【文章內(nèi)容簡介】 正交，相互間不會產(chǎn)生多址干擾，克服了異步CDMA多址技術(shù)由于每個移動終端發(fā)射的碼道信號到達基站的時間不同，造成碼道非正交所帶來的干擾，大大提高了CDMA系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率，還可簡化硬件，降低成本。同步CDMA的缺點是系統(tǒng)對同步的要求非常嚴(yán)格，上行的同步要求為1/8碼片寬度，網(wǎng)絡(luò)同步要求為5ms。由于移動終端的小區(qū)位置不斷變化，即使在通信過程中也可能高速移動，電波從基站到移動終端的傳播時間不斷變化，引起同步變化，若再考慮多徑傳播影響，同步將更加困難，一旦同步破壞，將導(dǎo)致通信阻塞和嚴(yán)重干擾。系統(tǒng)同步要求在基站有GPS接收機或公共的分布式時鐘，增加了系統(tǒng)成本。軟件無線電軟件無線電是利用數(shù)字信號處理軟件實現(xiàn)無線功能的技術(shù)，能在同一硬件平臺上利用軟件處理基帶信號，通過加載不同的軟件，可實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)性能。其優(yōu)點是：(1)通過軟件方式，靈活完成硬件功能；(2)良好的靈活性及可編程性；(3)可代替昂貴的硬件電路，實現(xiàn)復(fù)雜的功能；(4)對環(huán)境的適應(yīng)性好，不會老化；(5)便于系統(tǒng)升級，降低用戶設(shè)備費用。對TDSCDMA系統(tǒng)來說，軟件無線電可用來實現(xiàn)智能天線、同步檢測和載波恢復(fù)等。動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配(DCA：Dynamic Channel Allocation)技術(shù)是利用系統(tǒng)中的綜合信息，對系統(tǒng)中的所有資源實施分配、管理和調(diào)度，以最大限度地利用系統(tǒng)資源并確保鏈路和系統(tǒng)的性能。采用DCA技術(shù)，能夠限制干擾、最小化信道重用距離，從而高效率地利用無線資源，提高系統(tǒng)容量；更重要的是，DCA技術(shù)能較好地適應(yīng)3G業(yè)務(wù)的需要，尤其是高速率的、上下行不對稱的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)。DCA是TDD系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，能夠靈活的分配時隙資源，自由地進行上下行鏈路間的轉(zhuǎn)換。TDSCDMA系統(tǒng)結(jié)合了時分和碼分復(fù)用技術(shù)，使得資源分配的靈活性大大提高，同時資源的管理也變得更為復(fù)雜，且系統(tǒng)中使用了智能天線、聯(lián)合檢測和上行同步等先進的通信技術(shù)，使得動態(tài)信道分配技術(shù)成為TDSCDMA系統(tǒng)的一個非常重要的特征，也成為該系統(tǒng)提高性能和擴大系統(tǒng)容量的不可或缺的一種重要技術(shù)。TDSCDMA系統(tǒng)中的DCA主要完成三個方面的功能：自適應(yīng)的為小區(qū)分配無線資源；為申請接入的業(yè)務(wù)分配無線資源；對已分配的無線資源進行調(diào)整。第三章 仿真平臺說明 通信系統(tǒng)仿真技術(shù)概述實際的通信系統(tǒng)是一個功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對這個系統(tǒng)做出的任何改變(如改變某個參數(shù)的設(shè)置、改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等)都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。因此，在對原有的通信系統(tǒng)做出改進或建立一個新系統(tǒng)之前，通常需要對這個系統(tǒng)進行建模和仿真。通過仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置，然后再應(yīng)用于實際系統(tǒng)中，這個過程就是通信系統(tǒng)仿真[8]。系統(tǒng)仿真主要包括靜態(tài)系統(tǒng)仿真和動態(tài)系統(tǒng)仿真。所謂靜態(tài)仿真也就是“快照式”仿真，其特點是激活的移動臺與小區(qū)的連接和位置關(guān)系固定；動態(tài)仿真系統(tǒng)能夠仿真系統(tǒng)運作過程，通過在連續(xù)時間上模擬移動臺在網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)來進行網(wǎng)絡(luò)分析。一般采用靜態(tài)抓拍仿真方法來評估移動通信系統(tǒng)的實時業(yè)務(wù)的容量的大小，以及評估不同系統(tǒng)之間的相互干擾水平。而動態(tài)系統(tǒng)仿真則用于評估各種無線資源管理算法的性能，對實際網(wǎng)絡(luò)中無線資源管理模塊的參數(shù)設(shè)置提供理論建議。移動通信系統(tǒng)的仿真包括鏈路級的仿真和系統(tǒng)級的仿真。鏈路級的仿真主要是檢驗不同RTT技術(shù)方案的性能，目前基本上采取的是時間流和數(shù)據(jù)流驅(qū)動的方式；系統(tǒng)級仿真的主要目的是根據(jù)鏈路級仿真的結(jié)果，檢驗系統(tǒng)級特性所帶來的頻譜效率。鏈路級和系統(tǒng)級的仿真可以在不同的系統(tǒng)平臺上進行，兩個仿真平臺之間以數(shù)據(jù)文件的方式進行接口交互，接口的數(shù)學(xué)模型常用瞬間值等方法。目前鏈路級仿真工具有COSSAP、System View和Matlab等，系統(tǒng)級仿真工具有OPNET、也可以使用Matlab的SIMULINK和NS(Network Simulator)等。 Matlab和SIMULINK介紹Matlab在各應(yīng)用方面提供了大量的函數(shù)，因此，它本身是一個極復(fù)雜的計算機程序，Matlab不加擴展的最簡化版本內(nèi)建的函數(shù)和其他工具箱就遠多于其他編程語言，目前版本的最基本框架就包含1000個內(nèi)建函數(shù)。通過針對各個領(lǐng)域的工具箱擴展和第三方軟件擴展，可將Matlab的使用領(lǐng)域擴展到非常專門化的研究領(lǐng)域。作為Matlab的使用者，要完全掌握Matlab的所有功能模塊是不可能的。作為一個專業(yè)領(lǐng)域的研究者，只要掌握極其簡單的程序設(shè)計，調(diào)試和優(yōu)化，再熟悉Matlab函數(shù)在相應(yīng)領(lǐng)域的一個子集，就可以編寫相應(yīng)的仿真程序。對于高級使用者而言，Matlab提供高級的程序控制和用戶自定義功能，高級用戶可以開發(fā)自己的函數(shù)庫，在使用中進一步豐富Matlab的功能[9]。SIMULINK是Matlab提供的主要工具箱之一，是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。與Matlab語言編寫的m文件相比，SIMULINK不僅界面友好，而且還提供了豐富的模型庫。其中，每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶也可以定制和創(chuàng)建自己的模塊。因此，SIMULINK具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及其可視化等特點，可以大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性[10]。SIMULINK作為面向框圖的仿真軟件，具有以下的功能[11]：(1) 用方框圖的繪制代替程序的編寫。構(gòu)成任何一個系統(tǒng)框圖有三個步驟，既選定典型環(huán)節(jié)、相互連接和給定環(huán)節(jié)參數(shù)。這三步可以在一個圖形界面上用鼠標(biāo)和鍵盤來完成。(2) 仿真的建立和運行是智能化的。首先，畫好了框圖并存起來，它就能自動建立起了仿真過程；其次，在運行時用戶可以不給步長，只給出要求的仿真精度，軟件會自動選擇能保證給定精度的最大步長，使得在給定的精度要求下系統(tǒng)仿真具有最快的速度。(3) 輸入輸出信號來源形式的多樣化。仿真器輸入信號可以是各種信號發(fā)生器；也可以來自一個設(shè)定的記錄文件；還可以來自MATLAB的工作空間(workshop)。輸出信號也類似，這就擴大了系統(tǒng)與各種外部軟件和硬件的接口能力。在SIMULINK仿真中，框圖中的每個模塊在每個時間步長(time step)上執(zhí)行一次，也就是說，所有的模塊在每個時間步長上同時執(zhí)行，這種仿真被稱為時間流仿真[12]；而在MATLAB仿真中，函數(shù)按照數(shù)據(jù)流的順序依次執(zhí)行，這意味著處理的數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過一個運算介，然后再激活下一個運算介。這種仿真被稱為數(shù)據(jù)流仿真。某些特定的應(yīng)用會要求采用這兩種仿真方式中的某一種。在時間流仿真中，使用SIMULINK用戶界面，用戶可以通過調(diào)整觸發(fā)脈沖信號的相位來調(diào)整通信系統(tǒng)的預(yù)計時間延遲。對仿真系統(tǒng)進行設(shè)計和仿真時，時間延遲是一個非常重要的參數(shù)。從同步的角度來看，時間流仿真比數(shù)據(jù)流仿真更有優(yōu)勢。基于時間流的SIMULINK框圖仿真和基于數(shù)據(jù)流的Matlab編程仿真各有所長，總的說來，基于時間流的仿真“實時”性好，也比較直觀；而基于數(shù)據(jù)流的仿真則需要編寫代碼，但可以比較靈活地控制仿真過程。SIMULINK框圖和MATLAB編程仿真結(jié)合的混合模式常?？梢愿屿`活地對大型系統(tǒng)進行建模、自動仿真和結(jié)果數(shù)據(jù)處理[13]。本文采用的即是SIMULINK框圖和Matlab編程仿真相結(jié)合的模式。 仿真平臺總體結(jié)構(gòu)對通信系統(tǒng)而言，理想的仿真方法莫過于盡可能真實的模擬系統(tǒng)中每一個細(xì)節(jié)流程，即根據(jù)仿真假設(shè)計算各單條無線鏈路的信道質(zhì)量，并將計算結(jié)果提交網(wǎng)絡(luò)端進行判決和處理。但這種仿真方法存在設(shè)計復(fù)雜度高、仿真運算量巨大、仿真時間長等限制因素，因此通過此方法實現(xiàn)大型系統(tǒng)仿真幾乎不可實現(xiàn)。通常的仿真方法是將無線鏈路和通信系統(tǒng)分開進行仿真，將大量無線鏈路仿真結(jié)果經(jīng)過統(tǒng)計后作為系統(tǒng)仿真輸入[14]，本平臺也采用此種方法。無線鏈路通過Matlab軟件根據(jù)協(xié)議規(guī)定實現(xiàn)，其結(jié)果以外部文件形式提供給系統(tǒng)仿真平臺。仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖31所示。圖31 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 鏈路級仿真鏈路級仿真的目的是建立一個可以驗證3G無線傳輸技術(shù)(RTT)鏈路性能的方法和仿真平臺。鏈路級仿真的傳統(tǒng)模型由發(fā)射機模塊、信道模型、接收機模塊和功率控制/同步控制模塊四部分構(gòu)成。發(fā)射機模塊一般包括：傳輸信道處理和發(fā)射機前端兩部分，而傳輸信道處理子模塊一般包括信源產(chǎn)生、CRC加校驗、尾比特、無線幀均衡、信道編碼、分幀、幀間交織、速率匹配、傳輸信道復(fù)用、比特加擾、物理信道分幀、幀內(nèi)交織、子幀分割、物理信道映射。發(fā)射機前端包括如下處理過程：調(diào)制、擴頻、加擾、插入訓(xùn)練序列和保護碼片而成突發(fā)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生信道增益等。接收機模塊實際上是發(fā)射機模塊的反處理過程，包括接收機前端和傳輸信道反處理兩部分，其中接收機前端一般包括：信道估計、去噪聲后處理、聯(lián)合檢測等過程；而傳輸信道反處理部分是發(fā)射端模塊中傳輸信道處理的逆過程[15]。鏈路級仿真的框架如圖32所示[16]。圖32 TDSCDMA鏈路級仿真框架圖 系統(tǒng)級仿真系統(tǒng)級仿真主要是根據(jù)鏈路級仿真的結(jié)果，檢驗系統(tǒng)級性能特性所帶來的頻譜效率，有動態(tài)和靜態(tài)兩種方法，本文采用動態(tài)系統(tǒng)仿真，仿真框架如圖33所示。動態(tài)系統(tǒng)級仿真就是讓用戶和系統(tǒng)的各種行為方式與系統(tǒng)級仿真的過程充分?jǐn)M合，讓真實環(huán)境中用戶和系統(tǒng)所采取的主要行為方式在系統(tǒng)級仿真中都得到具體的模仿性體現(xiàn)[17]。它主要包括用戶移動模型、業(yè)務(wù)模型、衰落模型等。圖33 TDSCDMA系統(tǒng)級仿真框架圖 仿真場景根據(jù)系統(tǒng)覆蓋范圍以及所處地域不同，一般可以把3G系統(tǒng)的仿真場景分為：宏小區(qū)(Macro)、微小區(qū)(ManhattanGrid)和微微小區(qū)(Pico)，它們的覆蓋范圍依次遞減。對于Macro地理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說，進行系統(tǒng)級仿真時一般建議采用Wrap Around技術(shù)[18]，即處在仿真環(huán)境邊緣的基站和移動臺通過折疊的方式使周圍至少有兩圈的小區(qū)產(chǎn)生干擾，如圖34所示為采用全向天線時的小區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)模型考慮19個宏蜂窩小區(qū)，處于研究區(qū)域邊緣的小區(qū)通過折疊等效的方法來模擬其所受的真實干擾大小。圖34 19宏小區(qū)模型在仿真中我們使用19宏小區(qū)模型，對于第0小區(qū)內(nèi)的用戶來說，他不僅收到本小區(qū)BS的有用信號，還收到周圍第一層小區(qū)BS(編號6)、第二層小區(qū)BS(編號111111118)的信號，即該用戶位于三層小區(qū)的中心小區(qū)內(nèi)。但是對于其他的圖35 Wrap Around技術(shù)示意圖18個小區(qū)來說，在其周圍沒有兩層小區(qū)環(huán)繞，這樣會影響上行干擾的計算[19]。為了解決這個問題，我們可以把該19小區(qū)進行整體復(fù)制平移，如圖35所示，整個平面上就有了61個小區(qū)(除了仿真中用到的19個小區(qū)外，其余均稱為虛擬小區(qū))。當(dāng)用戶從現(xiàn)實小區(qū)進入某一虛擬小區(qū)時，我們可以假設(shè)他從19個現(xiàn)實小區(qū)中的某一邊重新進入19小區(qū)。 用戶移動模型在19小區(qū)的仿真環(huán)境中，用戶在仿真區(qū)域內(nèi)服從均勻分布，可以根據(jù)均勻分布隨機生成用戶，并且得到每個用戶的坐標(biāo)?，F(xiàn)在TDSCDMA系統(tǒng)只在幾個較大城市有應(yīng)用，根據(jù)文獻[18]我們選擇角度轉(zhuǎn)向移動模型。在角度轉(zhuǎn)向移動模型中，移動節(jié)點的下一步移動速度、移動時間和轉(zhuǎn)向角度均服從以上一次的移動速度、移動時間和轉(zhuǎn)向角為均值的正態(tài)分布，同時移動速度還受移動節(jié)點所在區(qū)域的最大速度的限制，即不能超過最大的移動速度。該移動模型的用戶聚集效應(yīng)比較明顯，所以可以較好的反映人口密集的街區(qū)的用戶移動特性。用戶移動模塊可通過初始化模塊和參數(shù)設(shè)置模塊中的參數(shù)包來設(shè)置用戶的初始位置、方向和速度等。 仿真業(yè)務(wù)模型語音業(yè)務(wù)語音業(yè)務(wù)屬于一種實時業(yè)務(wù)，實時業(yè)務(wù)的呼叫產(chǎn)生是一個Poisson流。一般認(rèn)為話音業(yè)務(wù)的到達時間間隔服從負(fù)指數(shù)分布。話音的持續(xù)時間服從均值為120秒的負(fù)指數(shù)分布。通話持續(xù)期間，可分為激活期(active)和靜默期(silent)兩個狀態(tài)，激活期指一次呼叫過程中用戶處于通話的平均時間長度，即呼叫處于激活的平均時間，靜止期指在一次呼叫過程中通話處于靜止的平均時間長度，即指在該階段將不占用系統(tǒng)資源的平均時間。上、下行鏈路的激活期和靜默期相互獨立，持續(xù)時間均服從均值為3秒的負(fù)指數(shù)分布?？梢杂肙N/OFF模型描述通話期間的激活狀態(tài)和靜默狀態(tài)，如圖36所示。圖36 語音業(yè)務(wù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型FTP業(yè)務(wù)對于FTP業(yè)務(wù)模型，很多文獻都認(rèn)為，在一次FTP會話中，多數(shù)用戶只進行一次連接，即只進行一次文件下載。因此一個session中只有一個packet call。Ftp各狀態(tài)的分布情況如下：On(Data downloadperiod)：持續(xù)時間服從Pareto分布，表示ftp業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)下載時間。Off：持續(xù)時間服從WeiBull分布，表示上一次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束到下一次數(shù)據(jù)傳輸開始這段間隔時間。音頻流假定音頻源的發(fā)送速率恒定為144kbit/s。根據(jù)文獻[20]，RTP包長為1267byte，所以，在服務(wù)器端，RTP包的發(fā)送間隔為1267*8/144000=70ms，即為70/5=14個功控周期。假定音頻流的持續(xù)時間服從均值為360s的指數(shù)分布[20]。 仿真衰落模型傳播模型典型的傳播模型有OkumuraHata模型、COST231Hata模型、COST231WI模型等。這三種模型都可以通過公式化方式計算傳播損耗，對于3G系統(tǒng)，3GPP一般推薦采用COST231Hata模型進行計算，其公式如下：PathLoss(dB)=+(f)(Hb)a(Hm)+((Hb))log(d) (31)其中：F為使用的頻率，單位MHz。Hb為基站發(fā)射天線高度，單位m。a(Hm)為手機天線高度的影響因子(Hm為手機天線高度)，a(Hm)為0。d為基站與手機之間的距離，單位km。： (32)其中：R是基站和用戶之間的距離，單位km。f為2G頻段的載波頻率，單位Mhz。為基站天線高度，單位m。如果仿真中使用的頻率為2000Mhz，基站天線高度為15m，則公式(32)可以簡化為： L=+ R (33)慢衰落模型