星上LTE系統(tǒng)仿真分析范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了星上LTE系統(tǒng)仿真分析參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《無(wú)線電通信技術(shù)雜志》2015年第二期

1EPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

與先前的蜂窩系統(tǒng)所采用的電路交換模式不同，lte僅支持分組交換業(yè)務(wù)，即在用戶(hù)終端和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)間建立無(wú)縫的移動(dòng)IP連接。3GPP對(duì)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）和核心網(wǎng)（CN）的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行重新修訂，稱(chēng)之為系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)（SAE），結(jié)果形成了一個(gè)扁平的RAN架構(gòu)，以及一個(gè)被稱(chēng)為演進(jìn)分組核心網(wǎng)（EPC）的全新核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。LTERAN和EPC一起被稱(chēng)為演進(jìn)分組系統(tǒng)（EPS）。RAN負(fù)責(zé)整體網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線相關(guān)功能，包括分組調(diào)度、無(wú)線資源管理、重傳協(xié)議、編碼和多天線方案等。EPC負(fù)責(zé)與無(wú)線接口無(wú)關(guān)但為提供完整的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)所需要的功能，包括認(rèn)證、計(jì)費(fèi)和端到端連接的建立等。1．1系統(tǒng)架構(gòu)3GPPEPS的系統(tǒng)架構(gòu)［10］如圖1所示，分為無(wú)線接入網(wǎng)（EUTRAN）和核心網(wǎng)（EPC）兩部分。EUTRAN采用扁平化的eNodeB架構(gòu)，多個(gè)eNodeB之間可通過(guò)X2接口互聯(lián)，每個(gè)eNodeB負(fù)責(zé)一個(gè)或多個(gè)小區(qū)的無(wú)線相關(guān)功能，相當(dāng)于3G蜂窩系統(tǒng)中的NodeB和RNC的部分功能合并。EPC包括移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（PGW）、政策和計(jì)費(fèi)規(guī)則實(shí)體（PCRF）以及歸屬用戶(hù)服務(wù)器（HSS）。MME是EPC的控制平面節(jié)點(diǎn)，職責(zé)包括針對(duì)終端的承載連接／釋放、空閑到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)移、安全密鑰的管理。SGW是EPC連接EUTRAN的用戶(hù)平面的節(jié)點(diǎn)，作為終端在eNodeB之間移動(dòng)時(shí)的移動(dòng)性錨點(diǎn)。此外，SGW還針對(duì)計(jì)費(fèi)信息進(jìn)行收集和統(tǒng)計(jì)。PGW將EPC連接到互聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于特定終端的IP地址分配以及根據(jù)PCRF所控制的策略來(lái)進(jìn)行業(yè)務(wù)質(zhì)量改善，均由PGW進(jìn)行管理。此外，EPC還包括一些其他類(lèi)型節(jié)點(diǎn)，其中HSS是用于存儲(chǔ)用戶(hù)簽約信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，歸屬網(wǎng)絡(luò)中可以包括一個(gè)或多個(gè)HSS。PCRF包括策略控制決策和基于流計(jì)費(fèi)控制的功能，向PCEF提供關(guān)于服務(wù)數(shù)據(jù)流的檢測(cè)、基于QoS和基于流計(jì)費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)控制功能。圖1中的節(jié)點(diǎn)都是邏輯節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際的物理實(shí)現(xiàn)中，有些節(jié)點(diǎn)很可能被合并，如MME、PGW和SGW可以合并為一個(gè)單一物理節(jié)點(diǎn)。

2NS3中的LTE模型：LENA

2．1系統(tǒng)架構(gòu)LENA的總體架構(gòu)如圖2所示，分為L(zhǎng)TE模型和EPC模型兩部分。LTE模型包括LTE的空口協(xié)議棧（RRC、PDCP、RLC、MAC和PHY），這些協(xié)議層都存在于UE和eNodeB實(shí)體內(nèi)部。EPC模型包括核心網(wǎng)的各類(lèi)接口、協(xié)議和實(shí)體，存在于SGW、PGW和MME邏輯節(jié)點(diǎn)內(nèi)，以及部分存在于eNodeB邏輯節(jié)點(diǎn)內(nèi)。考慮到LTE系統(tǒng)的復(fù)雜性以及仿真需求的特定性，LENA對(duì)LTE模型和EPC模型根據(jù)設(shè)計(jì)原則（見(jiàn)下）進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

LTE模型LTE模型的設(shè)計(jì)目標(biāo)支持以下特性：①無(wú)線資源管理；②QoS分組調(diào)度；③小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)；④動(dòng)態(tài)頻譜訪問(wèn)。LTE模型要足夠精確到能夠準(zhǔn)確完成上述4點(diǎn)的仿真，因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)考慮以下方面：在無(wú)線資源方面，建模的最小粒度是資源塊RB，用于保證對(duì)特性②和特性③的支持；仿真的擴(kuò)展性能夠支持?jǐn)?shù)十個(gè)eNodeB和上百個(gè)UE。對(duì)物理層的建模，符號(hào)級(jí)別的鏈路仿真由于復(fù)雜度高，僅支持單個(gè)eNodeB和數(shù)個(gè)UE；對(duì)于不同小區(qū)，支持每小區(qū)的不同載頻和帶寬配置，并且對(duì)頻率的干擾能夠正確建模，用以支持特性④；考慮對(duì)IP分組數(shù)據(jù)的承載，LTE調(diào)度模塊和無(wú)線資源管理RRM單元需要針對(duì)RLCPDU進(jìn)行操作，因此需要實(shí)現(xiàn)RLC協(xié)議層，從而支持對(duì)IP分組數(shù)據(jù)的分割和串接等操作；LTE模型中存在兩類(lèi)邏輯節(jié)點(diǎn)：UE和eNodeB。UE側(cè)完整實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)平面和控制平面的協(xié)議層。對(duì)于數(shù)據(jù)平面，每個(gè)無(wú)線承載實(shí)例都對(duì)應(yīng)一對(duì)PDCP和RLC協(xié)議實(shí)例；對(duì)于控制平面，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線信令承載：用于公共控制信道CCCH的SRB0和用于專(zhuān)用控制信道DCCH的SRB1、實(shí)現(xiàn)了非接入層的部分邏輯控制。

2．2EPC模型EPC模型設(shè)計(jì)的初衷是為L(zhǎng)TE模型提供細(xì)粒度的端到端IP業(yè)務(wù)流仿真，因此模型支持多個(gè)UE通過(guò)空口經(jīng)EPC的單個(gè)SGW／PGW節(jié)點(diǎn)連接到因特網(wǎng)。模型對(duì)EPC的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，僅支持以下幾個(gè)方面：①PDN類(lèi)型僅支持IPv4，且提供在EPC上的TCP／UDP業(yè)務(wù)流支持；②SGW和PGW合并為一個(gè)仿真實(shí)體，記為SGW／PGW節(jié)點(diǎn)；③無(wú)SGW間移動(dòng)性管理；④eNodeB和SGW／PGW之間的數(shù)據(jù)平面接口S1U要準(zhǔn)確建模；｝支持不同QoS要求的EPS承載，即要求能夠?qū)CP／UDP業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類(lèi)，包括上行鏈路的UE和下行鏈路的PGW；⑥EPC的控制平面進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，網(wǎng)元之間的接口，如S11，采用函數(shù)消息的方式，而不是采用3GPP的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信；⑦目前僅對(duì)處于激活態(tài)的UE進(jìn)行建模，即處于ECM連接模式，因此對(duì)所有與ECM空閑模式相關(guān)的功能，如位置更新、尋呼等，并未被建模；⑧支持兩個(gè)eNodeB之間的基于X2接口的切換。EPC的數(shù)據(jù)平面最大的簡(jiǎn)化之處是合并SGW和PGW網(wǎng)元為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)SGW／PGW，因此取消了S5／S8接口，但S1U接口和LTE空口的各層協(xié)議都保留。EPC的控制平面僅對(duì)S1MME、X2AP和S11接口進(jìn)行建模，且對(duì)S1MME、S11接口的信令采用函數(shù)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)，而并未采用3GPP規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)控制消息。X2AP接口的實(shí)現(xiàn)更為真實(shí)，采用點(diǎn)到點(diǎn)的X2鏈路上的PDU承載。

3LENA仿真模型的不足

LENA對(duì)LTE和SAE進(jìn)行了建模，但是其還未完善。總的來(lái)說(shuō)，在控制面和數(shù)據(jù)面2方面存在某些功能缺失和未實(shí)現(xiàn)部分。作為對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的建模，尤其是衛(wèi)星LTE系統(tǒng)的建模，需要對(duì)LENA模型進(jìn)行功能增補(bǔ)和完善。按照協(xié)議棧分層模型列出了LENA在控制面和數(shù)據(jù)面的不足。MAC層：①HARQ僅實(shí)現(xiàn)了類(lèi)型2的增量冗余方式（IRTypeII）；②僅實(shí)現(xiàn)了下行鏈路的RB調(diào)度（包括多種調(diào)度器）；③自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）僅提供兩套方案；④對(duì)傳輸塊（TB）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并未遵循3GPP的定義規(guī)范；⑤隨機(jī)接入過(guò)程，對(duì)RAPreamble、RAR、CR消息進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，作為控制信令都不消耗空口資源。RLC層：AMRLC不支持重傳分段、RLCSDU成功投遞指示、通知上層達(dá)到最大重傳次數(shù)、SDU丟棄過(guò)程、AMRLC重建流程。PDCP層：①不支持ROHC的IP頭壓縮和解壓縮；②當(dāng)下層重建時(shí)，對(duì)上層PDU的按序投遞；③在RLCAM模式下，當(dāng)下層重建時(shí)，對(duì)下層SDU的重復(fù)檢測(cè)；④數(shù)據(jù)面、控制面的加密；⑤控制面的完整性保護(hù)；⑥重復(fù)數(shù)據(jù)的丟棄。RRC層：①未實(shí)現(xiàn)口空接納控制策略；②未實(shí)現(xiàn)空閑模式的小區(qū)重選擇；③不支持無(wú)線鏈路失敗流程；④基于UE測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)層切換未實(shí)現(xiàn)；⑤未實(shí)現(xiàn)RRC空閑狀態(tài)邏輯；⑥未實(shí)現(xiàn)基于存儲(chǔ)信息的小區(qū)選擇；⑦僅支持基于X2接口的切換流程；⑧RRC支持的測(cè)量有限。NAS層：①不支持PLMN或CSG選擇；②不支持空閑模式的尋呼、位置區(qū)更新；③EMM＼ECM模式并沒(méi)有完全建模。接口S1＼X2＼S11：①S1AP、S11并未采用PDU進(jìn)行信令封裝，而是采用函數(shù)調(diào)用方式；②X2C未采用3GPP規(guī)定的SCTP，而是采用了UDP協(xié)議；③X2U無(wú)帶寬限制；④不支持無(wú)線鏈路失敗指示、切換報(bào)告流程。由以上分析之，要成為一個(gè)完整的星上LTE仿真平臺(tái)，亟待完善NAS層的空閑模式尋呼和位置更新、RRC的衛(wèi)星鏈路測(cè)量和RRC空閑模式邏輯等。

4星上LTE系統(tǒng)仿真對(duì)LENA的要求

星上LTE系統(tǒng)仿真除了要對(duì)LENA模型進(jìn)行完善外，還需要考慮衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，如鏈路大時(shí)延、衛(wèi)星信道衰落平坦等。首先，衛(wèi)星與地面間的距離可達(dá)上萬(wàn)千米，因此其單向傳播時(shí)延可達(dá)上百毫秒。大時(shí)延會(huì)對(duì)LTE系統(tǒng)的空口各層協(xié)議產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如定時(shí)器、幀格式、隨機(jī)接入的時(shí)間窗口寬度、碰撞退避時(shí)間等，還會(huì)影響核心網(wǎng)非接入層的各種定時(shí)器，如果不對(duì)上述方面進(jìn)行修正和設(shè)定，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。此外，衛(wèi)星鏈路也會(huì)產(chǎn)生較大的頻率偏差，而OFDM系統(tǒng)對(duì)頻偏非常敏感，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。衛(wèi)星鏈路存在大環(huán)路延遲，而LTE規(guī)范中規(guī)定的TTI較小，無(wú)法產(chǎn)生較好的時(shí)間分集。鏈路大時(shí)延特性對(duì)無(wú)線資源管理也提出了嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)地面蜂窩系統(tǒng)的RRC資源管理策略未針對(duì)大時(shí)延進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此無(wú)法應(yīng)用于衛(wèi)星LTE系統(tǒng)。其次，衛(wèi)星信道衰落模型與地面相比存在較大差異，主要分為大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落指由于距離遠(yuǎn)近引起的信號(hào)強(qiáng)度變化，包含自由空間傳播損耗和雨衰，小尺度衰落指接收信號(hào)在幾個(gè)波長(zhǎng)或毫秒級(jí)內(nèi)的快速變化，包含多徑引起的信號(hào)劇烈變化和衰落。鏈路誤碼率是信道衰落模型的函數(shù)，會(huì)對(duì)自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）策略、LTE信道功率控制算法等的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。最后，衛(wèi)星波束的覆蓋面積廣，每個(gè)波束相當(dāng)于地面蜂窩系統(tǒng)的一個(gè)小區(qū)，但是其波束內(nèi)的信號(hào)衰落平坦，這意味著地面蜂窩系統(tǒng)中基于信號(hào)強(qiáng)度的小區(qū)選擇、重選算法往往不適用，需要進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)。此外，波束中心和波束邊緣的終端對(duì)隨機(jī)接入過(guò)程中的保護(hù)時(shí)間窗口長(zhǎng)度要求不同，同時(shí)保證終端高效的隨機(jī)接入和信號(hào)的收發(fā)處于保護(hù)窗口內(nèi)，是星上LTE系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

5結(jié)束語(yǔ)

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的大時(shí)延、高動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)，衛(wèi)星通信環(huán)境下的LTE空口協(xié)議仿真、核心網(wǎng)各類(lèi)協(xié)議仿真是衛(wèi)星LTE通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。首先對(duì)開(kāi)源仿真工具NS3中的LTE系統(tǒng)模型LENA進(jìn)行了介紹，并對(duì)該模型的完整性和不足給出了詳細(xì)分析。最后，針對(duì)衛(wèi)星通信環(huán)境，詳細(xì)論述了實(shí)現(xiàn)星上LTE系統(tǒng)仿真所需要對(duì)LENA模型進(jìn)行的修改和完善之處，主要包括LTE空口協(xié)議棧、NAS層和信道模型等。

作者：竇志斌胡東偉劉剛單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所