基于LTE的系统级仿真平台设计 许猛 北京邮电大学信息与通信工程学院WCSN实验室，北京（100876） Email: xumengbupt@gmail.com 摘 要：在无线通信系统实际部署之前，要对它进行充分的研究与评估，系统级仿真是全面

考察系统整体性能的最常用手段。本文主要讨论了系统级仿真的基本方法，介绍了系统级仿真的分类：静态仿真和动态仿真，并对系统级仿真的原理进行了详尽的阐述，给出了系统级仿真与链路级仿真的接口的设计。以LTE系统为例，介绍了系统级仿真的基本流程，给出了系统级仿真的各个模块的基本模型，如小区模型、天线模型、路径损耗模型、调度模型、链路自适应模型等，详细阐述了系统级仿真的整个过程。 关键词：LTE；系统级仿真；调度 中图分类号：TN92

1．引言 近年来，移动通信的发展十分迅速，人们的需求从以简单的语音通话，慢慢向着多媒体方向转变，如数据、图像、传真等。随着用户需求的转变，新的通信系统层出不穷。从第一代的模拟通信系统，发展到第二代的窄带数字移动通信系统，如GSM，CDMA等，再到第三代的宽带移动通信系统（3G），如TD-SCDMA、WCDMA及CDMA2000，以及下一代移动通信系统LTE，每一阶段都极大改善了用户的服务质量，提供了更加丰富的业务。[1]

通信系统部署之前，需要对其进行充分的评估，掌握系统的整体性能，才能更好的部署，提供更好的通信服务。系统级仿真提供了评估系统性能的一个很好的平台。利用系统级仿真平台模拟系统的工作过程，可以得到系统的网络容量、覆盖分析等指标，从而合理的估计网络的规模及投资的规模，控制建设成本。[2]

LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准,它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。本文主要以LTE系统为背景，介绍了系统级仿真的原理与方法。[5]

2 .系统级仿真原理及仿真框架 系统级仿真是对用户和系统行为的拟合，是从整个系统（包含多个小区和用户）的角度分析系统的覆盖、容量和系统的性能，对于系统的参数设置给予定量的分析，为无线网络的规划优化提供依据。[2]

系统级仿真方法有两种，分别为静态仿真（Static Simulations）和动态仿真（Dynamic Simulations）。静态仿真通过需要对快照（Snapshot）的分析来了解网络性能，他需要一定数量的网络快照。动态仿真就是让真实环境中用户和系统采取的主要行为方式在系统级仿真中都得到具体的模仿性体现。比如用户的起呼，掉话，行进，转弯，切换等，在这些动态行为的基础上，用统计的方法计算所要求的参数和结果。[2]

系统级仿真结果要依赖与链路级仿真的结果。链路层接口将系统级结果映射到物理层参数上去，有两种常用的方法：一种是链路级和系统级联合仿真，对系统信息进行实时的处理，

http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 提供实时的误码块（BLER）。这样仿真需要花费的时间很长，复杂度太高；另一种是查表法，链路级和系统级分开仿真，通过统计特性得到链路级和系统级的接口（BLER），以此作为系统级的映射接口，这样可以大大的降低系统的复杂度，是比较常用的仿真方法。[3]

2.1 系统级仿真框架 LTE系统仿真框架如图1所示，主要包括小区模型及用户模型的建立，信干扰比（SINR）的计算，链路自适应，资源分配，信道反馈等。通过一定数量的仿真帧数，得到统计意义上的仿真结果。

图1 LTE系统级仿真框架 2.2 小区模型 小区采用六边形蜂窝式结构，分为19个三扇区基站，57个小区。 2.3 天线模型 基站天线采用三个扇区化天线，每扇区的天线方向图在图3中给出。宏小区的BS天线高度和天线增益如表1所示。

http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 ()23min12, where 180180mdBAAθ

θθ

θ

⎡⎤⎛⎞

⎢⎥=−−≤≤

⎜⎟

⎢⎥⎝⎠

⎣⎦

（公式1）

其中，dB3θ是3dB的波束宽度，这里取65度，m

A=20dB是最大损耗。

-25-20-15-10-50

-180-150-120-90-60-300306090120150180Horizontal Angle - Degrees

Gain - dB

图2 扇区天线方向图 表1 宏小区的BS天线高度和天线增益 城区 郊区 900 MHz 2000 MHz 900 MHz BS天线增益 (dBi) (包括线路损耗) 15 15 12

天线高度 (m) 45 30 30

2.4 路径损耗模型 根据3GPP36.942协议，宏小区传播环境分为城区环境和郊区环境。城区环境的传播损耗公式为： 310101040*(14*10*)*log()18*log()21*log()80LDhbRDhbfdB−=−−++

（公式

2） 其中，L表示路径损耗，单位为分贝（dB） Dhb表示基站天线离屋顶的高度，单位为米（m） R表示基站与用户之间的距离，单位为千米（km） f表示载波频率，单位为兆赫兹（MHz） 郊区环境的传播损耗公式为：

http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 1010101021010

69.5526.16*log()13.82*log()[44.96.55*log()]*log()...4.78*(log())18.33*log()40.94LfHbHbRff=+−+−−+−（公式3） 其中，L表示路径损耗，单位为分贝（dB） Hb表示基站天线离地面的高度，单位为米（m） R表示基站与用户之间的距离，单位为千米（km） f表示载波频率，单位为兆赫兹（MHz） 本文仿真中选用城区传播环境，载波频率选择为2000MHz，天线高度是高于平均屋顶水平15米。传播损耗模型公式如下所示：

10128.137.6*log()LR=+（公式4）

其中R表示基站到用户的距离，单位为千米（Km）。[4]

2.5 调度模型 资源调度可以提高频谱效率和系统吞吐量，LTE采用动态资源调度的方式，保证边缘用户的数据速率，提高系统容量。常用的调度算法有：轮询调度算法（RR，Round Robin），最大载干比调度算法（Max C/I）和比例公平调度算法（PF，Proportional Fair）。 轮询调度的优先级计算函数为：1,2,...argmax{()}jjKkTt==。它可以保证均等的为所有用户

提供资源，保证用户占有资源的公平性； 最大载干比调度的优先级计算函数为：1,2,...argmax{()()}jjKCktI==。它可以保证信道条件

好的用户占有资源，提高系统的吞吐量； 比例公平调度算法的优先级计算函数为：1,2,...()argmax{()}()jjKjrtkRt==，其中，

()1(1)(1)*()jjjccrtRtRtTT+=−+。它可获得用户间的公平性与系统吞吐量的折中。

[6]

3．仿真参数及仿真结果 仿真的一些模型及条件已经在前面介绍了一些，具体的仿真参数设置如表2所示： 表2 系统仿真条件及参数 参数 设定值

小区拓扑 正六边形，三扇区天线，57个扇区 载频 2000MHz 系统带宽 5MHz 站址间距 1732m

大尺度传播损耗 10128.137.6*log()LR=+

天线模型 ()2

3min12, where 180180mdBAAθ

θθ

θ

⎡⎤⎛⎞

⎢⎥=−−≤≤

⎜⎟

⎢⎥⎝⎠

⎣⎦

http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线 Am = 20 dB 阴影衰落的标准方差 10dB 信道估计 理想 用户在小区的分布 随机分布 每个小区的用户数 4个 调度算法 轮询/最大载干比/比例公平 子信道大小 12个子载波

不同调度算法下，用户吞吐量曲线如图3所示：

012345600.10.20.30.40.50.60.70.80.91

UE Throughput in MbpsCDF of UE Throughput RRPFmaxC2I

图3用户吞吐量PDF曲线 4．总结及展望 本文系统的阐述了系统级仿真的原理及实现的基本框架，给出了小区模型、天线模型、路径损耗模型和调度模型等系统级仿真采用的模型。对于不同的调度算法，本文给出了其优先级公式，并仿真了不同调度算法下的用户吞吐量曲线。在未来，可以在现在的基本框架的基础上，进一步的完善系统级仿真，如增加链路自适应，采用不同的接收机模型，采用其他的调度算法等，更好的研究系统的整体性能。可以研究各个模型下，不同的算法的性能，评估更加适合系统的优秀算法。

http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线