下，不预先配置UE位置，只是将UE依次编号为0，1，2，…，n-1，UE按编号划分到各个eNB中。设每个eNB服务的UE数为k，则第i个eNB将与编号为k*i，k*i+1，…，k*(i+1)的UE划分到同一LP。在UE创建后的初始化过程中，UE的初始位置在以其所预设的服务eNB为圆心，以d为半径的范围内随机生成，d一般设定为小区半径的2倍。初始位置生成后，计算其与所有eNB的大尺度信道以确定当前归属的服务eNB，若该eNB与预设的eNB相同，则将该位置作为其仿真时的地理位置，否则重新随机生成地理位置，直到其计算得到的服务eNB与预设相同为止。

本发明将无线信道的管理功能分配到各个节点自行处理，从而使得分布式仿真成为可能。仿真中，每个UE都维护其与所有eNB连接的下行信道，而每个eNB都维护其与所有UE连接的上行信道，这种设定与实际情况一致。以UE维护的下行信道生成为例，在初始化确定UE位置后，UE向所有eNB发送信道计算请求，eNB将自己的位置、天线配置、发送功率等信息发送给UE，UE根据这些信息依次计算其大尺度和小尺度信道参数，以备仿真时的信道调用。UE和eNB的交互过程如图7所示。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、定义网络拓扑，将网络中的每个eNB通过一个GateInterface的中间层与所有UE显式的连接在一起，建立双向连接，从eNB到UE的连接用于传递下行数据包以及控制、调度信息，从UE到eNB的连接用于传递上行数据包以及各种测量反馈信息；具体实现过程为：当eNB或UE发送消息时，PHY物理层将该消息直接发送给GateInterface，而GateInterface负责将该消息复制后分发到n个或m个Gate，最终发送到n个UE或m个eNB的输入端；当eNB或UE接收消息时，GateInterface直接将某一个输入门收到的消息转发给PHY，由PHY判断该消息的来源与类型并做进一步处理；

S2、将网络中的所有节点分配到不同的LP，把位置相同或相近的eNB及其所服务的UE划分到相同的LP；每个LP就是一个处理单元，不同的LP可以位于相同的服务器，也可以是在不同的服务器；

S3、进行节点初始化，包括参数读入、位置归属选择、信道生成工作；

S4、初始化结束后，即可开始在各个节点的应用层生成数据包驱动仿真进行。

2.根据权利要求1所述的一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中的位置归属具体为当UE位置和大尺度信道由配置文件导入时，只需预先计算好UE的归属，即可将其与归属的eNB划分到相同的LP中，当UE地理位置需要随机生成的情况时，需预先设定UE的归属并重复撒点确定UE位置，直至该位置的eNB归属与预设一致为止。

3.根据权利要求1所述的一种用于LTE系统的分布式并行化系统级仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中信道生成步骤为：在初始化确定UE位置后，UE向所有eNB发送信道计算请求，eNB将自己的位置、天线配置、发送功率信息发送给UE，UE根据这些信息依次完成大尺度、小尺度信道的计算。