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（廈門大學嘉庚學院 福建漳州 363105）

1 背景

隨著通信技術的迅猛發展，第五代移動通信技術（5G）已經進入商用階段。伴隨業務的發展，用戶對于移動網絡速率和延遲變得格外敏感，對于移動網絡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，設計配置5G 網絡的關鍵參數，對網絡的時延、吞吐率等指標進行仿真評估。

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絡配置能力，可以滿足和適應未來通信更高速率和差異化業務應用的需求［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分別代表發送、接收天線增益和發送、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送功率的前提下增大接收信噪比，就成了當務之急。

2.2 MIMO波束賦形

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

大規模MIMO技術波束賦形是指大規模多天線系統可以控制每一個天線單元的發射（或接收）信號的相位和信號幅度，產生具有指向性的波束，消除來自周圍的干擾，增強波束方向的信號。它可補償無線傳播損耗。從不同天線單元發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（權值），就可以實現不同的方位上進行疊加或抵消，從而實現波束賦形［3］。

波束賦形的具體實現可以概括為對基站的每根天線的傳輸信號做加權處理，加權過程包括幅度調整和相位調整，從而使得最后形成的發送信號對準某個角度，得到定向波束。

2.3 毫米波信道模型

本設計采用3GPP標準模型進行仿真。3GPP標準組織在2016年發布了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現方法，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動仿真機制的5G 毫米波的網絡仿真平臺。在該平臺的基礎上進行5G毫米波性能研究。

NS-3主要用于模擬計算機網絡，它可以在一臺計算機上模擬物理世界中各種類型和規模的網絡結構。NS-3 并沒有一個圖形用戶界面。要用其進行網絡模擬，用戶需要經過下載源代碼、編譯源代碼、編寫模擬腳本和運行模擬腳本4 個基本步驟（在NS-3 中，把用于構建虛擬網絡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仿真系統基本框架

NS-3的仿真過程通常有以下主要步驟。

（1）創建拓撲：將在網絡中使用一組節點（即終端設備）實例化為Node 對象，還可能加入移動模型（Mobility Model）與每個節點相關聯，以表示該節點的物理位置及其隨時間的變化。

（2）建模：在先前創建的節點集上安裝了特定的協議棧。

（3）配置：將協議模型配置為使用某些值作為其參數，并在不同節點之間創建連接。

（4）執行：仿真開始，并且Simulator 類遍歷事件并執行相應的函數調用。

在NS-3 中，一個網絡模擬場景由結點、結點中的協議棧、分組和連接結點的信道等多個網絡元素構成。每個網絡元素對應一個C++基類。

對象模型定義了3 個基類：SimpleRefCount、ObjectBase 和Object。NS-3 中幾乎所有表示網絡元素的C++類都是這3個基類的子類，這種類之間的動態關聯是通過一種叫作對象聚合（object aggregation）的功能實現的［6］。

此外，NS-3 提供數據跟蹤功能，用戶可以采用可視化界面工具PyViz和統計作圖工具Gnuplot等數據分析工具來處理數據并分析結果。該軟件還支持分布式仿真和并行仿真，以進行仿真加速。

3.2 基于NS-3的5G毫米波網絡仿真平臺

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

圖1 5G毫米波網絡仿真平臺架構

NRGnbMac 和NRUeMac MAC 類實現了LTE 模塊的服務訪問點（SAP）提供者和用戶接口，實現了與LTE RLC層的通信。該模塊支持RLC透明模式（TM）、未確認模式（UM）和確認模式（AM）模式。MAC層包含調度器（NRMacScheduler 和派生類），每個調度器還實現了一個用于RRC 層配置的SAP（LteEnbRrc）。NRPhy類用于執行下行（DL）和上行（UL）的定向通信，以發送/接收數據和控制信道。每個NRPhy 類都會寫入一個MmWaveSpectrumPhy 類的實例，該實例在UL和DL 部分之間共享。MmWaveSpectrumPhy 的內部包含PHY層模型，實現干擾計算、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來執行軟合并。

4 仿真結果與分析

4.1 場景設置

本設計場景為基于街道城鎮信道的5G通信網絡。該網絡由基站和用戶組成，各自配置天線矩陣。基站位于仿真網絡的中心原點位置，用戶節點裝載MobilityHelper 類實現用戶的隨機移動。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，配置業務流采用UDP傳輸協議，并使用FlowMonitor類進行數據追蹤，系統仿真基準參數見表1。

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

表1 仿真默認輸入參數

4.2 仿真分析

為了更好地評估系統參數對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、天線數量、天線發射功率、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、實際波束賦形。理想波束賦形同時更新gNB和UE兩個設備的波束，首先通過基站和用戶的位置計算各自的方位角和仰角，接著根據天線單元數量，將總功率在天線單元間平均分配，最后通過式（2）計算權值，其中，n 為天線數，θv，θh分別為天線的方位角和仰角，Lx，Ly，Lz為天線坐標。

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

4.3 仿真結果及性能分析

仿真輸出結果見表2所示。

表2 仿真輸出結果

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，數據傳輸吞吐率顯著下降，時延也顯著上升。若更改天線矩陣內天線數量，吞吐率也會相應提高，這是因為天線越多，越容易形成窄波束，波束賦形增益隨天線數成正相關。發射功率對吞吐率和時延也有較大影響，從6～10dBm時延出現顯著下降，而每增加2dB的發射功率，吞吐率可提升接近20%。信道模型方面，室內辦公室比室外的城區微小區（街道）具有更好的性能，這是因為室內路徑損耗較小，用戶有較高的接收信號強度。對于波束賦形算法，在考慮時延因素后，實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%，出現了比較明顯的性能下降。

5 結語

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