Моделирование беспроводных широкополосных сетей связи на системном уровне

Теория и техника телекоммуникаций Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 5 (3), с. 248-255

УДК 621.391.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

НА СИСТЕМНОМ УРОВНЕ

© 2011 г. А.В. Хоряев, Р.О. Масленников, А.В. Червяков, М.С. Шилов, С.В. Пантелеев

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

alexey. khoryaev@wcc. unn.ru

Поступила в редакцию 11.07.2011

Современные исследования беспроводных широкополосных систем связи в основном сконцентрированы на анализе их системных характеристик. В данной работе приведено краткое описание нового метода системного анализа радиосетей и представлена архитектура программной модели, позволяющей проводить исследования для систем связи, основанных на стандартах IEEE 802.16m и 3GPP LTE-Advanced. Разработанная программная платформа использовалась Российской аналитической группой, основанной на базе ННГУ им. Н.И. Лобачевского, для участия в международном процессе оценки характеристик IMT-Advanced технологий связи.

Ключевые слова: моделирование на системном уровне, беспроводные широкополосные сети, технологии передачи данных WiMAX, LTE, сценарии развертывания сотовых сетей.

Введение

В октябре 2010 г. технологии беспроводной широкополосной связи WiMAX и LTE, основанные на международных стандартах связи IEEE 802.16m [1] и 3GPP LTE Release 10 [2-4], были признаны Международным союзом электросвязи (МСЭ) передовыми мобильными системами радиосвязи IMT-Advanced (International Mobile Telecommunication - Advanced systems). Официальное заключение МСЭ стало результатом научнотехнического исследования системных характеристик данных технологий, которое было выполнено разработчиками технологий и 14 неза-висимымыми международными аналитическими группами, принявшими участие в официальном процессе оценки систем-кандидатов IMT-Advanced [5]. Основной задачей аналитических групп являлось проведение независимого исследования данных технологий на системном уровне с целью оценки средней спектральной эффективности в различных сценариях развертывания и анализ их соответствия требованиям IMT-Advanced, предъявленным МСЭ [6-8].

В настоящее время моделирование беспроводных технологий передачи данных на системном уровне является одним из наиболее важных методов оценки производительности щирокополосных сетей радиосвязи. Бурное развитие и популярность данного способа оценки связано с широким кругом исследовательских задач, которые могут быть решены с помощью моделирования на системном уровне и не могут

быть исследованы традиционными методами моделирования на уровне отдельных каналов связи (link level) или на сетевом уровне (network level). Наиболее перспективными задачами, которые могут быть решены с помощью моделирования на системном уровне, являются исследование концепций передачи данных с помощью релейных станций, распределенных антенных систем, методов определения местоположения пользователей, алгоритмов распределения ресурсов передачи, пространственного разделения пользователей и другие.

Современный процесс стандартизации беспроводных систем передачи данных начинается с выработки технических требований, методологии оценки системных характеристик и проверки соответствия данным требованиям [4, 5, 9]. Анализ системных характеристик и последующий выбор наиболее эффективных технических решений являются неотъемлемой частью процесса проектирования современных беспроводных технологий. Данный факт служит мощным стимулом для создания программных платформ, позволяющих проводить анализ беспроводных сетей передачи данных на системном уровне (System Level Simulation -SLS). На сегодняшний день SLS платформы являются одним из наиболее важных инструментов разработки и оптимизации современных и будущих систем связи [10].

В данной статье приведен краткий обзор современного метода моделирования беспроводных сетей передачи данных на системном

уровне и представлена архитектура SLS платформы, разработанной для анализа характеристик двух технологий передачи данных: IEEE 802.16m и 3GPP LTE Release 10. В работе подробно рассмотрены основные архитектурные особенности и технические сложности, возникающие при проектировании подобных платформ моделирования.

1. Моделирование сетей связи на системном уровне

Анализ широкополосных беспроводных сетей связи на системном уровне предполагает моделирование работы сети сотовой радиосвязи. Базовым сценарием моделирования является сотовая сеть гексагональной топологии (см. рис. 1). В центре каждой соты расположены трехсекторные базовые станции (БС). Мобильные станции (МС) располагаются равномерно по всей площади сети и ассоциируются к сектору БС с наименьшим коэффициентом ослабления сигнала. Для исключения краевых эффектов на границах сети используется специальный подход, основанный на гексагональной симметрии (cell-wrap around) [9]. Данный метод позволяет измерять статистические характеристики всех пользователей сети без влияния граничных эффектов, вызываемых конечной площадью рассматриваемой сети.

Рис. 1. Сценарий развертывания сотовой сети гексагональной топологии

В типичном сценариии системного моделирования гексагональная сеть состоит из двух колец сот. Подобная конфигурация предполагает одновременное моделирование работы 19 БС (или 57 секторов). Общее количество равномерно вброшенных пользователей сети обычно

выбирается равным 570, что в среднем соответ-свует 10 пользователям на один сектор БС. Очевидно, что для полного моделирования этого сценария необходимо создать 32490 случайных каналов распространения сигнала, соединяющих вброшенных пользователей с секторами развернутых БС. Каждый из радиоканалов связи описывает физические условия распространения сигнала между рассматриваемым сектором и пользователем. Следует отметить, что для воспроизведения реалистичной картины интерференции все каналы должны моделироваться одновременно и обновляться с учетом времени когерентности, обусловленного мобильностью пользователя. Помимо моделирования топологии сети и каналов распространения сигнала, системное моделирование предполагает реализацию функций физического (PHY) уровня и уровня доступа к среде (MAC) для рассматриваемой технологии передачи данных.

Большое разнообразие топологий сети, сценариев развертывания, моделей каналов, режимов передачи, алгоритмов распределения ресурсов, моделей трафика существенно усложняет разработку SLS платформ и делает их архитектурно сложными. Помимо данных трудностей, моделирование на системном уровне также является вычислительно емким и обычно занимает значительную часть общих усилий, затраченных на системный анализ. С целью ускорения анализа разработка SLS платформы должна учитывать различные алгоритмические и оптимизационные техники, равно как и возможности применения современных технологий параллельного вычисления. Для поддержки гибкой функциональности и обеспечения высокой производительности необходимо использовать достаточно низко-уровневые языки программирования. Эти факторы послужили ключевыми при выборе объектно-ориентированного языка программирования C++ для реализации SLS платформы, описанной в данной работе.

Разработка SLS платформы была начата с детального изучения WiMAX и LTE технологий и методологий, рекомендуемых для их системного анализа [4, 5, 9, 11]. В результате было определено, что значительная часть платформы может быть реализована независимо от рассматриваемых технологий связи. Данная часть платформы включает в себя реализацию сценариев развертывания сети, моделей каналов распространения сигналов, процедур вброса и ассоциации пользователей, а также общего потока передачи и приема данных. При этом реализация второй части платформы, связанной непо-

средственно с технологией передачи данных, может быть локализована в отдельных блоках, где собраны специфичные для данной технологии функции.

1.1. Сценарии развертывания и модели канала связи

Сценарии развертывания сети являются одним из самых важных факторов при проектировании и последущей оценке производительности системы связи. Наиболее характерными сценариями развертывания для технологий WiMAX и LTE являются городские микро- и макросети [5]. Базовые параметры для моделирования данных сценариев определены в [4, 5, 9], где описаны гексагональная топология сети и модели канала распространения сигнала, заданы типичные параметры оборудования БС и МС (конфигурация антенных систем, максимальная передаваемая мощность, полоса сигнала, уровень шума). Системы связи WiMAX и LTE работают в одинаковых диапазонах частот и имеют близкие значения частотной полосы передаваемых сигналов. Таким образом, характеристики канала распространения сигнала описываются одними и теми же моделями, которые, главным образом, зависят от сценариев развертывания сети и могут быть реализованы независимо от технологии передачи данных.

Для учета интерференции и искажения сигналов при распространении используется широко известная стохастическая пространственная модель канала связи (spatial channel model -SCM) [11, 12]. Основным физическим принципом, лежащим в основе данной модели, является суперпозиция плоских электромагнитных волн. Данный метод позволяет полностью разделить свойства канала связи и антенных систем, что существенно упрощает анализ современных техник пространственной обработки сигнала [13, 14]. Основным преимуществом выбранного способа моделирования канала является то, что различные сценарии описываются одним подходом, но с различными параметрами модели (коэффициентами ослабления сигнала, величиной замираний сигнала, вероятностью возникновения каналов прямой видимости, временем задержки прихода сигналов, угловыми характеристиками).

1.2. Технологии связи IEEE 802.16m и 3GPP LTE^dYanced

Технологии IEEE 802.16m и 3GPP LTE Release 10 воплощают в себе передовые достиже-

ния в области беспроводной широкополосной связи и имеют много общего. Для организации связи в нисходящем канале (downlink) оба стандарта используют схему мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - OFDMA), которая также используется в восходящем канале технологии IEEE 802.16m. Для реализации восходящего канала в технологии 3GPP используется схема мультиплексирования с частотным разделением каналов и одной несущей (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access - SC-FDMA). Другой отличительной особенностью обеих систем связи является широкая поддержка различных технологий передачи данных с использованием адаптивных антенных решеток, так называемых Multiple Input Multiple Output (MIMO) технологий связи. Оба стандарта связи поддерживают схемы мультиплексирования пространственных каналов одному или нескольким пользователям, MIMO схемы с обратной связью, а также методы пространственно-временного или частотного кодирования. Технические решения, предлагаемые обоими стандартами связи, обеспечивают высокий уровень гибкости управления системными ресурсами (временными, частотными, пространственными и мощностными).

Несмотря на то, что PHY и MAC уровни WiMAX и LTE технологий основаны на различных технических решениях, процесс обмена данными между БС и пользователями является во многом аналогичным. В обеих технологиях передача данных полностью контролируется БС и осуществляется с помощью фреймов. Данное обстоятельство позволило реализовать общий механизм передачи и приема сигналов и определить функции обработки сигналов в отдельных блоках, отвечающих за конкретную технологию.

2. Разработка пратформы моделирования

Разработка SLS платформы была начата с определения основных потоков исполнения, для каждого из которых далее были реализованы классы, отвечающие за их управление. Всего было выделено четыре независимых потока исполнения с различной функциональностью:

• Поток Конфигурации - инициализация параметров моделирования SLS платформы;

• Поток Построения Сети - создание топологии сети и ее базовых элементов, соединение элементов и инициализация параметров функциональных блоков;

• Поток Работы Сети - передача и прием сигналов, организация взаимодействия меж-

ду элементами сети с помощью механизмов обратной связи, определенных в стандартах IEEE и 3GPP;

• Поток Сбора и Обработки Статистики - сбор, обработка и анализ результатов моделирования работы системы связи.

2.1. Поток Конфигурации

Первым этапом исполнения SLS платформы является выполнение функций Потока Конфигурации. В процессе их исполнения конфигурационные параметры считываются из входного файла, заданного в XML формате, и используются для инициализации главной конфигурационной структуры SlsCfg (см. рис. 3b). Данная структура состоит из нескольких вложенных подструктур, соответствующих различным функциональным модулям SLS платформы.

Исполнение Потока Конфигурации контролируется объектом класса SlsCfgBuilder (см. рис. 3 a), который, в свою очередь, оперирует объектами классов XmlReader и SlsCfgDefault-Builder. Первый класс XmlReader разработан для считывания данных из конфигурационного файла и обеспечивает удобный механизм чтения параметров в различных форматах. Класс SlsCfgDefaultBuilder реализован с целью упрощения процедуры конфигурации SLS платформы для базовых сценариев моделирования. Класс позволяет использовать внешние параметры или параметры по умолчанию, заданные для конкретного сценария развертывания сети.

2.2. Поток Построения Сети

Основная идея Потока Построения Сети заключается в создании объекта класса Network, который содержит в себе списки объектов различных элементов сети: БС, МС, а также соединяющих их линий связи и моделей каналов связи. В процессе исполнения данного потока создаются элементы сети, происходит их инициализация заданными в XML файле параметрами, а также устанавливаются взаимосвязи между данными элементами и их внутренними модулями.

Исполнение Потока Построения Сети полностью контролируется классом Network-Builder. Данный модуль управляет созданием объектов базовых и мобильных станций, процедурами вброса пользователей и их ассоциации к секторам БС. Класс NetworkBuilder создает объект класса Deployment, отвечающий за генерацию географических координат базовых и мобильных станций. Статическая диаграмма класса NetworkBuilder на языке UML (Unified Modeling Language) показана на рисунке 3с.

Программная модель сотовой радиосети, построенной классом NetworkBuilder, основана на 4 типах сетевых элементов, представленных следующими классами:

• Bs - сетевой элемент, представляющий собой модель БС (BS или eNodeB в соответствии с терминами, используемыми в технологиях WiMAX и LTE);

• Ue - сетевой элемент, представляющий собой модель МС (MS или UE в соответствии

Рис. 2. Блок-диаграмма архитектуры сети на примере двух базовых и мобильных станций

Рис. 3. UML диаграммы SLS платформы

с терминами, используемыми в технологиях WiMAX и LTE);

• Link - логический элемент, который связывает радиоинтерфейсы сетевых элементов Bs и Ue, а также служит для моделирования

распространения сигнала через физический радиоканал связи;

• ChannelList - логический элемент, являющийся контейнером моделей радиоканалов связи для различных сценариев развертывания сети.

Для иллюстрации на рис. 2 показана блок-диаграмма радиосети в случае двух трехсекторных БС и двух МС. Как видно из блок-диаграммы, программные модели базовой и мобильной станций имеют многоуровневую архитектуру. Более подробно архитектура классов Bs и Ue изображена в виде статической UML диаграммы на рисунке 3d. Данные классы унаследованы от обобщенного класса Node, который содержит структуру географических параметров NodeGeoCfg и набор радиоинтерфейсов RadioInterface, определяющих параметры антенных систем. Данный набор параметров является достаточным для полного построения сети, осуществления процедуры вброса и ассоциации пользователей, а также генерации канала распространения сигналов между БС и МС. Для проведения процедуры ассоциации пользователей на БС введен дополнительный уровень, представленный классом Access-Node. Данный уровень создает объекты класса AccessSector, которые управляют ассоциацией пользователей к секторам БС. В результате работы класса NetworkBuilder все радиоинтерфейсы секторов БС и вброшенных пользователей соединяются линиями связи при помощи объектов класса Link.

Рассмотренная многоуровневая архитектура БС и МС позволяет произвести построение радиосети независимо от используемой технологии передачи данных. Интеграция же самой технологии осуществляется с помощью функциональных модулей BsModem и UeModem, объекты которых создаются в конструкторах классов Bs и Ue соответственно. Данные модули выполняют операции, относящиеся непосредственно к технологии передачи данных, и являются ключевыми блоками Потока Работы Сети.

2.3. Поток Работы Сети

Поток Работы Сети моделирует процедуры обработки передаваемых и принимаемых сигналов на БС и МС в соответствии со спецификациями IEEE 802.16m и 3GPP LTE Release 10. Данный поток предоставляет возможности для эмуляции работы как нисходящего, так и восходящего потоков передачи данных. Далее, без ограничения общности, мы остановимся на рассмотрении архитектуры платформы для моделирования нисходящего потока связи.

При передаче сигнала в нисходящем потоке модем базовой станции создает фрейм данных (дескриптор фрейма), заполняет его элементы контрольной информацией и генерирует пере-

даваемый сигнал. Указатель на дескриптор фрейма передается через радиоинтерфейс модема БС на все объекты класса Link, соединяющие сектора БС с радиоинтерфейсами МС сети. Объекты класса Link генерируют физический канал распространения сигналов, внося искажение и затухание в передаваемый сигнал. Далее дескриптор фрейма и искаженные сигналы от всех секторов БС поступают на радиоинтерфейс МС. Искаженные сигналы со всех моделируемых секторов БС складываются в единый сигнал, к которому добавляется аддитивный белый гауссов шум. Сигнал с приемного радиоинтерфейса МС поступает на блок модема, где происходит приемная обработка пакетов данных, а также оценивается качество канала связи и оптимальная схема передачи. Данная контрольная информация записывается в дескриптор фрейма, который анализируется на стороне БС и используется для формирования последующих фреймов. Описанный механизм обмена данными является общим для технологий WiMAX и LTE, что позволяет использовать единый подход для двух технологий. Таким образом, функциональность PHY и MAC уровней для обеих технологий была реализована внутри модемов БС и МС, представленных классами BsModem и UeModem.

Функциональные модули BsModem и UeMo-dem имеют схожую архитектуру. В этом разделе без потери общности рассматривается только структура класса BsModem, упрощенная UML диаграмма которого показана на рис. 3e. Использование BsModem/UeModem позволяет проводить моделирование в нисходящем и восходящем каналах. Управление нисходящим и восходящим потоком осуществляется с помощью классов BsTxModem и BsRxModem, работающих в режиме передачи в нисходящем и в режиме приема в восходящем потоке. Данные классы являются базовыми и имеют виртуальные интерфейсные функции. Используя средства языка С++ и механизмы наследования и виртуальных функций, данные классы создают модемы для конкретной технологии, используемой в моделировании (BsTxModemWiMax или BsTxModemLte) и/или (BsRxModemWiMax или BsRxModemLte). Передающий и приемный модемы для обеих технологий имеют схожую архитектуру. На рис. 3e, как пример, показана диаграмма класса для передающего модема БС LTE (BsTxModemLte). Передающий модем состоит из нескольких функциональных блоков, выполняющих функции MAC и PHY уровней, такие, как обработка сообщений обратной связи, распределение ресурсов передачи, реализа-

ция механизмов автоматического перезапроса, MIMO обработка сигналов, генерирование передаваемого сигнала.

Выбранный подход с независимыми Потоками Построения Сети и Работы Сети имеет ряд технических преимуществ. Во-первых, обеспечивается гибкость и масштабируемость платформы. Например, значительно облегчается добавление новых типов станций (релейных станций, фемтосот, распределенных антенных систем и др.). Вторым преимуществом является то, что Поток Построения Сети может быть реализован независимо от исследуемой технологии передачи данных, что позволяет существенно сократить время разработки, упростить интеграцию различных технологий и процесс отладки.

2.4. Поток Сбора и Обработки Статистики

Последним потоком исполнения SLS платформы является Поток Сбора и Обработки Статистики. Данный поток реализован с помощью специальных модулей сбора данных, которые создаются на функциональных модулях и отвечают за накопление статистики в процессе моделирования. Контроль и управление модулями сбора данных осуществляется с помощью специального класса Monitor. Данные, накопленные за время моделирования SLS платформы, выводятся в файлы в заданном формате, удобном для их дальнейшей обработки. После завершения моделирования данные, сохраненные в файлах, обрабатываются в среде MATLAB и представляются в удобном для анализа графическом виде.

Заключение

В данной работе представлена архитектура SLS платформы, позволяющей анализировать характеристики системного уровня для двух современных технологий беспроводной широкополосной связи IEEE 802.16m и 3GPP LTE Release 10.

Разработанная платформа дает возможность проводить техническую оценку современных беспроводных сетей связи 4-го поколения, а также выполнять исследования перспективных методов передачи данных для сетей следующего поколения, таких, как координированная передача сигналов несколькими базовыми станциями сети, использование распределенных антенных систем, исследование новых протоколов

передачи информации и подходов к построению сети.

Результаты моделирования, полученные при помощи описанной SLS платформы, были использованы в нескольких научно-технических исследованиях [8]. В частности, данная платформа активно использовалась в процессе работы Российской Аналитической Группы по оценке IEEE 802.16m и LTE технологий для IMT-Advanced. Результаты моделирования были оформлены в промежуточном и финальном техническом отчетах и доложены на заседаниях ITU-R [7]. Проведенный анализ данных технологий на системном уровне показал, что обе технологиии удовлетворяют требованиям IMT-Advanced.

Список литературы

1. Draft of Standard IEEE 802.16m/D10, «Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems - DRAFT Amendment to IEEE Standard for Local and metropolitan area networks», November, 2010.

2. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Further advancements for E-UTRA physical layer aspects / 3GPP Technical Report 36.814 v9.0.0, March 2010.

3. Feasibility Study for Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced) / 3GPP Technical Report 36.912 v9.2.0, March, 2010.

4. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation / 3GPP Technical Specification 36.211 v 9.1.0, March, 2010.

5. Guidelines for Evaluation of Radio Interface Technologies for IMT-Advanced / Technical Report ITU-R M.2135, 2008.

6. Final Conclusions on End-to-End Performance and

Sensitivity Analysis / Technical Report D4.2, WINNER+, URL: http://projects.celtic-initiative.org/

winner+/, June, 2010.

7. Final Report on Evaluation of the IMT-Advanced Radio Interface Technologies/ ITU-R Technical Document 5D/743, Russian Evaluation Group, June, 2010.

8. Maltsev A.A., Khoryaev A.V., Maslennikov R.O., et. al. Analysis of IEEE 802.16m and 3GPP LTE Release 10 Technologies by Russian Evaluation Group for IMT-Advanced // Proceedings of International Congress on Ultra Modern Telecommunication (ICUMT), 2010. P. 901-908.

9. IEEE 802.16m Evaluation Methodology Document / IEEE 802.16m Task Group, URL: http://www.wirelessman.org/tgm/, January, 2009.

10. Piro, G., Grieco, L., Boggia, G., et. al. Simulating LTE Cellular Systems: an Open Source Framework // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2010. V. 60. № 2. P. 498-513.

11. Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulations / 3GPP Technical Report 25.996 v.9.0.0, December, 2009.

12. Clacev G., Chizhik, D., Goransson, B., et. al. A Wideband Spatial Channel Model for System-Wide Simulations // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2007. V. 56. № 2. P. 389-403.

13. Paulraj A.J., Nabar R.U., Gore D. Introduction to Space Time Wireless Communications. Cambridge University Press, UK, 2003. 277 p.

14. Li Q., Li G., Lee W., et. al. MIMO Techniques in WiMAX and LTE: A Feature Overview // IEEE Communication Magazine. 2010. V. 48. № 5. P. 86-92.

SYSTEM LEVEL SIMULATION OF BROADBAND WIRELESS NETWORKS A. V. Khoryaev, R O. Maslennikov, A. V. Chervyakov, M.S. Shilov, S. V. Panteleev

At present, research efforts in broadband wireless networks are mainly focused on the system level analysis. A new method of this analysis of radio networks is presented, along with the architecture of the software simulator providing investigations of communication systems based on IEEE 802.16m and 3GPP LTE-Advanced standards. The software platform has been used by the Russian Evaluation Group, established by the N.I. Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod, for participation in ITU-R IMT-Advanced evaluation process.

Keywords: system level simulation, broadband wireless networks, WiMAX and LTE broadband access technologies, cellular network deployment scenarios.