基于微服务的软件信道仿真器架构设计与实现.pdf

第2 1卷第2 期2023年6 月doi:10.13960/j.issn.1672-2558.2023.02.004南京工程学院学报（自然科学版）Journal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Edition)Vol.21,No.2Jun.,2023投稿网址:http:/基于微服务的软件信道仿真器架构设计与实现余雨，杨洁，包永强（南京工程学院信息与通信工程学院，江苏南京2 1116 7)摘要：快速构建第五代移动通信系统多样场景下的无线通信链路依赖于能模拟真实信道环境的信道仿真器.采用容器化、前后端分离以及开放接口技术，基于微服务设计与开发可扩展的软件无线信道仿真器，可实现信道存储、信道回放、信道建模、信道生成、链路级仿真和系统级仿真等功能。该软件信道仿真器具备较好的可扩展性，用户无需在本地安装客户端和数据库，即可通过网页远程访问该软件信道仿真器，实现资源和数据共享.该信道仿真器可为通信系统的设计、验证和研究提供参考关键词：信道仿真器；微服务；信道生成；链路级仿真；系统级仿真中图分类号：TN92Architecture Design and Implementation of Software Channel SimulatorBased on MicroservicesYU Yu,YANG Jie,BAO Yongqiang(School of Information and Communication Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)Abstract:The rapid construction of wireless communication links of the fifth-generation mobile communication systemunder various scenarios depend on channel simulators.Based on microservices,an extensible software wireless channelsimulator is designed and developed.In this simulator,the technologies of containerization,front and back endseparation,and open interface are adopted.The proposed channel simulator can realize the functions including channelstorage,channel playback,channel modeling,channel generation,link level simulation,and system level simulation,etc.The channel simulator can provide important support for the design,verification,and research of communicationsystems.Key words:channel simulator;microservices;channel generation;link level simulation;system level simulation2019年我国开始布局第五代移动通信系统(5th generation mobile communication system,5G)商用，业界也开始逐步探索5G与其他行业的交叉融合.国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大应用场景：增强型移动宽带、海量机器类通信、超可靠低时收稿日期：2 0 2 2-10-2 5；修回日期：2 0 2 2-12-0 7基金项目：江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20201044）；中国高校产学研创新基金项目（2 0 2 1FNA05002）；南京工程学院院高层次引进人才科研启动基金项目（YKJ201970）作者简介：余雨，博士，讲师，研究方向为无线通信、信道建模与通信软件开发、机器学习.E-mail:yuyu 引文格式：余雨，杨洁，包永强.基于微服务的软件信道仿真器架构设计与实现 J.南京工程学院学报（自然科学版），2 0 2 3,2 1（2）：16-2 2.延通信,其应用范围横跨普通用户、视频、物联网、工业、农业、医疗和汽车等领域.针对不同场景动态调整无线通信工作模式是5G的重要特征之一 .因此，在部署无线链路和网络时，需要根据不同场景下的信道环境对链路预算、小区规划、节点布设第2 1卷第2 期和网络设计等问题进行充分分析和研究,通常采用基于信道测试的模型或纯理论模型进行信息分析.然而,对于基于信道测试的方法而言，不论从人力、时间还是经济上成本都很高，想要验证不同通信工作模式在不同信道条件下的性能难度巨大.而信道仿真器无需重复现场试验，可以大大降低通信系统开发和设计的成本.由于理论模型进行了大量假设和简化,对实际信道环境的表征不够精确，而信道仿真器无需做限制性假设和简化，分析结果更贴近于真实情况，因此，信道仿真器对5G系统可靠通信链路的构建有重要意义.设计一款能够模拟真实信道环境、观测不同通信系统传输时性能的信道仿真器是呕待解决的问题.本文结合信道仿真器的研究现状和问题分析5G信道仿真器设计的难点和需求，开展信道仿真器的改进、架构设计和原型实现.信道仿真器从实现层次上可分为信道生成器、链路级仿真器和系统级仿真器三个类别.1）信道生成器基于已有信道模型生成各类信道特性.大尺度衰落信道生成器根据场景、频率、收发天线间距离、基站和用户天线高度以及视距/非视距传播情况不同生成对应条件下的信道路径损耗.文献 2 基于3GPP TR38.901开发了一款模拟5G系统中0.5 10 0 CHz频段范围内乡村宏蜂窝、城市宏蜂窝、城市街道和室内环境下大尺度衰落信道生成器.常见的信道模型有3CPPTR38.900Release14信道模型、准确定性无线信道生成器信道模型、纽约大学信道仿真器毫米波信道模型、5G通用信道模型 3-6 .2）链路级仿真器主要模拟单条链路情况下的物理层算法性能，使用的信道模型主要为小尺度衰落.文献 7 详细描述了5G标准兼容的链路级信道仿真器，该仿真器基于正交频分复用无线通信，支持点对点模拟，支持调用内置的信道编码、多输人多输出（multiple input multiple output,MIMO）处理、多载波调制、信道估计、均衡物理层算法；文献8 介绍了5GK-Simulator链路级仿真器的特征，相比LTE一A仿真器，该仿真器参考3GPP38系列余雨，等：基于微服务的软件信道仿真器架构设计与实现实现软件无线信道仿真器本文设计可扩展的信道仿真器架构，仿真器的后端将信道存储、信道回放、信道建模、信道生成、链路级仿真和系统级仿真功能封装为不同的服务，前端提供用户操作和展示界面,后端开放多样化的接口以供功能扩展.为了验证架构的可行性,本文基于该架构实现了信道仿真器的原型，1软件信道仿真器架构设计采用前、后端分离的软件架构可以保证通信仿真平台良好的可扩展性.信道仿真器前端架构如图1所示,前端架构相对简单,主要包括输人界面和输出界面：输入界面用于场景选择、算法选取、用户自定义输入以及输出图像和数据的展示；输出界面支持数据导出功能，通过信道生成接口和信道特性读取接口将生成的信道存为外部数据，供用户二次开发使用.由图1可见，前端需要使用8 种不同的接口,这些接口由后端的6 个服务提供，各个接口的功能如表1所示.175G标准,对顿结构、信号波形（循环前缀长度）、信道状态（大于6 CHz信道）、参考信号以及信道编码等方面做出了改进和调整;文献 9 基于IEEE802.11g/n/ac/ah/af协议搭建了链路级信道仿真器.3）系统级仿真器模拟多条链路情况下的网络层吞吐性能、频谱效率等参数，需要综合考虑大尺度和小尺度衰落模型 10 .文献 11 基于5G信道模型和新无线接人技术构建WiSE系统级信道仿真器；文献 12 在Vienna链路级仿真器的基础上进一步开发了系统级仿真器；文献 13提出了一个5G系统级仿真器K-SimSys,构建并实现了新型的开放架构,加人了5G大规模MIMO的特性.然而，当前信道仿真器存在两点局限性：一是所使用的信道模型和场景单一，难以表征5G不同场景下的信道特性；二是仿真器软件架构的开放性不足，难以对信道仿真器的功能和信道特性进行扩展和二次开发.因此,需要设计可扩展的软件架构，18信道生成接口/channel_gen信道特性读取接口/channei_read图1信道仿真器前端架构信道仿真器后端架构如图2 所示，后端负责实现的核心功能包括信道存储、信道回放、信道建模、信道生成、链路级仿真和系统级仿真功能，另外还有信道特性、信道模型数据库，各模块功能如表2所示.后端由6 个服务和2 个数据库组成，各个服链路级算法输入接口/link_algo_in信道特性读取接口/chapnel_read南京工程学院学报（自然科学版）输入界面信道数据存储接口信道数据/channel_save场景选择自定义输入信道模型输入接口/channel_model链路级算法链路级算法选取自定义输入链路级算法输入接口/link_algo_in系统级算法系统级算法选取自定义输入系统级算法输入接口/sys_algo_in输出界面信道特性读取接口信道特性/channel_read显宗信道生成接口/channel_gen数据导出链路级仿真结果显示链路级仿真输出接口/link_res系统级仿真结果显示系统级仿真输出接口/sys_res链路级仿真输出接口/link_res容器微服务链路级仿真容器微服务信道回放2023年6 月表 1 Restful 接口功能接口地址提供服务存储信道数据到信道特性数/channel_save信道存储据库/channel_read信道回放从信道特性数据库中读取信道数据根据信道模型对信道数据建模，提取模型参数，将模型和/channel_model信道建模模型参数存入信道模型数据库利用信道模型和模型参数生/channel_gen信道生成成信道数据读取前端发送的链路级仿真/link_algo_in链路级仿真参数和用户自定义仿真算法采用蒙特卡洛方法进行链路/link_res链路级仿真级通信仿真读取前端发送的系统级仿真/sys_algo_in系统级仿真参数和用户自定义仿真算法采用快照方法进行链路级通/sys_res系统级仿真信仿真务都由容器进行封装，各个服务之间的数据互通采用内部Restful接口,用于信道仿真器后端数据互通;对外有8 个外部 Restful 接口,用于前、后端互通以及用户和后端的互通.系统级仿真输出接口/sys_res.容器系统级算法输入接口微服务/sys_algo_in系统级仿真读取容器微服务信道生成功能信道生成接口/channel_gen信道数据存储接口/channel_save容器微服务信道存储容器读取微服务信道建模信道模型输入接口/channel_model信道特性数据库图2 信道仿真器后端架构信道模型数据库第2 1卷第2 期表2 后端各模块功能名称功能信道特性数据库存储未建模的信道特性数据信道模型数据库存储建模后信道模型及其参数信道存储实现信道特性数据存储和读取信道回放读取信道特性数据利用内置模型或用户输人模型进行信道建模分析，提取模型参数利用信道模型及其参数生成所需要信道生成的信道特性链路级仿真实现点到点的链路级通信仿真功能系统级仿真实现系统级通信仿真功能基于前后端架构初步实现软件信道仿真器的原型如图3所示.后端基于Java和SpringCloud构建微服务框架实现 14.为了保证微服务的快速部署和相互独立性,本文采用容器化技术，即利用Docker容器对各个服务或模块进行封装,构成一个个微服务，包括信道存储微服务、信道建模微服务、信道生成微服务、信道回放微服务、链路级仿真微服务和系统级仿真微服务.各个微服务之间采用轻量级的通信机制进行相互沟通.两个关键构件是微服务本身以及它们之间的同通信接口.本文通过Spring Cloud Eureka 组件对微服务进行管理,用于注册微服务，以及各个微服务之间相互发现.此外，采用 Spring Cloud Zuul网关组件管理如表1所示的通信接口,统筹注册、调用和互通对外和对内的Restful接口.前端基于HTML和CSS 绘制图形化界面,采用JavaScript和Ajax调用对外的Restful接Docker用户操作界面HTML+CSSAjax对外Restful接口Docker对外Restful接口Zuul对内Restful对内Restful接口接口DockerDocker链路级信道仿尚放DockerDocker系统级信道仿真生成Docker信道模型数据库图3软件信道仿真器实现结构余雨，等：基于微服务的软件信道仿真器架构设计与实现信道生成模块服务注册、Docker发现Eureka接口注册、爱现各个微服务DockerDocker信道信道建模存储Docker信道特性数据库19口，实现前后端数据的交互.2车软件信道仿真器原型实现本文设计的软件信道仿真器的核心微服务为信道生成、链路级仿真和系统级仿真微服务，三个微服务的基础都是实测信道数据或基于实测数据所构建的模型.采用的信道实测数据由基于矢量网络分析仪的信道测量系统捕获，在前期大量研究的基础上，建立不同场景下的信道模型.研究结果表明,这类方法可以使用简洁的模型和较少的模型参数全面表征实际信道环境，包括大尺度衰落特性和小尺度衰落特性 15.大尺度衰落特性主要关注信道的路径损耗特性和阴影效应，而小尺度特性主要关注信道的多径效应和多普勒效应，二者都可以用信道模型进行描述.信道生成、链路级仿真和系统级仿真功能的实现流程如图4所示.输入场景、距离、时间、运动速度、运动方向生成大尺度衰落特性否kN是生成第k径的幅度、相位和时延k=k+1合成小尺度衰落特性生成信道总衰落特性图4信道仿真器信道生成模块流程2.1信信道特性主要由大尺度和小尺度衰落特性组成，需要根据信道数据分别使用信道模型对其进行描述和参数提取后基于模型生成对应的信道特性.该信道仿真器的实现原型初步采用通用信道模型，其大尺度衰落特性可表述为-模型：PL(d)=+10lg d+10ylg f+X。数据库式中:PL为路径损耗;d为收发天线之间的距离;f为无线电磁波的中心频率;、为模型参数,其中为模型的参考路径损耗,为路径损耗因子，(1)20为频率损耗因子;X。为路径损耗中的阴影,是一个零均值的高斯分布随机变量。对小尺度衰落特性进行描述，由于无线信号传播多径效应，信道的冲激响应可以描述为多条路径的和：Nh(t,T)=Za(t)T-T(t)Jei0()k=1式中:h(t,T）为信道冲激响应;（t)为幅度;T为时延;T（t)为附加时延;0（t)为相位;k为路径的序号;t为时间.信道冲激响应是N个不同幅度、时延和相位路径叠加合成的结果，每条路径的幅度、时延和相位均会随时间t变化,其中幅度通常以Nakagami-m分布的随机变量进行描述,相位中包含了由于移动端运动产生多普勒效应的信息：0（t）=P+2 mf a t，式中：为第k条路径的固定相位;fa为第k条路径的多普勒频移,fak=u/入cos,其中,u为移动端的运动速度，为移动端运动方向与收发天线之间连线的夹角，入为无线电磁波的波长.若综合考虑大尺度和小尺度衰落特性，结合式（1)和式（2），信道总衰落可以描述为：g(d,t,T)=/PL(d)h(t,T)=V+10plgd+10ylgf+XN由图4可见,首先，根据不同场景，由式(1)和输人参数生成大尺度衰落；然后由式（2）和输入参数生成多路径的各个幅度、相位和时延,进而合成小尺度衰落；最终根据大、小尺度衰落特性生成信道总衰落特性.对多种环境（包括楼梯、走廊、办公室、病房、工厂、家居和实验室等）下的信道特性进行建模，将这些信道数据和模型内置到本文信道仿真器.该仿真器可以查看不同环境下信道的特性，如路径损耗、阴影分布、功率延迟剖面、信道冲激响应、多普勒扩展和角度扩展等.2.2链路级仿真模块链路级通信仿真主要对通信系统的物理层流南京工程学院学报（自然科学版）程进行仿真，本文采用蒙特卡洛方法模拟发送端到接收端的通信过程，信道仿真器链路级仿真模块流程如图5所示.所实现的原型系统中包含信源序列生成、信源编码、信道编码、交织、调制映射、载波调制、信道、噪声、载波解调、信道均衡、解调映射、解交织、信道译码、信源译码和计算输出序列等步骤；(2)该链路级仿真流程中信道采用的是信道生成模块所产生的信道,链路级仿真采用式（2)的小尺度衰落模型；该流程预留10 个槽位,每个槽位设定了自定义算法模板，用户可根据模板提示自定义算法，从而验证自已算法的实现效果，仿真通信过程的性能；在原型信道仿真器中给出了部分步骤的预置算法,如信道编码部分加入预置的分组码、Turbo码、低密度奇偶校验码等，调制映射部分加人预置的2PSK（相移键控）、QPSK、8 PSK、开关键控、8 QAM（正交幅度调制）、16 QAM、32 Q A M、6 4Q A M、12 8 Q A M等,信道均衡部分加入了预置的迫零算法、最小均方算法、递归最小二乘算法等；其余部分均为内置固定算法，后续将逐步扩展和开放相关选项.在链路级仿真中可以查看的波形、参数或性能指标有信道编码输入波形、信道编码输出波形、调制输人波形、调制输出波形、信道均衡输入波形、信道均衡输出波形、输入星座图、输出星座图、链路(3)误比特率.生成信源序列槽位1信源编码立槽位2信道编码槽位3交织槽位4调制映射立载波调制图5信道仿真器链路级仿真模块流程2.3系统级仿真模块基于链路级仿真结果，系统级通信仿真从通信2023年6 月计算输出序列信源译码槽位9信道译码槽位8解交织槽位7解调映射槽位6槽位10噪声信道信道均衡槽位5载波解调第2 1卷第2 期系统的角度分析系统的覆盖、容量、干扰等整体性能,从而为无线系统的规划和优化提供参考.本文采用快照法模拟发送端到接收端的通信过程，信道仿真器系统级仿真模块流程如图6 所示.具体步骤为：1）根据蜂窝大小、网络拓扑、基站数量、基站扇区、天线配置和式(1）的大尺度衰落特性模拟实际通信系统的网络环境；2）循环构建多次放置，每次放置按照统计规律和移动模型将用户分配到不同蜂窝,根据大尺度衰落模型确定各个用户的归属基站；3）进行多次快照，选择合适的链路自适应模型和资源调度模型后，根据链路级仿真结果更新到达基站的用户数据，计算不同用户接收端的信号干扰和噪声比，当快照和放置次数均达到要求后，对系统性能进行分析和计算.在系统级仿真流程中，信道同样使用信道生成模块产生的信道.由于系统级仿真复杂度较高，所以该流程只预留4个槽位，用户可在对应槽位写入自定义系统级仿真算法.此外，系统级仿真功能给出预置调度模型，包括轮询调度、最大载干比调度、比例公平调度.与链路级仿真类似,其余部分均为内置固定算法.在系统级仿真中可以计算和查看的性能指标包括系统容量、系统吞吐量和吞吐量概率密度函数，后续将逐步扩展和开放相关选项,计算更多的系统性能指标蜂窝配置、基站配置、扇区配置、天线配置、信道特性配置、移动模型余雨，等：基于微服务的软件信道仿真器架构设计与实现100导入模板下载信道自定义数据导入信道生成和展示场景选择：小型办公室信道回放：信道回放信道生成：信道生成信道链路级系统级数据导出（a）信道生成功能 l o c a t h o s t:98/w e b a p p/h o me/s i o n.h t ml 2 a p p=a p p 1输入区域链路级算法自定义输入算法模板下载自定义算法导入仿真配置信道编码：Turbo调制：16QAM信道均衡：RLS带宽(kHz）：0250500.750 100槽位11信道链路级系统级数据导出21软件信道仿真器原型实现如图7 所示.图7（a)为信道生成功能,利用内置的工厂环境下的信道数据,绘制2.6 GHz频段下路径损耗和距离之间的关系，利用信道仿真中内置的模型可以较好地表征实际测量的信道路径损耗；图7(b）为小型办公室环境中输出端星座图，在传输参数采用Turbo信道编码、16 QAM调制、RLS信道均衡、2 0 0 kHz信道ocalhost输入区域信道自定义数据导入ne/iesshon.htimitapp=app1输出区域选择显示图像：路径损耗9080504030选择显示图像：输出星座图43210-1-2-3-443测量建模510距离/m输出区域距离/m1520225构建仿真环境随机放置用户信道生成计算用户归属小区设置链路自适应模型设置资源调度模型计算信号干扰加噪声比否快照次数是否达标匙放置次数是否达标是计算系统仿真性能指标图6信道仿真器系统级仿真模块流程用户模型槽位12槽位13槽位14（b）链路级仿真功能localhost:98/webapps/home/session/htmitapp=app1输入区域系统级算法自定义输入算法模板下载自定义算法导入仿真配置业务类型：VoIP调度模型：RR基站配置：1扇区6 4天线用户数：0.2040.6080100信道 链路级系统级数据导出（c）系统级仿真功能图7软件信道仿真器原型实现输出区域选择显示图像：吞吐量概率密度丽数0.250.200150.100.05300350元40 0 元450谷吐量/（kbs-)50022带宽、30 dB信噪比的条件下,接收到的星座图各个点较为清晰,误码较少,传输效果较好；图7（c)为系统级仿真功能，展示在发送VoIP业务、采用轮询调度、基站采用1扇区6 4天线、用户数为8 0 时系统的吞吐量概率密度函数,可以看出系统的总吞吐量概率最大区间为340 450 kb/s.具体使用过程中,用户可以先根据实际需求选择不同信道和通信仿真配置进行模拟,调节得到想要的性能后,再进行实际的通信系统布设.3结语本文设计了基于微服务的软件信道仿真器架构,并利用前后端分离技术及Spring Cloud 框架初步实现了该仿真器原型.本文提出的软件信道仿真器架构可以实现信道数据存储、回放、信道建模、生成、链路级通信仿真和系统级通信仿真的功能.由于采用微服务架构进行设计,并开放了用户自定义算法模块和二次开发接口,本文的软件信道仿真器具备较好的可扩展性.用户无需在本地安装客户端和数据库，即可通过网页远程访问该软件信道仿真器，实现资源和数据共享.所实现软件信道仿真器可为链路预算、站址布设、增强覆盖、原型设计、资源分配、异构网络协同、分布式传输等提供工具参考.参考文献：1】王承祥，黄杰，王海明，等.面向6 G的无线通信信道特性分析与建模 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