基于NS-3的5G毫米波仿真平臺

黃忠濤 張朝賢 董一 梁志輝 黃千益（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 福建漳州 363105）

1 背景

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，第五代移動通信技術(shù)（5G）已經(jīng)進(jìn)入商用階段。伴隨業(yè)務(wù)的發(fā)展，用戶對于移動網(wǎng)絡(luò)速率和延遲變得格外敏感，對于移動網(wǎng)絡(luò)的承載能力提出了更高的要求。為此，本文基于5G毫米波仿真平臺，設(shè)計配置5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)的時延、吞吐率等指標(biāo)進(jìn)行仿真評估。

2 5G毫米波通信

通常，毫米波頻段是指30～300GHz，相應(yīng)的波長為1～10mm的電磁波。5G通信中的毫米波通信是指頻率在24～200GHz、波長為3～10mm 的范圍。毫米波擁有超大帶寬資源和靈活彈性的網(wǎng)絡(luò)配置能力，可以滿足和適應(yīng)未來通信更高速率和差異化業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求［1］。

2.1 毫米波自由空間損耗

自由空間傳播接收信號公式如下：

式中，Gt、Gr、Pt、Pr分別代表發(fā)送、接收天線增益和發(fā)送、接收功率。可以看到，接收功率與波長的平方成正比，即與頻率的平方成反比，而毫米波的高頻率意味著更高的傳輸損耗（接收功率變小）。不止如此，毫米波的穿透等能力也大大降低。相較于現(xiàn)在4G LTE 的低頻載波，毫米波的雖然有更大的帶寬，卻也飽受傳輸損耗之苦，如何解決在不大幅提升發(fā)送功率的前提下增大接收信噪比，就成了當(dāng)務(wù)之急。

2.2 MIMO波束賦形

為了克服毫米波路徑損耗大的問題，5G引入了大規(guī)模MIMO技術(shù)，使用波束賦形，將天線能量集中在定向窄波束中對準(zhǔn)用戶發(fā)送，以顯著增強(qiáng)接收信號功率［2］。

大規(guī)模MIMO技術(shù)波束賦形是指大規(guī)模多天線系統(tǒng)可以控制每一個天線單元的發(fā)射（或接收）信號的相位和信號幅度，產(chǎn)生具有指向性的波束，消除來自周圍的干擾，增強(qiáng)波束方向的信號。它可補(bǔ)償無線傳播損耗。從不同天線單元發(fā)射出來的電磁波會在空中相互疊加或抵消，通過改變每個天線的相位和幅度（權(quán)值），就可以實(shí)現(xiàn)不同的方位上進(jìn)行疊加或抵消，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形［3］。

波束賦形的具體實(shí)現(xiàn)可以概括為對基站的每根天線的傳輸信號做加權(quán)處理，加權(quán)過程包括幅度調(diào)整和相位調(diào)整，從而使得最后形成的發(fā)送信號對準(zhǔn)某個角度，得到定向波束。

2.3 毫米波信道模型

本設(shè)計采用3GPP標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行仿真。3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織在2016年發(fā)布了3GPP TR 38.900高頻信道模型，該模型是3GPP TR 36.873 三維模型的擴(kuò)展版，所適用頻率范圍為6～100GHz，支持的場景包括UMi、UMa 和InH，并增加了5G場景的信道新特性實(shí)現(xiàn)方法，包括空間一致性、多載波聚合、大氣損耗、地面反射、大帶寬和大天線陣列等［4］。

3 基于NS-3平臺的5G仿真

本文將給出基于NS-3 開源平臺離散事件驅(qū)動仿真機(jī)制的5G 毫米波的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。在該平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行5G毫米波性能研究。

NS-3主要用于模擬計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它可以在一臺計算機(jī)上模擬物理世界中各種類型和規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。NS-3 并沒有一個圖形用戶界面。要用其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬，用戶需要經(jīng)過下載源代碼、編譯源代碼、編寫模擬腳本和運(yùn)行模擬腳本4 個基本步驟（在NS-3 中，把用于構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)的程序叫作模擬腳本）。目前，NS-3的模擬腳本可以支持C++和Python兩種程序語言［5］。

3.1 NS-3仿真系統(tǒng)基本框架

NS-3的仿真過程通常有以下主要步驟。

（1）創(chuàng)建拓?fù)洌簩⒃诰W(wǎng)絡(luò)中使用一組節(jié)點(diǎn)（即終端設(shè)備）實(shí)例化為Node 對象，還可能加入移動模型（Mobility Model）與每個節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，以表示該節(jié)點(diǎn)的物理位置及其隨時間的變化。

（2）建模：在先前創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)集上安裝了特定的協(xié)議棧。

（3）配置：將協(xié)議模型配置為使用某些值作為其參數(shù)，并在不同節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建連接。

（4）執(zhí)行：仿真開始，并且Simulator 類遍歷事件并執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)調(diào)用。

在NS-3 中，一個網(wǎng)絡(luò)模擬場景由結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)中的協(xié)議棧、分組和連接結(jié)點(diǎn)的信道等多個網(wǎng)絡(luò)元素構(gòu)成。每個網(wǎng)絡(luò)元素對應(yīng)一個C++基類。

對象模型定義了3 個基類：SimpleRefCount、ObjectBase 和Object。NS-3 中幾乎所有表示網(wǎng)絡(luò)元素的C++類都是這3個基類的子類，這種類之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)是通過一種叫作對象聚合（object aggregation）的功能實(shí)現(xiàn)的［6］。

此外，NS-3 提供數(shù)據(jù)跟蹤功能，用戶可以采用可視化界面工具PyViz和統(tǒng)計作圖工具Gnuplot等數(shù)據(jù)分析工具來處理數(shù)據(jù)并分析結(jié)果。該軟件還支持分布式仿真和并行仿真，以進(jìn)行仿真加速。

3.2 基于NS-3的5G毫米波網(wǎng)絡(luò)仿真平臺

如圖1 所示，5G 毫米波的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的基本通信過程與NS-3通信基本過程相同，增加了數(shù)據(jù)包通過NRGnbNetDevice 類所代表的入口點(diǎn)在無線接入網(wǎng)（RAN）上傳輸。如果用戶設(shè)備（UE）正確接收到該數(shù)據(jù)包，則由NRUeNetDevice 類傳遞到更高層次。在上行（UL）情況下，數(shù)據(jù)包穿過的路徑與上面描述的路徑相同，但方向相反。

圖1 5G毫米波網(wǎng)絡(luò)仿真平臺架構(gòu)

NRGnbMac 和NRUeMac MAC 類實(shí)現(xiàn)了LTE 模塊的服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）提供者和用戶接口，實(shí)現(xiàn)了與LTE RLC層的通信。該模塊支持RLC透明模式（TM）、未確認(rèn)模式（UM）和確認(rèn)模式（AM）模式。MAC層包含調(diào)度器（NRMacScheduler 和派生類），每個調(diào)度器還實(shí)現(xiàn)了一個用于RRC 層配置的SAP（LteEnbRrc）。NRPhy類用于執(zhí)行下行（DL）和上行（UL）的定向通信，以發(fā)送/接收數(shù)據(jù)和控制信道。每個NRPhy 類都會寫入一個MmWaveSpectrumPhy 類的實(shí)例，該實(shí)例在UL和DL 部分之間共享。MmWaveSpectrumPhy 的內(nèi)部包含PHY層模型，實(shí)現(xiàn)干擾計算、信干噪比（SINR）計算、基于互信息（Mutual Information）的錯誤模型等功能，以及HARQ來執(zhí)行軟合并。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 場景設(shè)置

本設(shè)計場景為基于街道城鎮(zhèn)信道的5G通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由基站和用戶組成，各自配置天線矩陣。基站位于仿真網(wǎng)絡(luò)的中心原點(diǎn)位置，用戶節(jié)點(diǎn)裝載MobilityHelper 類實(shí)現(xiàn)用戶的隨機(jī)移動。基站天線矩陣配置為4×8，用戶天線矩陣配置為2×4。仿真中，配置業(yè)務(wù)流采用UDP傳輸協(xié)議，并使用FlowMonitor類進(jìn)行數(shù)據(jù)追蹤，系統(tǒng)仿真基準(zhǔn)參數(shù)見表1。

需要說明的是，以上參數(shù)是仿真基準(zhǔn)值，在下文使用變量控制法進(jìn)行仿真時的分析，除了改動的參數(shù)之外，其他參數(shù)都參照表1中的配置。

表1 仿真默認(rèn)輸入?yún)?shù)

4.2 仿真分析

為了更好地評估系統(tǒng)參數(shù)對5G 毫米波傳輸性能的影響，仿真配置了不同的載波頻率、基站與用戶距離、天線數(shù)量、天線發(fā)射功率、信道模型及波束賦形算法對用戶接收性能的影響。

對于波束賦形算法，本仿真討論了兩種情形：理想波束賦形、實(shí)際波束賦形。理想波束賦形同時更新gNB和UE兩個設(shè)備的波束，首先通過基站和用戶的位置計算各自的方位角和仰角，接著根據(jù)天線單元數(shù)量，將總功率在天線單元間平均分配，最后通過式（2）計算權(quán)值，其中，n 為天線數(shù)，θv，θh分別為天線的方位角和仰角，Lx，Ly，Lz為天線坐標(biāo)。

實(shí)際波束賦形與前者不同的是，并非所有波束都會同時更新。仿真平臺通過設(shè)置觸發(fā)條件，將每個波束賦形作為任務(wù)來執(zhí)行，根據(jù)其自身的事件（上行SRS計數(shù)或延遲）觸發(fā)。該方法的波束加權(quán)具有一定的延遲，因此，相對理想波束賦形會有性能損失。

4.3 仿真結(jié)果及性能分析

仿真輸出結(jié)果見表2所示。

表2 仿真輸出結(jié)果

由表2可以看出，由于隨著載波頻率增大、傳輸距離的增大，路徑損耗也急劇增大，因此，數(shù)據(jù)傳輸吞吐率顯著下降，時延也顯著上升。若更改天線矩陣內(nèi)天線數(shù)量，吞吐率也會相應(yīng)提高，這是因?yàn)樘炀€越多，越容易形成窄波束，波束賦形增益隨天線數(shù)成正相關(guān)。發(fā)射功率對吞吐率和時延也有較大影響，從6～10dBm時延出現(xiàn)顯著下降，而每增加2dB的發(fā)射功率，吞吐率可提升接近20%。信道模型方面，室內(nèi)辦公室比室外的城區(qū)微小區(qū)（街道）具有更好的性能，這是因?yàn)槭覂?nèi)路徑損耗較小，用戶有較高的接收信號強(qiáng)度。對于波束賦形算法，在考慮時延因素后，實(shí)際波束賦形的吞吐率比理想波束賦形降低了14.6%，時延增大了31.8%，出現(xiàn)了比較明顯的性能下降。

5 結(jié)語

本文給出了基于NS-3的5G毫米波仿真平臺的基本架構(gòu)，通過該平臺配置相關(guān)場景和參數(shù)，對5G 毫米波性能進(jìn)行了評估。本文配置了不同的載波頻率、基站與用戶距離、天線數(shù)量、天線發(fā)射功率、信道模型及波束賦形算法等參數(shù)，對用戶平均時延和吞吐率進(jìn)行了仿真，為5G毫米波應(yīng)用提供必要的參考。