CN1312660A

CN1312660A - 一种高有效性的移动通信系统性能的仿真方法

Info

Publication number: CN1312660A
Application number: CN 01110750
Authority: CN
Inventors: 古建; 杨大成; 杨光
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2001-09-12
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: CN1157076C

Abstract

本发明提供的技术用于移动通信系统数据业务性能仿真。本发明利用子时隙、等效E_s/N_t均值和标准差的定义以及线性预测方法得到小数据包差错率,并使用固定高阶调制补偿值和有效编码速率,使仿真复杂度最大的部分脱离实际的信道环境、实际采用的调制技术和传输方式等制约仿真效率的因素。本发明中的技术实用、高效,可用于在各种不同的信道环境和各种不同传输方式条件下实时地判断数据传输的差错概率,准确性高,实现复杂度远小于现有其他方法。

Description

一种高有效性的移动通信系统性能的仿真方法

本发明涉及一种对移动通信系统数据业务进行计算机仿真的技术，特别是指对多速率、变速率的移动通信系统数据业务的计算机仿真的技术。

当今移动通信迅速发展，移动通信用户对数据业务的需求日益提高，世界各大移动通信公司纷纷推出支持数据业务的建议或方案，但是目前一些建议的方案还均未被通信同行所认可，其中重要的原因是各通信公司没有建立一个能对这些方案进行有效的、准确的评估的方法或手段，因为这些方案的计算机仿真复杂度太高，任何一种仿真都需要大量长时间的计算机运算工作，而且很难得到准确的仿真结果。

对于未来移动通信系统而言，提供数据业务性能是至关重要的，因此研究如何评价移动通信系统的数据业务性能是一项极其重要的工作。仿真移动数据业务通信最大的特点是当一个数据包发送出后，系统必须根据该组数据传输所在的信道环境、信道编解码方案、调制方式和子数据包的长度等立即判断出该组数据块译码后的差错率(BLock Error Rate-BLER)，这样系统才能实时地判断出该数据包所含的信息是否需要重传。同时，为了获得所需要的BLER性能，仿真时所涉及所有的参数组都包含有若干种典型的环境参数。如信道环境有车辆环境A、行人环境A、行人环境B和静止环境；信道编码有各种不同帧长和不同编码速率的情况，等等。这些参数都是公认的经典参数，评价任何一个移动通信系统对于任何一种特定承载能力的性能都必须针对所有的经典参数进行仿真，因此利用常规的方法针对各种典型环境参数评价移动通信系统提供数据业务通信的性能时所涉及的计算机仿真所需的数据太大，仿真的复杂度太高。

在移动通信系统的计算机仿真中，需要把真实环境中的实际情况尽可能地反映出来，以便使仿真的结果具有尽可能高的真实性。但是，如果把真实环境中成千上万个用户的实际情况简单地搬到计算机中进行仿真，模型的复杂度和运算量是无法克服的困难。为了解决模型复杂度和计算量的问题，人们已经把整个的仿真工作分成了两部分：链路级仿真和系统级仿真。链路级仿真的任务是分析和研究单个用户通信时的物理信道的性能指标，系统级仿真得到整个移动系统的性能，链路级仿真为系统级仿真提供必要的数据，整个仿真的目的是得到整个系统的性能。

虽然将整个的仿真工作分成链路级仿真和系统级仿真两部分使得用计算机仿真成为可能，但是真正意义上的实时的、准确的移动通信数据业务计算机仿真的复杂度仍然太高，且这种复杂度主要体现在如何把链路级仿真的特性与参数以一种简化的模型集成入系统级仿真中的问题上。为了解决该瓶颈各个公司都进行了针对性研究。Lucent公司于2001年1月16日在文件C50-20001204-033-Lucent-BEP-Definition-R1“BEP-based methods for estimatingprobability of packet error”中提出采用BEP估计的方法。这种方法的准确度高，而且能在各种条件下使用，但是实现的复杂度仍然太高。Motorlola公司于2000年9月20日在文件C50-20000918-011 MOT-SimEvalProposal“Evaluation Methodsfor High Speed Forward Link Packet Access”中提出的平均Es/Nt方法和其它一些方法，如修正E_s/N_t、选择性的平均E_s/N_t(Altemative Average E_s/N_t Estimator)等，实现都较简单，但是存在很多的使用限制条件。例如，上述两种平均E_s/N_t方法只能在低多普勒频移的条件下使用；修正E_s/N_t方法只能在子数据包时隙少的情况下使用。总之，到目前为止，还没有一种实用且行之有效的方法解决系统性能评估中的仿真复杂性问题。

本发明的目的是克服了上述方法的缺点，提出一种实用且行之有效地能解决系统性能评估中仿真复杂性问题的方法，这种方法能在所有的情况下实时地、准确地判断出数据传输的块差错率，而且实现复杂度远小于现有其它准确性相同的方法。

众所周知，无线传输信道是随着时间和地域的变化不断地随机波动，如附图1所示。但这种波动是呈现有一定规律的，即在远小于信道相关时间区间的时间间隔t内，无线传输信道的特性基本是平稳的，也就是说，无线传输信道对信号的衰减值基本不变。本发明的目的在于把复杂的无线传输信道简化成一种简单形式的模型。

另外，在移动通信领域中，针对数据业务的传输使用了一种高性能的信道编码——Turbo码(又名并行联接卷积码)。在《cdma2000技术》(杨大成等编著，北京邮电大学出版社，2000年版)一书中对Turbo码作出了详细叙述。Turbo码被誉为具有“接近仙农极限”的性能。但是因为Turbo码的译码器复杂度大，加上系统性能仿真时需要评价数据传输的差错率很小(通信同行通常使用数据块差错率BLER指标表示，这个指标的常规目标值为0.0001)，要得到这样数量级且可信度高的差错性能，仿真的数据包的数量范围将在106以上，这样，物理层的链路仿真需要很长的仿真时间。这是整个仿真复杂度大的另一个原因。本发明的又一目的在于用很少的仿真时间得到可靠的、BLER范围大的Turbo码性能，从而减小整个仿真的复杂度。

在高速数据移动通信环境下，有的方案使用了8PSK、16QAM等高阶调制技术。高阶调制的使用增加了链路仿真所需要得到的数据量；另外，在使用子数据包重传时各个子数据包可能使用了不同类型的调制方式，这对系统级仿真实时估计BLER带来了困难。本发明的又一目的在于用统一的方法将使用高阶调制的子数据包的E_s/N_t折算成在使用常规QPSK调制时的E_s/N_t。

为了达到上述目的，本发明人通过提出划分子时隙，并提出一种新的统计方法——求等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差值，同时提出固定的高阶调制E_s/N_t补偿值，并辅以使用有效编码速率的方法，准确地反映了无线传输信道的衰落情况、数据重传和每次传输所使用调制的情况；进而提出采用线性预测的方法得到高E_s/N_t时数据包的块差错率。这样在保证仿真准确性的前提下大大地简化了链路级仿真所需要的数据，从而使得整个仿真的复杂度大大下降。

因为移动数据业务的实现方案很多，我们假设一种移动数据业务的基本传输结构。本发明对于所有具有这个传输结构的基本特征的应用场合普遍适用。这种传输结构是由数据包(packet)组成。一个数据包又由若干个子数据包(sub-packet)构成，一个子数据包再由若干个时隙(slot)单位组成。本发明人只是通过这种传输结构来说明本发明的原理。

上述的子时隙(sub-slot)为在移动数据业务计算机仿真需要仿真的各种无线信道中衰落幅值都基本保持平稳的最大时间段，其数值在0.1-1毫秒的数量级。由若干个子时隙可组成一个时隙。

上述的E_s/N_t定义为

E_s/N_t=C/I+10·log₁₀(R_c·R/R_b) dB (1)

其中C/I为接收天线端的载干比(载波/干扰功率比，单位为dB),R_c为系统的码片(chip)速率，R为信道编码速率，R_b为系统发送的信息比特速率。

上述的一个数据包传输中等效E_s/N_t均值定义为当接收到某数据包的第一个子数据包时，则

否则

其中(E_s/N_t)_lj为该数据包的第1个子数据包(sub-packet)中的第j个子时隙(sub-slot)中的E_s/N_t均值，单位为dB,x_l为该数据包中第1个子数据包的高阶调制补偿值，单位为dB,N_lj为所有接收到的符号中第1个子数据包(sub-packet)的第j个子时隙(sub-slot)中的信息和校验比特总数，

为对接收到的所有符号进行合并后各部分的E_s/N_t，

为合并后E_s/N_t等于

的所有信息和校验比特总数。其中合并分为分集合并(diversity combining)和码合并(codecombining)两种。

上述的一个数据包传输中等效E_s/N_t标准差定义为：当接收到某数据包的第一个子数据包时，则

否则

其中(E_s/N_t)_lj为该数据包的第1个子数据包(sub-packet)中的第j个子时隙(sub-slot)中的E_s/N_t均值，单位为dB,x_l为该数据包中第1个子数据包的高阶调制补偿值，单位为dB,N_ij为所有接收到的符号中第i个子数据包(sub-packet)的第j个子时隙(sub-slot)中的信息和校验比特总数，为对接收到的所有符号进行合并后各部分的E_s/N_t，

为合并后E_s/N_t等于

为了克服由高阶调制对仿真带来的问题，本发明提出使用固定的高阶调制补偿值(a fixedpenalty for using higher order modulations)。固定高阶调制补偿值的含义是其值只与调制方式有关，与该子数据包的E_s/N_t、编码长度L和编码速率等条件无关。使用固定的高阶调制补偿值避免了为了得到高阶调制补偿值所需的较大仿真运算量，准确度较高；并大大地减少了整个仿真的复杂度，且使得在重传子数据包时系统级仿真能方便有效地进行合并(combining)。具体的办法是给原有E_s/N_t值加上该固定的高阶调制补偿值。从附图2可以看出相同的Turbo码在不同的调制方式下的性能。

在链路级仿真中，为能满足系统级仿真的需要，需要范围足够大的差错分组。这样，在仿真得到可信的小BLER情况下，仿真的时间将很长。为此，我们提出了用线性预测法得到高E_s/N_t时数据块差错率的方法。该方法是基于Turbo码的数据块差错率(BLER)的数值从0.1到0.0001的范围内在对数坐标中随着E_s/N_t(dB)的增加成线性关系减小(如附图3所示)，而且(0.0001,1)正是系统仿真中需要用到的数据块差错率范围(在此完全可以忽略Turbo码性能中的地板(floor)效应，因为地板效应一般在数据块差错率(BLEr)＜0.0001的区间出现)。具体的做法为：链路级性能仿真只需要得到数据块差错率(BLER)从1到0.005的E_s/N_t(dB)-BLER关系曲线，然后作线性预测：如果E_s/N_t小于该范围的E_s/N_t最小值，BLER为1；如果E_s/N_t大于该范围的E_s/N_t最大值，用E_s/N_t(dB)与BLER在对数坐标中的线性关系预测出该点的BLER。这样就有效地避免了为了仿真小BLER所需的几倍或几十倍的仿真时间，降低了整个链路级仿真所需的时间开销。

本发明具体的实现流程是：

1．如果接收到某数据包的第i个子数据包，系统已知该子数据包的编码速率

R、编码数据包(encoder packet)的长度L和该子数据包中各子时隙E_s/N_t均

值(E_s/N_t)_ij。如果该子数据包是该数据包的第一个子数据包(即i=1)，运行

步骤2；否则，则译码要使用分集合并(diversity combining)或码分集(code

combining)，运行步骤5。

2．根据该子数据包使用的调制得到该子数据包1的高阶调制补偿值x_l，并

对该子数据包中各子时隙的(E_s/N_t)_lj值进行补偿，得到补偿后的各子时隙

值[(E_s/N_t)_lj+x_l]。

3．根据该子数据包中各子时隙的[(E_s/N_t)_lj+x_l]值得到该子数据包的等效

E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差值。

4．该子数据包的有效编码速率等于其编码速率。跳到步骤8。

5．根据该子数据包i使用的调制得到该子数据包i的高阶调制补偿值x_i，并

对该子数据包中各子时隙的(E_s/N_t)_ij值进行补偿，得到补偿后的各子时隙

值[(E_s/N_t)_ij+x_i]。

6．计算出该数据包中接收到的所有子数据包的有效编码速率。

7．将该数据包的所有子数据包的补偿后的值[(E_s/N_t)_ij+x_i]进行合并，重新计

算出该数据包的等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差值。

8．用等效E_s/N_t均值、等效E_s/N_t标准差值、有效编码速率和编码数据包的长

度L从已得的性能数据曲线预测出其BLER。

9．使用一个均匀分布的随机数，根据该BLER值预测出该数据包是否能正

确译码。如果译码正确或重传次数超过已定门限K，发送端发送新的数据

包；如果不正确，继续发送该数据包的下一个子数据包，直到重传次数超

过已定门限K。

结合以下附图和具体的实施例对发明的做出详细描述，并将明了本发明的原理、步骤、特点和优点，附图中：

图1是表示移动台速度为每小时120公里时无线信道的衰落示意图；

图2是表示相同编码数据包长度L、不同编码速率R的多种Turbo码在加性高斯白噪信道(Additive White Gaussian Noise:AWGN,AWGN相当于等效E_s/N_t标准差为0的情况)中使用QPSK的数据块差错率BLER与等效E_s/N_t均值性能曲线；

图3是表示一种Turbo码在加性高斯白噪信道(Additive White Gaussian Noise:AWGN,AWGN相当于等效E_s/N_t标准差为0的情况)中使用不同调制方式的数据块差错率BLER与等效E_s/N_t均值性能曲线；

图4是表示本发明的工作步骤；

图5是在相同等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差条件下，含有不同时隙数的子数据包在不同信道环境的性能。

因为移动数据业务的实现方案很多，在此使用一种普遍适用的例子-1XEV-DV建议(3GPP2)来阐述本发明所提出的仿真方法。本发明对于所有具有这个示例中的基本特征的应用场合普遍适用。

在1XEV-DV数据业务的基本传输结构是由数据包(packet)组成。一个数据包又由若干个子数据包(sub-packet)构成，一个子数据包再由若干个时隙(s1ot)单位组成；每个时隙长度为T_s=1.25毫秒。

因为在系统性能评估的仿真中必须要求根据无线传输信道环境等条件实时地估计出每一个数据包译码后的块差错率指标BLER，所以本发明人提出利用一个数据包传输中等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差的统计特征来反映无线信道环境变化的概念。因为在一个时隙时间(1.25毫秒)内无线信道的衰落幅值还是不平稳的(如附图1所示)，不满足前面“基本平稳”的假设，所以在基本不增加整个仿真复杂度的前提下，为了提高整个仿真的准确度本发明人提出了划分子时隙(sub-slot)的方法，也就是说，将一个时隙划分为由若干个子时隙构成，比如在系统级仿真中将一个时隙划分为由四个子时隙组成。

当系统在接收到该数据包重传的子数据包数据时，需要进行合并译码。由于重传的情况复杂，不同的重传次数，每次重传中不同的信息比特和校验比特位数，这些都会给最终译码后的数据块差错率(BLER)的数值带来很大的影响，这也就给仿真带来了很大的复杂度。

为了解决由重传带来的问题，本发明人在本发明中使用了Lucent公司于2001年2月21日在文件C50-20010221-xxx,“Evaluation of Link Error PredictionMethods(PartⅡ)”中提出的有效编码速率，其定义为：

如果

则

否则，有效编码速率=母码的编码速率。(4)从上述定义可以看出，不包含重传时，编码速率等于有效编码速率。

下面用实例来具体地说明本方法的运行步骤。假设系统接收到某数据包的第一个子数据包，该数据包的编码数据包(encoder packet)含384比特信息，该子数据包使用编码速率为2/3的Turbo码，使用16QAM调制在1个时隙中传输，该子数据包的4个子时隙中的E_s/N_t值分别为3.7391dB、3.4391dB、3.9391dB、2.2391dB。通过查已得到的高阶调制补偿值，并根据公式(2)(3)，可以得到：等效E_s/N_t均值=0.00dB，等效E_s/N_t标准差=0.66dB。由公式(4)可知数据包的等效编码速率为2/3，根据已得的性能数据可得到该子数据包译码后的块差错率为0.43。在仿真中通过使用一个均匀分布的随机数，根据该块差错率随机地判定出该数据包译码是否正确。在本实例中假设该子数据包译码失败，系统继续发送该数据包的下一个子数据包。该子数据包的编码速率为2/3，使用QPSK调制在2个时隙中传输，该子数据包中的8个子时隙的E_s/N_t数值分别为-2.4dB、-2.2dB、-2.3dB、-2.3dB、-2.5dB、-3dB、-2.6dB、-2.5dB。经过合并，根据公式(2)(3)和已得到的的高阶调制补偿值可以得到：等效E_s/N_t均值=-1.06dB，等效E_s/N_t标准差=1.31dB。由公式(4)可知数据包的等效编码速率为1/3，根据已得的性能数据并通过线性预测的方法可得到该子数据包译码后的块差错率为2.5e-4。在仿真中通过使用一个均匀分布的随机数，根据该块差错率随机地判定该数据包最终译码是否正确，在本实例中假设该数据包译码正确，系统继续传输下一个数据包的数据。

综上可以看出，本发明在提出了划分子时隙以及求等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差值以及使用固定的高阶调制E_s/N_t补偿值的方法，并结合使用有效编码速率、，有以下优点：

1．能实时地预测出该数据包的块差错率(BLER)。

2．因为即使在不同信道环境，在数据包含有不同时隙数的条件下，只要数

据包的等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差都相同的，且使用相同的信道编

码，数据包的性能是相同的(该性质可以从附图5得出)，所以不仅能在

任何的信道环境(高多普勒和低多普勒)和各种子数据包长度的情况中使

用该方法，而且使用本发明后仿真所需要的数据大大减少，从而大大地减

小了整个仿真的复杂度和所需要的仿真时间，极为有效地加速了移动通信

系统在性能评估时的效率。

附图5的详细解释：因为从图中可以看出含有不同时隙数的子数据包在不

同信道环境中使数据块差错率(BLER)为0．01所需的E_s/N_t基本相等(考

虑到计算机仿真所允许的误差)；从这点可以知上段文字提到的性质。

3．本发明在高信噪比时用线性预测得到数据块差错率(BLER)，这样避免

了为了得到小数据块差错率(BLER)链路级仿真需要的大量仿真时间，

从而大大地整个仿真的复杂度和所需要的仿真时间。

4．使用了固定的高阶调制E_s/N_t补偿值，大大地减小了整个仿真的复杂度，

并且使得很好地配合了使用等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差。

5．适用于各种重传方式，例如逐步增加冗余方式(Incremental Redundancy)

和追踪合并方式(Chase Combining)。

总之，本发明大大地减小了移动通信数据业务计算机仿真的复杂度和所需时间，它是一种实用的、高效的计算机仿真移动通信数据业务的技术。

Claims

1．一种计算机仿真移动通信数据业务的方法，包括利用有效编码速率仿真各种类型的子数据包重传情况，通过使用高阶调制修正值仿真来简化各种类型的高阶调制情况，利用统一的模型仿真各种类型的信道情况，并利用一定的技术来减小仿真需要得到的数据差错概率范围。

2．如权利要求1中所述的用于仿真各种类型信道情况的模型，其特征在于：将数据传输中数据包的最小单位划分成若干子时隙，一个子时隙为统计信道信噪比的最小单位，为了适合各种无线信道的仿真，一个子时隙的时间长度为0.1-1毫秒。

3．如权利要求1中所述的用于仿真各种类型信道情况的模型，其特征在于：根据无线信道环境在一个子时隙内的相对平稳性特征，利用一个数据包传输中等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差的统计特征来反映复杂的无线信道环境变化和各子数据包的信噪比等情况。

4．如权利要求3中所述的E_s/N_t，其定义为：

E_s/N_t=C/I+10·log₁₀(R_c·R/R_b) dB其中C/I为接收天线端的载干比(载波/干扰功率比，单位为dB),R_c为系统的码片(chip)速率，R为信道编码速率，R_b为系统发送的信息比特速率。

5．如权利要求3中所述的一个数据包传输中等效E_s/N_t均值，其特征在于其定义为：当接收到某数据包的第一个子数据包时，则

否则其中(E_s/N_t)_lj为该数据包的第1个子数据包(sub-packet)中的第j个子时隙(sub-slot)中的E_s/N_t均值，单位为dB,x_l为该数据包中第1个子数据包的高阶调制补偿值，单位为dB,N_1j为第1个子数据包(sub-packet)的第j个子时隙(sub-slot)中的信息和校验比特总数，

为对接收到的所有符号进行合并后各部分的E_s/N_t，

为合并后E_s/N_t等于

的所有信息和校验比特总数。

6．如权利要求3中所述的一个数据包传输中等效E_s/N_t标准差，其特征在于其定义为：当接收到某数据包的第一个子数据包时，则否则

其中(E_s/N_t)_lj为该数据包的第1个子数据包(sub-packet)中的第j个子时隙(sub-slot)中的E_s/N_t均值，单位为dB，x_l为该数据包中第1个子数据包的高阶调制补偿值，单位为dB,N_lj为第1个子数据包(sub-packet)的第j个子时隙(sub-slot)中的信息和校验比特总数，为对接收到的所有符号进行合并后各部分的E_s/N_t，

为合并后E_s/N_t等于的所有信息和校验比特总数。

7．如权利要求1中所述的用于减小仿真需要得到的数据差错概率范围的技术，其特征在于在已得到的E_s/N_t与数据包差错率性能关系的前提下，在对数域中使用线性预测技术得到所需要的高E_s/N_t下的数据包差错率数值的技术。

8．如权利要求1中所述的高阶调制E_s/N_t修正值，其特征在于该高阶调制补偿值的数值只与调制方式有关，与编码数据包的长度、信道编码速率和所需补偿的E_s/N_t值无关。

9．如权利要求1中所述的计算机仿真移动通信数据业务，其特征在于其实现步骤为：

如果接收到某数据包的第i个子数据包，系统已知该子数据包的编码速率R、编码数据包(encoder packet)的长度L和该子数据包中各子时隙E_s/N_t均值(E_s/N_t)_ij；

如果该子数据包是该数据包的第一个子数据包，求得该子数据包高阶调制补偿值x_l，并对各子时隙的(E_s/N_t)_lj值加以补偿，然后根据该子数据包中各子时隙的[(E_s/N_t)_lj+x_l]值得到该子数据包的等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差值，此时该子数据包的有效编码速率等于其编码速率；

如果该子数据包不是该数据包的第一个子数据包，求得该子数据包高阶调制补偿值X_l，并对该子数据包中各子时隙的(E_s/N_t)_ij值加以补偿，得到补偿后的值[(E_s/N_t)_ij+x_i]，计算出该数据包中接收到的所有子数据包的有效编码速率，并将该数据包中的所有子时隙中补偿后的[(E_s/N_t)_ij+x_i]值进行合并(最好为最大比合并)，计算出该数据包的等效E_s/N_t均值和等效E_s/N_t标准差值；

在得到等效E_s/N_t均值、等效E_s/N_t标准差值、有效编码速率后，根据它们的数值和编码数据包的长度L查已得的性能数据曲线得到其BLER，并使用一个均匀分布的随机数，根据该BLER值预测出该数据包是否能正确译码；如果译码正确或重传次数超过已定门限K，系统发送端发送新的数据包；如果不正确，继续发送该数据包的下一个子数据包，直到重传次数超过已定门限K或译码正确。