CN1845630A - 无线通信系统空中接口动态仿真方法 - Google Patents

Abstract

无线通信系统空中接口动态仿真方法，首先按照面向对象的方法构建系统仿真所需的各种实体，进而通过在系统中配置这些实体形成通信网络。实体在主控程序下仿真终端和接入点之间的通信过程，并在此过程中统计各类参数及仿真结果。本发明提出的主控程序采用两个层次的循环兼顾细节性和准确性，并且利用完备的数据交换接口实现测试的黑箱性。此外，本发明也描述了通过虚拟的地理信息和反馈回路实现对分布式小区结构的仿真方法。本发明的目的在于建立适合B3G空中接口技术和组网特点的网络仿真器，对第三方设计的空中接口仿真系统进行黑箱仿真测试，得到其吞吐量、时延、功率效率、频谱效率等参考性能，从而对第三方所采用的技术提供评估和参考建议。

Description

无线通信系统空中接口动态仿真方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，主要涉及新一代蜂窝无线通信系统的仿真测试方法，特别涉及一种无线通信系统空中接口动态仿真方法。

背景技术

从1978年美国贝尔实验室建立的人类第一个基于小区制的蜂窝移动通信系统以来，移动通信迅速成为人们生活必不可少的部分。随着人们对移动通信需求的不断增长，移动通信逐步从低速发展到高速，从模拟通信走向数字通信。今天，随着以CDMA技术为核心的第三代蜂窝移动通信系统(3G)在各国进入商用阶段，世界各国也纷纷展开了对下一代蜂窝无线通信系统(B3G/4G)的研究。如果说第三代蜂窝移动通信系统第三代蜂窝移动通信系统3G开启了人们利用无线通信进行多媒体通信、数据传输的梦想，则第四代蜂窝移动通信系统4G将最终实现人类“无论何人、无论何时、无论何地”的通信梦想。

无线通信是一种资源受限的通信系统，随着无线通信的不断发展，对无线通信系统最为重要的频谱和功率资源也变得日益紧张和宝贵，因此，如何更有效的提高对这些资源的利用率就成为通信业界关注的焦点。在我国超三代蜂窝移动通信系统B3G的设计中，研究人员提出一种新的“分布式”小区结构，用来提高超三代蜂窝移动通信系统B3G通信系统的资源利用率。这种分布式小区结构包括两种小区：广义小区和射频小区，其基本思想是将天线以分布式的方式配置在广义小区的各个角落，从而在广义小区内形成多个由远程天线单元(RAU)负责收发的射频小区。在通信过程中，终端总是选择与其相距最近的远程天线单元(RAU)通信，从而大大缩短了通信的距离，减少了终端移动性带来的影响，既可以降低功率消耗，也可以提高传输速率。用户在广义小区内的切换仅涉及到相应远程天线单元(RAU)的更换，只需在物理层执行，且参数保持不变。

除了上述分布式小区结构外，我国的超三代蜂窝移动通信系统B3G还采用了诸如多输入多输出(MIMO)、正交频分复用(OFDM)、广义多载波(GMC)、自适应调制编码(AMC)等最新的一些通信技术。在这些技术进入应用以前，考察它们是否满足超三代蜂窝移动通信B3G的需求是很关键的一步。从第二代移动通信系统的研发开始，利用计算机对通信系统进行模拟仿真，从而考察其技术或系统性能的方法已经成为通信领域不可或缺的方法，这种方法效率高，成本低，可以对某一项或多项技术在进入应用前进行考证，从而节省时间和成本。然而目前一般的评估都是由研究者自行制定，缺乏公正性和全面性，为了保证评估的客观性，需要利用第三方评估系统对其进行所谓的黑箱测试，即仿真评估和待评估的技术仿真模块彼此是“未知”的。

对通信系统的仿真评估一般分为两个层次：链路级和网络级。其中，链路级仿真通过模拟某一通信链路的收发过程，得到链路的误码率或误块率等结果，从而考察收发信机及其相应算法的性能。而网络级仿真，则是在有多个接入点多个用户的场景下仿真通信网络为用户提供业务的过程，得到吞吐量、频谱效率、功率效率、网络容量等结果，从而考察网络各层协议中算法的性能及协议间相互协作达到最优的能力。目前还没有公开的仿真方法，可以对基于分布式小区结构的下一代无线通信系统进行仿真评估。而现有的仿真方法和仿真软件，都是采用面向过程的方法，均未考虑系统中存在的各种实体对象如移动台、基站收发信机、基站控制器等，而只关心通信过程中各种参数发生的变化。用这种方法构造的仿真器实现相对简单，但缺乏开放性和动态性，一旦有新的技术或者功能需要增加的时候，又需要重新构造仿真器或者打乱平台的结构，并且仿真场景也无法按用户要求任意设置。此外，按照采样快拍的循环仿真的方法常常需要考虑两个问题：仿真效率和仿真准确性。现有的方法在这两个问题上只能兼顾其一，要么效率高但准确度低，要么准确度高但仿真时间又过长。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够对第三方设计的空中接口仿真系统进行黑箱仿真测试，得到其吞吐量、时延、功率效率、频谱效率等参考数据，根据仿真测试得到的数据对第三方所采用的空中接口技术提供评估和参考的无线通信系统空中接口动态仿真方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：1)建立移动台MT对象化仿真

将MT的厨I生参数在类中定义为变量和数据结构体，这些属性参数包括：呼叫对象、业务类型及其QoS要求、业务速率、发送功率上限、运动路径及速度、运动模式、当前位置、天线高度、所处小区、用户ID，通过属性参数即确定了MT的属性；

其次，在类中定义子程序模块实现MT的功能，该子程序模块包含：移动模块、业务生成模块、空中接口发送和接收模块、接入请求模块、呼叫中止模块、统计模块和执行控制模块；

MT的移动模块主要通过MT位置随时间不断变化表示MT的运动特性，位詈的更新方法如下：

其中m_position表示MT的地理位置，

表示MT的运动速度，t_{_step}表示时间推进步长，在随机运动模式中，MT在每次更新位置时采用乘同余法或混合同余法产生0-π/4均匀分布的随机数来表示MT当前的运动方向，运动速率保持不变；

业务生成模块根据3GPP2建议的业务模型产生上行的网络层PDU，生成的PDU通过一个数据结构体表示，该数据结构体定义了PDU的长度、发送对象、PDU产生源、QoS要求、正误指示、创建时刻及接收时刻；

空口发送和接收模块由被测方根据接口规范提供，用于模拟MT空中接口的无线发送和接收功能；

接入请求和呼叫中止模块用来仿真MT的随机业务特性，为每个MT定义两个状态：激活态和休眠态，激活态表示MT正在进行通信，休眠态表示MT暂时没有业务，MT在两者之间的转换通过一个马尔可夫过程描述，当MT从休眠态转入激活态时，则向系统发出接入请求，一旦获得许可，则进入激活态，并产生一泊松分布的随机数表示本次通信持续时间，否则继续处于休眠状态，当通信时间到达预先设定的通信时间后，向系统发出终止请求，进入休眠状态，并再次生成一泊松分布的随机数表示休眠等待时间，到达指定时间后再次进入激活态，如此循环；

统计模块用来统计MT的吞吐量、时延、时延抖动，该模块的输入参数为正确接收的PDU的结构体链表，在每个快拍，统计模块扫描输入的PDU链表，根据改PDU结构体记录的数值，统计该PDU的传输时延、总数据量，统计完成后其结果被写入结果文件，并以曲线的方式在界面上显示；

执行控制模块是MT的核心控制函数，在每个快拍被主控调用，它由一系列的条件判断和函数调用构成，根据系统当前仿真时间和MT的内部参数调度MT各个子模块运行，从而使MT随系统的状况完成各自相应的功能；

2)建立接入点AP对象化仿真

首先，在AP的对象类中将AP的属性定义为变量和数据结构体，AP的属性为：通信对象、业务类型及其QoS要求、业务速率、发送功率上限、位置、天线高度、天线模式、所处小区、AP_ID。

其次，通过一系列子函数定义AP的功能，AP主要子模块包括：无线资源管理模块、业务生成模块、空中接口发送和接收模块、统计模块和执行控制函数；

其中无线资源管理模块负责调度用户、对用户接入进行控制、为接入用户分配资源，该模块由被测方根据接口规范设计提供，链接到平台中进行测试；

业务生成模块模块根据3GPP2建议的业务模型产生下行的网络层PDU，下行PDU和上行PDU采用同样的数据结构体，

空中接口发送和接收模块与MT发送和接收模块相对应，负责上行数据帧的接收和下行PDU的发送，由被测方根据接口规范提供；

统计模块用来统计AP也就是一个小区的性能，包括：小区总吞吐量、小区频谱效率和小区功率效率，该模块首先遍历接收接口中缓存的PDU链表，根据每个PDU产生源即生成该PDU的MT的不同将PDU分成多个链表，每个链表对应一个源MT，然后调应MT的统计模块统计MT的性能，进而得到小区的性能，统计完成后将统计结果写入结果文件，并以曲线的方式在界面上显示；

执行控制函数同MT一样，根据当前的仿真时间和AP内部的参数的变化调度各子函数的运行；

3)无线环境模块

无线环境模块根据地理环境、AP/MT的位置信息，首先通过MT和AP的距离采用COST 231-Hata模型得到路径损耗，然后通过一独立对数正态分布的随机数仿真阴影衰落，采用3GPP2的SCM模型得到MIMO多径信道，从而得到信号经过无线环境后的接收功率，进而计算其他用户的干扰及噪声影响，得到信号的广义信噪比，并根据链路级仿真的结果决定数据帧的正误；

4)仿真主控

仿真器在时间的驱动下以快拍的形式循环运行，包括两层主要循环，系统在这两个循环中反复调用MT的执行控制模块、无线信道模块和AP的执行控制模块至仿真结束。

由于本发明采用了面向对象的设计方法建立系统包含的对象，利用丰富的数据交换接口增强模块的独立性，通过两层循环的主结构保证了仿真的准确性和效率，通过虚拟的地理信息和反馈回路实现了对下分布式小区的仿真。

附图说明

图1是本发明测试平台的总体结构图；

图2是本发明两层循环的主结构图，Loop1为动态循环，Loop2为静态循环；

图3是本发明MT构成原理图；

图4是本发明AP构成原理图；

图5是本发明无线信道模块流程图；

图6是本发明B3G空工接口仿真测试平台接口配置图；

图7是本发明分布式位置及子小区划分图；

图8是本发明分布式小区结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明由移动台MT(Mobile Terminal，可以是B3G手机、PDA等)模块、接入点AP(Access Point)模块、无线环境模块、统计模块和仿真器主控五个部分构成。其中对移动台MT和接入点AP模块采用面向对象的设计思想，用来模仿实际网络中的用户终端和接入点，其参数在场景初始化时确定，包含ID、位置、运动参数、业务参数、天线高度等参数信息和位置更新、业务更新、发送和接收等行为和算法模块；无线环境模块根据地理环境、接入点AP和移动台MT的位置信息，仿真路径损耗、阴影衰落和多径衰落，确定各用户传输信号的信干噪比，并根据链路级仿真的结果决定数据帧的正误；统计模块用来对仿真过程中的各种参数进行监测和统计，并将结果显示在界面。而仿真驱动器则在时间的驱动下调度这些模块的运行，实现系统仿真。

参见图2，本发明仿真器在时间的驱动下以快拍的形式循环运行，包括两层主要循环，系统在这两个循环中完成仿真，并得到相关性能参数。其中，内层的循环主要完成特定场景下对系统性能的评估，循环的步长为t_step，每个t_step代表一个快拍，表示系统的仿真时间向前推进t_step长。在每个快拍内，主控完成以下操作：(1)遍历所有的移动台MT，调用其执行函数(Execution_Ctrl)；(2)遍历所有的接入点AP，调用其执行函数；(3)调用无线环境仿真模块，完成数据从发射端到接收端的传输处理；(4)调用全局统计模块(不属于任何对象)用来统计整个系统的性能。设T_sim表示系统已经经历的仿真时间，则在每个循环完成后，T_sim增加t_step，即T_sim＝T_sim+t_step。在调用移动台MT和接入点AP的执行函数时，移动台MT和接入点AP根据当前的仿真时间及自己的内部参数调用各自的子程序，移动台MT完成移动、业务生成、发送、接收功能，接入点AP完成资源分配、业务生成、发送、接收、小区内切换调度功能；无线环境模块用来仿真无线环境对系统的影响，它在每个快拍扫描当前所有待发送的数据帧，加入信道对数据的影响，包括：路径损耗、阴影衰落、小尺度衰落、噪声、干扰；统计模块扫描所有移动台MT和接入点AP的接收缓冲区，统计系统的总吞吐量、功率效率和频谱效率，并交给显示模块输出。

当到达外层循环的步长T₀后，内层的循环结束，得到系统在这一场景下的性能，系统可以根据当前性能决定当前场景是否为最佳场景。一种方法就是根据统计模块输出的吞吐量、时延、丢包率、误码率是否满足用户的QoS要求来判断用户是否满意，如果所有的用户均满意(表明系统可以容纳新的用户)，则按照一定原则增加新的用户。本发明采用的准则是先在每个小区内增加高速数据业务，如果经过T₀时间的仿真后，所有用户仍然满意，则继续增加该类用户，直到存在用户不满意，则删除前一次增加的用户，并加入一个速率较小的用户，如此反复，直到加入业务速率最小的用户也会影响用户的满意度为止，从而得到系统在极限场景下的性能。内层循环的步长t_step表示仿真的精细度，减小t_step就可以增加仿真系统的精细度，保证特定的功能如功率控制、自适应调制编码可以及时执行，而增大t_step就可以减少仿真时间，提高仿真效率，但是会影响仿真的精度，在本发明中t_step等于被测方案时隙长；外层循环步长T₀反应了系统的静态特性，增大T₀，可以使内层循环达到遍历效果，增加准确度，而减少T₀，则可以提高仿真效率，但降低了准确度。在实际应用中，用户可以根据需要调节这两层循环的仿真步长，从而动态的调节仿真器在精确度和效率上进行折中。一种方法就是在没有找到最佳场景之前，为T₀设置较小的值，一旦找到最佳场景就将T₀增大，从而节省仿真时间。

对象化的实体设计

采用面向对象的方法设计各仿真实体，测试平台运行的过程就是系统中各个实体如移动台(MT)、接入点(AP)在主控的调度下完成自己特定功能的过程。传统仿真测试平台的设计都是面向系统中存在的各种功能或者算法、参数等等，测试平台一旦实现很难进行扩展，且程序复杂。在本发明中，测试平台采用面向对象的方法进行设计，在设计实现的过程中，仅需要在对象的内部考虑其功能、属性参数，将对象看似杂乱无章的功能、属性参数通过一个面向对象的C++类统一起来，使测试平台不仅设计简单，且容易扩展。

建立移动台MT对象化仿真

MT是无线通信系统的主要服务对象，在仿真器中我们利用一个C++类实现对MT的对象化仿真，这里暂且将此类命名为CMt_Obj。所谓面向对象就是通过一系列的变量和子函数来描述对象的特性和功能。

首先，将MT的属性参数在类中定义为变量和数据结构体，这些属性参数包括：呼叫对象、业务类型及其QoS要求、业务速率、发送功率上限、运动路径及速度、运动模式(包括圆周运动、随机运动、指定路径运动三种模式)、当前位置、天线高度、所处小区、用户ID。其中，呼叫对象确定MT需要通信的对象AP；业务类型和业务速率则是为业务生成子模块提供信息；天线高度和当前位置是无线环境计算衰落和干扰等必需的参数；运动速率和运动模式是移动模块计算MT位置所必要的信息；ID用来在系统中区别不同的MT。这些参数设定了MT的属性，并作为相应的子模块的输入参数。

其次，通过在类中定义子程序模块来实现MT的功能，本发明主要包含以下子模块：移动模块、业务生成模块、空中接口发送/接收模块(以下简称空口收发模块)、接入请求模块、呼叫中止模块、统计模块和执行控制模块。

移动模块用来在每个快拍的开始计算MT新的位置，方法如下：

其中m_position表示MT的地理位置，

表示MT的运动速度。本发明提供两种运动模式：圆周运动或随机运动。在随机运动模式中，MT的运动速度保持不变，运动方向每隔一定的距离d后以0.2的概率发生改变，改变角度的大小在(0，π/4)内等概随机选取。

业务生成模块用于根据3GPP2建议的业务模型产生上行的网络层PDU。在本发明中，生成的PDU并不包含实际的二进制bit流，而是通过一个数据结构体表示，该数据结构体定义了PDU的长度、发送对象、PDU产生源、QoS要求、正误指示、创建时刻及接收时刻。当本模块被调用时，模块首先读入MT的业务类型、业务速率、QoS要求；然后根据业务类型参考3GPP2的建议确定PDU的长度，为了简单，本发明中PDU的长度取3GPP2建议的PDU长度的均值，且在一次业务中保持不变；最后根据业务速率计算一个时间片内需要产生的PDU的总数，计算公式如下：

          N＝[R*t_step/P_size]

其中R表示业务速率，[.]表示向下取整。N表示在一个快拍内需要生成的PDU的个数，所谓生成PDU就是使用PDU结构体生成一个新的结构体指针变量，为其内部的变量如PDU长度、发送对象、QoS、创建时刻赋值，并将该指针变量送到缓冲区B1(见图6)等待发送，其中创建时刻为生成该PDU的当前仿真时刻。

空口收发模块是本发明的评估对象，由被测方根据接口规范设计提供，用于模拟MT空中接口的相应功能。该模块负责发送MT业务生成模块产生的上行PDU或反馈，及接收无线信道模块传来的下行数据或者控制信息。当用于发送PDU时，空口模块将待发送的上行PDU组成帧，然后发送给无线信道模块进行处理；当用于接收信道传来的数据帧时，则空口模块完成数据帧的接收，将其分解为L3层PDU，然后交由统计模块进行统计分析。在测试时，将被测方的模块链接入本发明中即可进行测试。

统计模块用来统计MT的性能，包括：吞吐量、时延、时延抖动。该模块的输入参数为正确接收的PDU的结构体链表，在每个快拍，统计模块扫描输入的PDU链表，对每个正确接收的PDU，首先将当前仿真时刻作为PDU的接收时刻，依次进行下列处理：

将仿真时间内正确接收PDU的个数K加1，即K＝K+1；

将该PDU的长度加入到总数据长度D中，即D＝D+P_size；

将PDU的接收时刻减去创建时刻作为该PDU的时延τ，计算τ_total＝τ_total+τ，ξ＝ξ+τ²，其中τ_total表示总时延，ξ表示时延平方和；处理完所有PDU后，按照下面方法计算吞吐量、时延和时延抖动：

吞吐量S＝D/T_sim，T_sim表示当前仿真时间；

平均时延μ_τ＝τ_total/K；

时延抖动 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}={(\frac{1}{K}*\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\τ}}^2)}^{1/2};$

最后统计模块需要将无线信道模块统计的用户当前快拍占用带宽和发射功率加入到用户总占用带宽和总发射功率中，以便AP统计模块和全局统计模块计算频谱效率和功率效率。统计模块将上行性能和下行性能分开统计，并且处理时也略有区别，对于下行数据，由于MT就是接收方，PDU链表处于MT的接口A4中；而对于上行数据，由于AP是接收方，PDU链表处于AP的接口B4中(见图6)，MT无法直接读取，因此需要由AP首先根据PDU源MT的不同分类，然后分别调用相应MT的统计模块进行统计，具体见AP统计模块的说明。统计结果被写入结果文件，并以曲线的方式在界面上显示。

接入请求和呼叫中止模块用来仿真MT的随机特性，本发明为每个MT在定义了两个状态：激活态和休眠态，激活态表示MT正在进行通信，休眠态表示MT没有业务。MT在两者之间的转换通过一个马尔可夫过程描述，当MT从休眠态转入激活态时，则调用接入请求模块请求系统为其提供服务，一旦获得允准，则进入激活态，否则继续处于休眠状态。如果是语音通信业务，当通信时间到达预先设定的通信时间后，执行控制函数会调用呼叫中止模块用来结束一次通信过程。在一次仿真中，MT可能不断在这两个状态间转换。

执行控制模块是MT的核心控制函数，在每个快拍被主控调用。它由一系列的条件判断和函数调用构成，如同大脑控制人的行为一样，根据系统当前仿真时间和MT的内部参数调度MT各个子模块运行。其原理见图3，在每个快拍，执行控制函数首先调用移动模块；当MT处于激活状态，则依次调用业务生成模块、发送/接收模块、性能统计模块，如果执行函数判断到MT需要中止通话，则调用呼叫中止函数中止通话，并释放所占用的资源；当MT处于休眠状态时，执行控制函数只调用移动模块更新MT的位置，如果判断到MT需要通信，则调用接入请求函数请求系统为其分配资源并提供服务。每次执行控制函数的调用会改变一些内部参数，这些参数又成为下次执行控制函数调度子函数的判断依据，从而使各种行为随系统的状况不断变化。

系统中所有生成的MT都保存在一个MT链表中，扫描这一链表就可以对每个MT进行控制和更新。

接入点AP对象化仿真

参见图4，对于接入点AP本发明所采用的方法与MT类似，也通过一个C++类来实现对象化仿真。

首先，在AP的对象类中将AP的属性定义为变量和数据结构体，本发明主要定义了AP的以下属性：通信对象、业务类型及其QoS要求、业务速率、发送功率上限、位置、天线高度、天线模式、所处小区、AP_ID。其中通信对象、业务类型及其QoS要求、业务速率是业务生成模块的参数，由于AP可能同时同很多个MT通信，因此这些参数不再不是唯一的(MT中是唯一的)，而是一组参数。为了方便，本发明的将下行链路的业务相关参数也存储在MT内，当AP需要向某一MT发送下行业务时，则读取存储在该MT对象中的下行业务参数作为该AP业务生成模块的参数。天线模式参数用来指示本AP采用的小区结构，本发明提供两种可选模式：集中式和分布式。若天线模式为集中式，则表示系统采用传统的小区结构，为分布式则表示系统采用分布式小区结构。此外，位置、天线高度、所处小区和AP_ID与MT相应参数的功能一样。

其次，通过一系列子函数定义AP的功能，本发明中AP主要子模块包括：无线资源管理模块、业务生成模块、空中接口发送接收模块(AP空口收发模块)、RAU切换、性能统计和AP执行控制函数。

其中无线资源管理模块负责调度用户、对用户接入进行控制、为接入用户分配资源，该模块是本发明的评估对象之一，由被测方根据接口规范设计提供，链接到平台中进行测试。

业务生成模块模块用于根据3GPP2建议的业务模型产生下行的网络层PDU。在本发明中，下行PDU和上行PDU采用同样的数据结构体。当本模块被调用时，模块首先根据业务对象，遍历MT链表找到目标MT对象，并从该MT中读入下行业务类型、业务速率、QoS要求；然后根据业务类型参考3GPP2的建议确定PDU的长度，同MT一样，本发明中下行PDU的长度取3GPP2建议的PDU长度的均值，且在一次业务中保持不变；最后根据业务速率计算一个时间片内需要产生的下行PDU的总数，计算公式如下：

          N＝[R*t_step/P_size]

其中R表示业务速率，[.]表示向下取整。N表示在一个快拍内需要生成的PDU的个数，所谓生成PDU就是使用PDU结构体生成一个新的结构体指针变量，为其内部的变量如PDU长度、发送对象、QoS、创建时刻赋值，并将该指针变量送到缓冲区A1(见下文接口规范的说明)等待发送，其中创建时刻为生成该PDU的当前仿真时刻。

AP空口收发模块与MT空口收发模块对应，负责上行数据帧的接收和下行PDU的发送，该模块也是本发明的主要评估对象，由被测方根据接口规范设计提供。当用于发送PDU时，空口模块将待发送的下行PDU组成帧，然后发送给无线信道模块进行处理；当用于接收信道传来的数据帧时，则空口模块完成数据帧的接收，将其分解为L3层PDU，然后交由统计模块进行统计分析。在测试时，将被测方的模块链接入本发明中即可进行测试。

统计模块用来统计AP也就是一个小区的性能，包括：小区总吞吐量、小区频谱效率和小区功率效率。由于正确接收的上行PDU缓存在AP的接口B4中(见图6)，因此AP统计模块也需要在每个快拍调用MT的统计模块，以统计某一MT的上行吞吐量、时延和时延抖动。当本模块被调用时，首先遍历接口B4中缓存的PDU链表，根据每个PDU产生源(生成该PDU的MT)的不同将PDU分成多个链表，每个链表对应一个源MT，然后调应相应MT的统计模块统计MT的上行性能。对于AP所属整个小区的性能，考虑下行链路，AP统计模块按照下面方法进行统计运算：

遍历本小区内所有的MT，读取其下行统计参数；

计算其吞吐量： $S_{\mathrm{AP}}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_m}{T_{\mathrm{sim}}},$ 其中S_AP表示小区平均下行吞吐量(bit/s)，N表示小区内用户的总个数，D_m表示第m个MT正确接收的下行总bit数，由MT内部统计函数统计并保存，T_sim表示总仿真时间。

计算系统频谱效率： $F_{\mathrm{AP}}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_m}{(T_{\mathrm{step}}*\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_n)},$ 其中D_m和N的意义如上，F_AP是小区平均频谱效率(bit/s/Hz)，T_step表示时间片长度，W_n是第n个MT各个时间片所占频带(下行)的总和(Hz)，即 $W_n=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{n,i},$ 其中W_n，i表示第n个MT在第i个时间片内传送数据所占用的频带(下行)，K表示已经仿真的时间片的总个数。

计算系统功率效率： ${\mathrm{PE}}_{\mathrm{AP}}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_m}{(T_{\mathrm{step}}*\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n)},$ 其中，P_EAP表示系统平均功率效率(bit/s/w)，P_n表示第n个MT各个时间片发射功率的总和(w)，其他参数同上。

对于上行链路，采用上述下行链路同样的方法进行统计，只是各个变量都取相应的上行统计值。统计结果被写入结果文件，并以曲线的方式在界面上显示。

AP控制函数同MT一样，相当于AP的主控函数，用以根据当前的仿真时间、数据缓冲区的使用状况和AP内部的参数调度各子函数的运行。在每个快拍，执行控制函数都会调用无线资源管理模块、AP空口收发模块和性能统计模块，当需要向用户发送数据时，则调用业务生成模块产生下行的网络层PDU。RAU切换模块主要用于分布式天线的情况，当执行控制函数根据反馈判断MT需要发生切换时则调用RAU切换模块，从而实现分布式小区的仿真，具体见下文关于分布式小区仿真实现的说明。

无线环境模块

参见图5，无线环境模块用来在仿真平台中根据地理环境、AP/MT的位置信息，仿真路径损耗、阴影衰落和多径衰落，确定各用户传输信号的信干噪比，并根据链路级仿真的结果决定数据帧的正误。该模块的主要输入参数包括：信道模型、包含所有MT对象的MT链表和包含所有AP对象的AP链表。在每个快拍内，模块按照先上行后下行的顺序处理各待发送的数据帧(时隙)：

对于上行链路，首先遍历MT链表，对于有数据帧需要发送的MT(设MT的ID为m)，则根据数据帧中的发送对象AP_ID参数找到相应的AP对象，方法就是遍历AP链表，如果某AP的AP_ID参数与数据帧发送对象AP_ID相等，则该AP就是本数据帧的发送对象。然后根据MT与该AP的位置参数计算两者间的距离并根据信道模型参数得到该数据帧的路径损耗，路径损耗模型采用COST231-Hata模型。阴影衰落通过一个服从对数正态分布的随机数实现，标准差设为8dB。小尺度衰落采用成形滤波器的方法，用服从高斯分布的随机数通过多普勒滤波产生所需的信道系数，对于具有M个发射天线N个接收天线的MIMO信道，则按照同样的方法产生M×N个独立的信道系数，并对其加和平均作为该数据帧的小尺度信道衰落系数。所有其他MT的数据帧可以看作对MTm的干扰，这样就得到该数据帧的SINR，计算方法如下：

$\mathrm{SINR}=\frac{G_p{P}_m*L_m}{{\mathrm{PN}}_m+\underset{j=1,j\≠m}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j*L_j}$

其中G_p为处理增益；P_m表示第m个MT的发射功率；L_m表示从第m个MT到达目标AP的衰落水平，是路径损耗、阴影衰落和小尺度衰落信道系数的乘积，对与干扰用户，L_j只考虑路径损耗，以提高仿真速度；PN_n表示热噪声功率，N表示测试场景中MT的个数。将计算得到的参数如接收功率、SINR赋给数据帧的相应变量，然后将数据帧(时隙)交给AP的接收机进行处理。

对于下行链路，首先遍历AP链表，对于有数据帧需要发送的某AP，一一取出待发送的数据帧，并根据其发送对象的MT_ID找到其目的MT对象，方法是遍历MT链表，若其ID与该数据帧的发送对象MT_ID相等，则该MT就是本数据帧的发送对象。随后采用和上行同样的方法计算路径损耗、阴影衰落和小尺度衰落系数，并计算SINR，只是下行的干扰只考虑AP发送的数据帧。

对所有的上/下行数据帧，在每帧的最后一个时隙，需要根据SINR决定帧的正误。方法是，首先对本帧内各个时隙计算得到的SINR求平均；然后根据数据帧的调制方式参数、编码方式参数、码率参数寻找相应的SINR-FER曲线，根据曲线得到相应SINR下的FER；最后生成一(0，1)内均匀分布的随机数，如果该随机数小于FER，则认为该帧为误帧，否则认为该帧正确传输。判断正误后，模块将该数据帧交给接收机处理。此外，由于发送每个数据帧所占用的频带和发射功率都记录在数据帧内，因而无线信道模块还需要统计每个MT在当前快拍内所占用的上/下行总带宽和总发射功率，并记录在MT对象内，以便MT和AP统计模块及全局统计模块计算频谱效率和功率效率。

统计模块

统计模块的功能与各MT或AP内部的统计模块功能相似，只是本统计模块负责对整个系统的性能进行统计，而各MT和AP内部的统计模块只统计对象内部的一些性能。统计模块的输出为整个系统的吞吐量、频谱效率和功率效率。考虑下行链路，统计方法如下：

扫描所有的MT，读取其内部的下行统计值。

计算系统平均吞吐量： $S_{\mathrm{system}}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_m}{(T_{\mathrm{sim}}*K)}$ 其中S_system表示系统平均下行吞吐量(bit/s)，N表示系统中用户总个数，D_m表示第m个MT正确接收的下行总bit数，由MT内部统计函数统计并保存，T_sim表示总仿真时间，K表示总小区数。

计算系统频谱效率： $F_{\mathrm{system}}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_m}{(T_{\mathrm{step}}*\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_n)},$ 其中D_m和N的意义如上，F_system是系统的平均频谱效率(bit/s/Hz)，T_step表示时间片长度，W_n是第n个MT各个时间片MT所占频带(下行)的总和(Hz)，即 $W_n=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{n,i},$ W_n，i表示第n个MT在第i个时间片内传送数据所占用的频带(下行)，K表示已经仿真的时间片的总个数。

计算系统功率效率： ${\mathrm{PE}}_{\mathrm{system}}=\frac{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_m}{(T_{\mathrm{step}}*\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n)}$ 其中，PE_system表示系统平均功率效率(bit/s/w)，P_n表示第n个MT各个时间片发射功率的总和(w)。

对于上行链路，采用与上述下行链路的同样的方法进行统计，只是各个变量都取相应的上行统计值。统计结果被写入结果文件，并在界面上以曲线的方式输出。

数据交换接口的设计

参见图6，在本发明建立的各个对象的内部，各个模块之间也定义了一系列的数据交换接口，从而为实现黑箱测试奠定了基础。所谓黑箱测试就是被测仿真模块和测试平台间是彼此未知的，由于各个模块间的数据交换都通过数据接口进行，模块间而无需了解彼此的设计方法，只需要遵循统一的数据交换协议和数据格式即可，目前还没有满足这一特点的B3G仿真测试软件。传统的仿真软件是在各个模块间设置数据交换接口，当进行网络级仿真时，系统中包含的许多的MT和AP，且数目也在不断的变化，如何使数据接口与相应的模块对应起来就变得复杂。本发明通过在上述对象类的内部为各个子模块定义数据交换接口，从而解决了这一问题。数据交换接口的设置见附图3，其中接口A1、A2、B3、B4属于AP类，B1、B2、A3、A4属于MT类，这些接口定义了各自对象内部数据交换的协议和格式。A1、A2、A3、A4接口主要用于下行链路(从AP到MT的通信)，其中，接口A1用于在AP业务生成模块和空口收发模块间缓存AP业务生成模块产生的下行数据包，接口A2用于缓存发射机发送的下行数据帧，等待经过无线环境的处理，而处理后的数据帧则通过接口A3与MT空口收发机间交换数据，接口A4用来缓存经过接收机解调解码后还原的数据包，并提供给MT统计模块和全局统计函数执行性能统计功能。B1、B2、B3、B4则用于上行链路(MT到AP的通信)相应的数据交换。对A1、A4、B1、B4用链表作为数据缓冲区，并同过一系列的链表操作函数如：Add()(用于在链表尾部添加数据包)、Delete()(删除某一链表元素)、Free()(释放链表空间)对数据接口进行操作。对A2、A3、B2、B3采用固定的数组作为数据交换区。由于这些数据交换接口定义在对象类中，在用类定义许多对象时，每个对象都会包含各自的数据交换接口，从而解决系统中存在许多模块时，相应接口的设置问题。

对分布式小区结构的仿真

本发明也提供一种对分布式小区的仿真，分布式小区的设置和结构见图7和图8，本发明所才用的方法是对称的设置4个天线阵(称为远程天线单元)，各天线阵距小区中心的距离均为667m。这些天线阵将一个小区分为9个区域，如图5所示，当MT处于区域2、4、6、8时，AP控制处于相应区域的远程天线单元与其通信；而当MT处于区域1、3、7、9时，AP控制处于两个相邻区域的RAU与其通信；当MT处于区域5时，则AP控制所有的MT与其通信。本发明根据测试平台的虚拟地理信息和终端当前所处的位置，使用一个反馈回路来实现上面提到的分布式小区结构。正如上文所述，分布式小区结构是我国B3G系统关键技术之一，终端通过总是选择与其相距最近的RAU进行通信来节省资源。在本发明建立的测试平台中，我们通过一个平面坐标，建立虚拟的平面地图，首先确定参考原点，将被测小区(重点观测小区)的中心设为平面图的原点，平台中凡是与位置有关的实体都按照根据这一参考点，确定各自相应的位置坐标(x，y)，并将位置信息记录在相关的对象内，如MT的位置、AP的位置、AP所连接的RAU的位置。在测试平台中，每个AP对象记录着与之相连的RAU的位置信息。在每个快拍间隔，即上文提到的一个t_step中，MT首先将根据移动径和速度计算自己的新位置，并将其通过上行链路反馈给相应的AP，AP则根据自己记录的RAU的位置信息，计算该MT与所属的RAU距离，并取与该MT相距最近的RAU作为以后同该MT进行通信的天线单元，直到MT运动到另一个更近的RAU附近。在必要的时候，如MT性能较差时，AP也可以控制多个RAU同时和MT通信，从而产生空间分集，提高系统性能。这种方法使得与MT进行通信的RAU随着MT的移动不断改变，从而大大提高系统性能。

Claims (1)

1、无线通信系统空中接口动态仿真方法，其特征在于：

1)建立移动台MT对象化仿真

将MT的属性参数在类中定义为变量和数据结构体，这些属性参数包括：呼叫对象、业务类型及其QoS要求、业务速率、发送功率上限、运动路径及速度、运动模式、当前位置、天线高度、所处小区、用户ID，通过属性参数即确定了MT的属性；

其次，在类中定义子程序模块实现MT的功能，该子程序模块包含：移动模块、业务生成模块、空中接口发送和接收模块、接入请求模块、呼叫中止模块、统计模块和执行控制模块；

MT的移动模块主要通过MT位置随时间不断变化表示MT的运动特性，位置的更新方法如下：

其中m_position表示MT的地理位置，

表示MT的运动速度，t_{_step}表示时间推进步长，在随机运动模式中，MT在每次更新位置时采用乘同余法或混合同余法产生0-π/4均匀分布的随机数来表示MT当前的运动方向，运动速率保持不变；

业务生成模块根据3GPP2建议的业务模型产生上行的网络层PDU，生成的PDU通过一个数据结构体表示，该数据结构体定义了PDU的长度、发送对象、PDU产生源、QoS要求、正误指示、创建时刻及接收时刻；

空口发送和接收模块由被测方根据接口规范提供，用于模拟MT空中接口的无线发送和接收功能；

接入请求和呼叫中止模块用来仿真MT的随机业务特性，为每个MT定义两个状态：激活态和休眠态，激活态表示MT正在进行通信，休眠态表示MT暂时没有业务，MT在两者之间的转换通过一个马尔可夫过程描述，当MT从休眠态转入激活态时，则向系统发出接入请求，一旦获得许可，则进入激活态，并产生一泊松分布的随机数表示本次通信持续时间，否则继续处于休眠状态，当通信时间到达预先设定的通信时间后，向系统发出终止请求，进入休眠状态，并再次生成一泊松分布的随机数表示休眠等待时间，到达指定时间后再次进入激活态，如此循环；

统计模块用来统计MT的吞吐量、时延、时延抖动，该模块的输入参数为正确接收的PDU的结构体链表，在每个快拍，统计模块扫描输入的PDU链表，根据改PDU结构体记录的数值，统计该PDU的传输时延、总数据量，统计完成后其结果被写入结果文件，并以曲线的方式在界面上显示；

执行控制模块是MT的核心控制函数，在每个快拍被主控调用，它由一系列的条件判断和函数调用构成，根据系统当前仿真时间和MT的内部参数调度MT各个子模块运行，从而使MT随系统的状况完成各自相应的功能；

2)建立接入点AP对象化仿真

首先，在AP的对象类中将AP的属性定义为变量和数据结构体，AP的属性为：通信对象、业务类型及其QoS要求、业务速率、发送功率上限、位置、天线高度、天线模式、所处小区、AP_ID。

其次，通过一系列子函数定义AP的功能，AP主要子模块包括：无线资源管理模块、业务生成模块、空中接口发送和接收模块、统计模块和执行控制函数；

其中无线资源管理模块负责调度用户、对用户接入进行控制、为接入用户分配资源，该模块由被测方根据接口规范设计提供，链接到平台中进行测试；

业务生成模块模块根据3GPP2建议的业务模型产生下行的网络层PDU，下行PDU和上行PDU采用同样的数据结构体，

空中接口发送和接收模块与MT发送和接收模块相对应，负责上行数据帧的接收和下行PDU的发送，由被测方根据接口规范提供；

统计模块用来统计AP也就是一个小区的性能，包括：小区总吞吐量、小区频谱效率和小区功率效率，该模块首先遍历接收接口中缓存的PDU链表，根据每个PDU产生源即生成该PDU的MT的不同将PDU分成多个链表，每个链表对应一个源MT，然后调应MT的统计模块统计MT的性能，进而得到小区的性能，统计完成后将统计结果写入结果文件，并以曲线的方式在界面上显示；

执行控制函数同MT一样，根据当前的仿真时间和AP内部的参数的变化调度各子函数的运行；

3)无线环境模块

无线环境模块根据地理环境、AP/MT的位置信息，首先通过MT和AP的距离采用COST 231-Hata模型得到路径损耗，然后通过一独立对数正态分布的随机数仿真阴影衰落，采用3GPP2的SCM模型得到MIMO多径信道，从而得到信号经过无线环境后的接收功率，进而计算其他用户的干扰及噪声影响，得到信号的广义信噪比，并根据链路级仿真的结果决定数据帧的正误；

4)仿真主控

仿真器在时间的驱动下以快拍的形式循环运行，包括两层主要循环，系统在这两个循环中反复调用MT的执行控制模块、无线信道模块和AP的执行控制模块至仿真结束。

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