基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法

2023-10-29 17:53:52 1

基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法
【專利摘要】本發明公開一種基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法，主要包括如下步驟：（1）系統級仿真平臺將協作通信系統多個快照仿真動態分配給分布式計算伺服器實現並行計算；（2）針對每個獨立系統快照模擬傳輸過程，採用固定協作方式確定協作集合，對各協作集合併行式獨立仿真計算；（3）考慮到小區間幹擾概率分布特點，鄰小區小尺度幹擾值對用戶影響可以被平均，所以對耗時較長的幹擾計算模塊參考前一時隙或者多個時隙前的幹擾計算值，由此不同小區用戶可以通過並行方式計算用戶當前信幹噪比。本發明的特點在於，利用從外到內的多層並行化設計，能最大限度的提高系統仿真速度和效率，有效利用計算資源並且保證仿真結果可靠性不變。
【專利說明】基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無線通信【技術領域】，尤其是涉及一種具有並行結構的多小區協作通信網絡系統級仿真方法。
【背景技術】
[0002]目前傳統網絡拓撲結構的主要問題是:小區的交界存在幹擾和覆蓋質量下降的問題，導致終端在小區切換部位的性能較差。針對這個問題，3GPP提出了多小區協作傳輸(CoMP, Coordinated Multiple Point)方案，即通過多個小區之間聯合處理實現小區間和同頻組網幹擾的抑制/和消除。可以將多小區協作傳輸分為兩種:一種是多個小區同時傳輸同一用戶數據，將其他小區的幹擾信號轉化為本小區用戶的有用信號，通過提升用戶的信噪比來保證解調性能，這種技術即稱為聯合處理(JP，Joint Processing);另一種是在各小區進行合理的預編碼使信號在空間上相互隔開，或者是通過協調調度，讓臨近小區儘量避免在同一時間上調度同一方向上的用戶，減小同頻幹擾，保證用戶鏈路質量，這種技術稱為協同調度/協同波束賦形(CS/CBCoordinate Schedule/Beamforming)。兩種模式共同點在於，發送端需要根據接收端反饋的信道信息，採用恰當的預編碼方案來降低用戶之間的幹擾，提升系統性能。
[0003]由於多小區協作系統建模複雜性，要真正了解CoMP的設計方法和獲得實際性能，需要系統級仿真平臺。系統級仿真在無線網絡規劃、優化、新算法和新協議的仿真研究方面具有很廣泛的應用。針對多小區和多用戶的分析，往往需要統計平均小區容量和用戶性能指標。多小區協作通信系統著重解決邊緣用戶性能，因此也要考察5%邊緣用戶的頻譜效率。一些公司和企業都有自己開發的LTE系統仿真平臺，可以在系統商用之前模擬網絡性能改善。但是隨著網絡結構逐步向多層發展，網絡節點進一步增加，用戶接入數量增長，目前的系統級仿真平臺需要更多的仿真時間，仿真速度慢，效率低。
[0004]因此很有必要建立高效的多小區協作系統仿真平臺，將系統流程拆分成可並行的模塊執行，採用內外多層並行化，利用概率推導，得到等效幹擾模擬方法。這樣可以大大節省仿真時間，有效提高仿真效率，在充分利用計算資源情況下保證結果可靠性不變。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術的不足，本發明提出了一種基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法。所述方法首先將本地計算機作為主服務節點，在遠程伺服器資源實現外層多個獨立仿真過程的並行計算；在每個服務資源上的獨立仿真過程中，進一步按協作集合拆分，將各協作集合實現獨立並行計算仿真和信息交互；對於仿真耗時較長的幹擾計算模塊，用前面時刻的幹擾值取代當前時刻幹擾值，並代入至幹擾公式，最後將多個伺服器結果收集至本地計算機，得到仿真結果。本發明方法解決了現有的多小區協作系統級仿真速度慢，效率低的問題。
[0006]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下:[0007]—種基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法，包括步驟如下:
[0008]步驟A，將協作通信系統仿真的多個並行仿真過程動態分配給分布式計算伺服器進行獨立並行計算，配置主從式集群環境，本機作為主節點。
[0009]步驟B，針對各伺服器節點下獨立的協作通信系統過程，首先是仿真場景的初始化，伺服器生成以下四種仿真場景之一(城市宏蜂窩UMa、城市微蜂窩UM1、市郊宏蜂窩SMa和鄉村宏蜂窩RMa)，再根據協議TR36.819產生均勻分布的活躍用戶，產生各場景下小區與用戶之間的多種衰落，主要包括路徑損耗、陰影衰落和天線增益。仿真將默認採用固定三小區協作方式劃分協作集合，給各個協作集合分配不同的處理器單元，協作集合進行獨立並行式仿真，在各協作集合下仿真步驟進一步拆分為:信道生成，各協作集合內多點協作傳輸，信息交互計算幹擾，虛擬傳輸和結果統計，介紹如下:
[0010]步驟B-1，產生設定場景下的小尺度信道，建模基於幾何統計方法；
[0011]步驟B-2，各協作集合依次實施資源塊分配、用戶調度以及幹擾消除。資源塊分配確定協作傳輸的頻譜比例，用戶調度保證用戶服務的公平性，各協作集合內通過預編碼處理消除幹擾，單用戶使用奇異值分解；多用戶系統的線性預編碼方法有兩種，分別是最大化信漏噪比預編碼、塊對角化預編碼；
[0012]步驟B-3，各協作集合相互交換上一步驟中的傳輸算法模塊相關調度及預編碼信息，獨立計算集合內用戶接收信噪比，考慮基站間幹擾概率分布特點，耗時較長的幹擾計算模塊參考前一時隙或者多個時隙前的幹擾計算值，由此不同小區用戶可以通過並行方式計算用戶當前信幹噪比；
[0013]步驟B-4，各協作集合虛擬資源塊傳輸，根據鏈路級映射計算各用戶有效信噪比，由用戶有效信噪比和調製編碼方式查表得到對應誤塊率(BLER，Block Error Rate)概率，產生隨機數與此概率值比較，從而決定當前的傳輸包是否需要重傳；
[0014]步驟B-5,各協作集合當前傳輸時間間隔(TTI, Transmission Time Interval)傳輸完畢，記錄仿真結果用戶頻譜效率分布曲線；
[0015]步驟C，主節點接收匯總結果，最終對此多個仿真過程的結果即小區平均頻譜效率和5%邊緣用戶頻譜效率取平均，得到系統性能。
[0016]相對於現有技術，本發明的有益效果是:本發明提出了一種基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法。本發明方法所提供的並行仿真方法利用從外到內的多層並行化設計，能最大限度的提高系統仿真速度和效率；幹擾處理模塊中幹擾值採用之前時刻的計算值方法，在時變緩慢的信道中能夠取得和現有平臺相似的性能，而仿真速度可提高多倍，達到預期設想。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為固定相鄰三小區協作方案示意圖。
[0018]圖2為本發明步驟2的具體實施流程圖。
[0019]圖3為本發明在多小區協作系統中並行化仿真後的用戶性能分布圖。
【具體實施方式】
[0020]下面對本發明提出的一種基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法進行詳細說明:圖1是本發明多小區協作集合方案示意圖，是一種固定的協作方式。圖2是本發明單個計算節點獨立仿真過程的流程圖，為系統仿真的內層。本實施例是一種基於並行結構的協作網絡系統並行化仿真的方法，其完整步驟如下:
[0021]1、系統級仿真平臺將協作通信系統多個獨立仿真過程動態分配給Matlab分布式計算伺服器實現並行計算，網際網路中連接多臺單獨計算機，配置主從式集群環境，本機作為主節點，在集群中利用分布式計算伺服器MDCS (Matlab Distributed ComputingServer)將仿真任務拆分給分布式伺服器，通過命令進入管理中心，依次完成測試、主機、作業管理器和節點等配置工作，模擬出節點數為2，4，6，8，10共5個主從式集群環境。每個計算節點作為一個工作點完成一個單獨多小區協作系統的仿真。
[0022]2、針對各伺服器節點下獨立的協作通信系統過程仿真過程，首先根據3GPP要求生成需要的仿真場景，採用固定三小區協作方式劃分協作集合，對各協作集合實現並行式仿真。多小區協作系統中以相鄰的三個小區作為固定協作集合，如圖1，各協作集合仿真具體包括以下步驟:
[0023]I)採用ITU-RM.2135協議中規定的城市宏蜂窩(UMa)、城市微蜂窩(UMi)、市郊宏蜂窩(SMa)和鄉村宏蜂窩(RMa)等四種場景模型，按照仿真需求實現仿真環境的拓撲結構，具體參數見表1 ;
[0024]2)根據3GPPTR36.819協議規定的用戶分布參數在網絡中產生對應的活躍用戶。根據ITU-RM.2135產生相應場景下各小區與各用戶之間的慢衰落，主要包括路徑損耗、陰影損耗和天線增益，計算出每個用戶的寬帶信噪比。系統設定寬帶信噪比門限值，對每個用戶若用戶的寬帶信噪比小於寬帶信噪比門限，則用戶為協作用戶，否則為普通用戶；
[0025]以協作集合為單位做並行仿真，如圖2;各協作集合分別完成如下工作:
[0026]3)生成對應場景下的小尺度信道，小尺度信道是基於幾何統計建模；
[0027]4)將協作集合的資源塊分為協作資源塊和非協作資源塊，分配比例默認為3:7，即30%資源塊用於邊緣用戶協作傳輸，70%資源塊用於中心用戶傳輸；分別在對應的資源塊上採用比例公平方法進行協作頻段傳輸和非協作頻段傳輸；
[0028]5)各協作集合內通過預編碼處理幹擾消除。單用戶可使用SVD (Singular ValueDecomposition)分解；多用戶系統的線性預編碼方案主要有兩種:一種是基於最大化信漏噪比(SLNR)的預編碼方案，一種是塊對角化(BD)預編碼方案；
[0029]在所有協作集合獨立完成上述步驟後，各協作集合幹擾交互信息計算集合內用戶當前信噪比；
[0030]6)若仿真單用戶多小區協作系統傳輸，根據數學模型，n時刻一個RB上用戶i接收的信號為
[0031]
【權利要求】
1.一種基於並行結構的協作網絡系統級仿真方法，其特徵在於該方法包括以下步驟:步驟A，將協作通信系統仿真的多個並行仿真過程動態分配給分布式計算伺服器進行獨立並行計算，配置主從式集群環境，本機作為主節點； 步驟B，針對各伺服器節點下獨立的協作通信系統過程，首先是仿真場景的初始化，伺服器生成城市宏蜂窩UMa、城市微蜂窩UM1、市郊宏蜂窩SMa和鄉村宏蜂窩RMa這四種仿真場景之一，再根據協議TR36.819產生均勻分布的活躍用戶，產生各場景下小區與用戶之間的多種衰落，所述衰落主要包括路徑損耗、陰影衰落和天線增益，仿真將默認採用固定三小區協作方式劃分協作集合，給各個協作集合分配不同的處理器單元，協作集合進行獨立並行式仿真，在各協作集合下仿真步驟進一步拆分為:信道生成，各協作集合內多點協作傳輸，信息交互計算幹擾，虛擬傳輸和結果統計，具體包括如下步驟: 步驟B-1，產生設定場景下的小尺度信道，建模基於幾何統計方法； 步驟B-2，各協作集合依次實施資源塊分配、用戶調度以及幹擾消除，資源塊分配確定協作傳輸的頻譜比例，用戶調度保證用戶服務的公平性，各協作集合內通過預編碼處理消除幹擾，單用戶使用奇異值分解；多用戶系統的線性預編碼方法有兩種，分別是最大化信漏噪比預編碼、塊對角化預編碼； 步驟B-3，各協作集合相互交換上一步驟中的傳輸算法中相關調度及預編碼信息，獨立計算集合內用戶接收信噪比，考慮基站間幹擾概率分布特點，耗時較長的幹擾計算模塊參考前一時隙或者多個時隙前的幹擾計算值，由此不同小區用戶可以通過並行方式計算用戶當前信幹噪比； 步驟B-4，各協作集合虛擬資源塊傳輸，根據鏈路級映射計算各用戶有效信噪比，由用戶有效信噪比和調製編碼方式查表得到對應誤塊率(BLER，Block Error Rate)概率，產生隨機數與此概率值比較，從而決定當前的傳輸包是否需要重傳； 步驟B-5,各協作集合當前傳輸時間間隔(TTI, Transmission Time Interval)傳輸完畢，記錄仿真結果，得到用戶頻譜效率分布曲線； 步驟C，主節點接收匯總結果，最終對此多個仿真過程的結果即小區平均頻譜效率和5%邊緣用戶頻譜效率取平均，得到系統性能。
【文檔編號】H04W24/06GK103634834SQ201310671899
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】許威, 黃健, 張華
申請人:東南大學