1、C o m m u n i c a t i o n&I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y N o.5.2 0 2 3通信与信息技术2 0 2 3 年第5 期(总第2 6 5 期)5 G 无线网络规划的虚拟仿真实验设计胡志恒,李英祥,孙捷成都信息工程大学通信工程学院微电子学院,四川成都6 1 0 2 2 5摘 要:探讨了在移动通信课程中采用5 G 虚拟仿真教学软件,实现5 G 无线网络规划方法的融合式教学应用和仿真实验设计。通过5 G 虚拟仿真实验可将5 G 无线网络的主要技术特点、组网原理、重要工程参数与移动通信工程实践进行有机融合和综合归纳,可充
2、分发挥虚拟仿真教学软件准确、形象、生动的优势,有效地提高教学质量和效果。关键词:5 G;无线网络规划;虚拟仿真中图分类号:G 6 4 2文献标识码:A文章编号:1 6 7 2-0 1 6 4(2 0 2 3)0 5-0 1 0 2-0 31 引言移动通信是通信工程专业课程,其教学内容涵盖近年来主要移动通信网络标准的网元设备、网络构架、接口、协议、移动性管理、移动业务等内容。如果授课和实验内容偏重基础理论,则与现代通信原理等课程有较多重叠。而基于移动通信现网条件进行课程实践教学的难度也很大,体现在:现代移动通信网络高度复杂、造价昂贵、技术演进更新换代非常迅速,高校难以凭自身力量为有关课程教学和实
3、验去建立移动通信实验网络环境。同时,移动通信网络作为重要基础设施不能对课程教学提供实验、实践等机会。移动通信课程传统的理论教学内容对无线网络规划技术没有进行专门阐述,课程内容通常是讲解无线电波的自由空间传播公式和无线电波传播模型,导致学生对无线网络容量、覆盖这类移动通信工程项目中非常重要的基础知识缺乏了解和掌握,理论与实践存在脱节。同时,无线网络规划过程中,对无线链路预算时涉及的各种增益、余量和损耗,其相关的技术原理主要包括信道编码、交织、高阶调制、自适应传输等技术,在课程理论部分虽有阐述但内容组织较为分散,导致学生掌握知识点系统性不足。因此作为课程的重点和难点,有必要设计5 G 无线网络规划
4、虚拟仿真,并于课程内容进行融合式的理论讲授并进行虚拟仿真验证,实现移动通信技术原理与和影响、工程参数取值等内容准确掌握后,才能计算得出正确结论。通过在移动通信课程教学中,融合采用I U V-5 G 5 G全网部署与优化虚拟仿真软件 2 ,设计5 G 无线网络规划的虚拟仿真实验,实现通信理论与工程实践密切融合,达到良好的教学效果。2 5 G 无线网络规划虚拟仿真实验设计移动通信网络规划是指在某个移动通信网络的初始部署阶段,对移动通信网络进行工程化的规模估算与布局考虑。其中,无线网络规划与核心网规划是移动通信网络规划的主要内容,而无线网络规划是难点。5 G 无线网络规划3 技术涉及5 G 移动通信
5、大量的理论知识,如电磁波传播模型、链路预算方法、话务模型、5 G 空中接口等。同时,该技术对移动通信工程知识也有一定要求,能为学生将来进入移动通信行业发展奠定坚实基础。2.1 实验目的5 G 无线网络规划包括规划需求分析、传播模型选择、链路预算、无线覆盖计算、无线容量计算和无线综合等过程。这些步骤所涉及的理论知识与移动通信课程有关内容高度吻合,并与通信工程现网有着紧密联系,因此既是理论联系实际的重要知识点,也是难点。通过5 G 无线网络规划的虚拟仿真实验,首先实现将课程中有关的通信技术原理技术进行由点到面的系统化组织并加以工程应用,主要包括无线传播模型、无线链路预算、信道编码、交织、高阶调制、
6、自适应传输等技术。其次,通过本实验让学生熟悉并掌握5 G 无线网络规划技术和实现过程,涵盖规划需求分析、无线覆盖、无线容量、收稿日期:2 0 2 3 年1 月4 日;修回日期:2 0 2 3 年7 月2 8 日基金项目:成都信息工程大学2 0 2 1 年本科教育教学研究与改革项目(项目编号:J Y J G 2 0 2 1 0 7 6)1 0 2教育培训5 G 无线网络规划的虚拟仿真实验设计移动业务模型、5 G 网络工程参数等,可有效强化学生对该知识点的理解和运用能力。最后,通过虚拟仿真平台可以提供接近移动通信网络“准现网”条件下的工程实践,实现高质量的融合教学。2.2 实验理论基础无线传播模型
7、在移动通信中非常重要,大部分教材都以单独一章的方式进行专门讲解,主要内容包括大量数学公式和工程应用情况,内容比较抽象,而且传播模型以传统工作在低频段的H a t a 改进模型为主,并不适合5 G 移动通信的高频段。I U V-5 G 5 G 全网部署与优化虚拟仿真软件采用3 G P P协议中定义的U M a(城区宏站)传播模型图,适用频率在0.8G H z 到1 0 0 G H z 之间,适用小区半径在1 0 米到5 0 0 0 米的宏蜂窝系统。在课程讲授无线传播模型的内容时,可结合仿真软件理论联系实际,增加对U M a 传播模型的介绍。链路预算同样是无线通信工程中非常重要的基础知识,实现端到
8、端的天线、馈线、无线通信链路、干扰余量、背景热噪声、接收灵敏度、处理增益等过程中所有增益和衰减的核算,计算得到保持一定通信质量下链路所允许的最大传播损耗。结合适当的无线传播模型后,由链路预算的结果可估算出无线信号能成功从发射端传送到接收端之间的最远距离。学生只有对该移动通信技术的主要技术原理、产生原因和影响、工程参数取值等内容准确掌握后,才能计算得出正确结论,是课程的重点和难点,有必要在5 G 无线网络规划虚拟仿真中进行重点讲授和实践。在5 G 无线容量计算时,其空口配置参数需要符合5 G N R 标准并采用主流的最优工程参数,主要包括:高阶调制方式、流数量、帧结构、缩放因子、开销比例、编码效
9、率、在线用户比例、时隙配置等。这部分内容主要偏重3 G P P 标准和工程默认参数,在实验中可以作为背景知识的方式让学生提前自主预习。2.3 实验前期准备开展虚拟仿真实验前,结合课程对应的理论知识点,对规划中所采用主要模型、参数进行讲授,例如:(1)3 G P P 规定了U m a、U M i(城区微站)、R M a(农村宏站)和I n H(室内热点)等四类场景,根据5 G 网络覆盖场景不同,无线网络规划的工程参数和传播模型有一定差异,但规划技术的原理和流程是一致的,通常选取城区宏站为典型进行实验。工作频段可以选择国内运营商主流S U B-6 G H z频率,并要求实验时在可变参数合理取值范围
10、内,对比分析不同参数取值对最大允许路损的影响,增强对无线传播模型的理解。(2)仿真的5 G 用户数量由学生检索公开数据获得本地城市4 G 用户数、典型的5 G 用户渗透率。在线用户比例可以参考4 G 话务模型典型值(1 0?者公开报道的数据。(3)仿真的覆盖面积由学生在线检索或者基于地图软件测量计算本地城市市区的面积。(4)结合M I M O 技术原理,仿真时采用典型的2 T 4 R 5 G终端配置,即单载波情况下最大支持上行2 流、下行4 流。2.4 5 G 无线网络规划的虚拟仿真实验流程及结果2.4.1 无线覆盖仿真5 G 无线网络覆盖仿真计算主要完成:(1)计算5 G 上行和下行的最大链
11、路损耗仿真时以典型的P U S C H 和P D S C H 为代表进行5 G 上行和下行之间的最大允许路损。实验指导内容可结合移动通信关键技术,重点分析移动通信中上行与下行之间的差异,如工作频率(仅F D D 模型)、发射功率、天线增益、灵敏度等。5 G 系统的P U S C H 信道典型仿真参数如图1 所示。无线网替路预算参数参数名终端发时功率(d b r m)将端天线增盐(d b i)基站员散度(d b m)基站天线增结(d b i)上行干扰余量(d b)线缆损耗(d b)人体损耗(d b)穿透损耗(d b)明影表落余量(d b)对接增盐(d b)单站小区数(个)取值2 6-1 2 5.
12、0 81 1202 61 1.64.5 2图1 P U S C H 信道的链路预算参数表(2)计算终端与基站的最大直线距离根据(1)得到的上行和下行最大路径损耗,带入到U M a传播模型中求解终端与基站直线距离,包括上行和下行。(3)计算小区覆盖半径根据三角形边长计算公式,求解上行和下行小区覆盖半径。实验期望结果:计算满足覆盖要求的5 G 基站数量。采用典型的正六边形蜂窝结构,根据之前确定的本城市市区宏站覆盖面积,计算得到满足上行和下行覆盖需求的基站数量。2.4.2 无线容量仿真5 G 无线网络容量仿真包括对上行容量和下行容量的规划。由于5 G 业务的高度非对称性,5 G 用户更多地占用下行带
13、宽,5 G 基站通常体现为下行容量最先达到负荷阈值限制。仿真时分别计算上行和下行容量,包括:(1)计算5 G 单站上行、下行的理论峰值速率所采用主要参数来自N R 标准和配置参数,包括单时隙时长、下行符号占比、调制方式等。其时隙配置仿真参数如图2 所示。仿真得到的5 G 上行、下行的理论峰值速率远高于4 G 移动通信系统,并可以观察到5 G 高速率受益于其关键空中接口技术,如:O F D M、高阶调制、M a s s i v e M I M O 等。1 0 3通信与信息技术2 0 2 3 年第5 期(总第2 6 5 期)S 时隙典型配置2.5 m s 单周期2 5 m s 周期5 m s 单周
14、期图2 5 G S 时隙配置参数表(2)计算5 G 单站上行、下行的实际平均速率该步骤对峰值速率根据典型时隙配置、编码效率和速率转化因子进行匹配,得到调整后的实际平均速率。实验预期结果:计算满足容量要求的5 G 基站数量。该步骤对单站峰值速率和平均速率根据典型R R C 最大用户数、用户在线比例、小区扇区数量(典型为3 个)进行匹配,得到调整后的峰值吞吐量和平均吞吐量,最后由本市总的5 G用户数量除以典型R R C 最大用户数,得到上行和下行的容量规划站点数量。2.4.3 无线综合仿真5 G 无线网络综合仿真则是将单独计算的上行和下行的满足覆盖的站点数、满足容量的站点中进行综合并取最佳值,同时
15、还兼顾热点区域扩容比例,包括:(1)计算满足上行和下行覆盖的5 G 站点数。(2)计算满足上行和下行容量、热点区域扩容比例(取值1.5)的5 G 站点数。实验预期结果:计算同时满足无线覆盖和无线容量的5 G 站点数。3 结语在移动通信课程中,根据课程内容使用I U V-5 G 5 G全网部署与优化虚拟仿真软件,实现课程理论知识与工程实践的密切呼应,达到教学质量和效果的提高。并以5 G 移动通信的无线网络规划技术为例,分析了该知识点所涉及的主要通信理论和工程知识,如何通过虚拟仿真实验来实现接近移动通信网络“准现网”条件下的工程实践融合教学。对虚拟仿真实验教学效果进行调查分析可知,虚拟仿真实验融合
16、到课程教学中具有效果直观生动,实验案例与通信工程实践高度吻合,学生对该知识点的理论、工程应用和仿真操作能力都有明显的提高。参考文献 1 谭祥,余晓玫.移动通信技术(第2 版)M .西安:西安电子科技大学出版社,2 0 2 0:1-1 0 8.2 马芳芸,李英祥,刘忠,陈佳莹,林磊.新一代5 G 网络全网部署与优化 M .北京:中国铁道出版社有限公司,2 0 2 2:1-3 1.3 李睿.5 G 网络规划方法及规划要点研究 J .广东通信技术,2 0 1 9,3 9(6):2 3-2 5.4 J i a n h u a Z H A N G,P a n T A N G,L e i T I A N,
17、Z h i x u e H U,T a nW A N G,H a i m i n g W A N G.6-1 0 0 G H z r e s e a r c h p r o g r e s s a n d c h a l l e n g e s f r o ma c h a n n e l p e r s p e c t i v e f o r f i f t h g e n e r a t i o n(5 G)a n d f u t u r e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n J .S c i e n c e C h i n a(I n f
18、o r m a t i o n S c i e n c e s),2 0 1 7(0 8):1-2 0.5 许贤泽,方屹涛,郑成林,基于5 G 新场景下的传播模型校正与链路预算 J .南京邮电大学学报:自然科学版,2 0 2 0,4 0(2):1-6.作者简介胡志恒(1 9 7 5 一),男,博士,副教授、高级工程师,主要研究方向:无线通信、智能信息处理。李英祥(1 9 7 2 一),男,博士,教授、高级工程师,主要研究方向:无线通信、嵌入式技术、智能信息处理。孙捷(1 9 6 5 一),男,硕士,教授,主要研究方向:光网络通信技术。V i r t u a l s i m u l a t i
19、o n e x p e r i m e n t d e s i g n f o r 5 G w i r e l e s s n e t w o r k p l a n n i n gH U Z h i h e n g,L I Y i n g x i a n g,S U N J i eS c h o o l o f C o m m u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g,C h e n g d u U n i v e r s i t y o f I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y,C h e n g d u
20、6 1 0 2 2 5,C h i n aA b s t r a c t:T h e i n t e g r a t e d t e a c h i n g a p p l i c a t i o n a n d s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t d e s i g n o f 5 G w i r e l e s s n e t w o r k p l a n n i n g m e t h o d b yu s i n g 5 G v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g s o f t
21、w a r e i n t h e c o u r s e o f M o b i l e C o m m u n i c a t i o n i s d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r.T h e m a i n t e c h n i c a lf e a t u r e s,n e t w o r k i n g c o n s t r u c t i o n,i m p o r t a n t e n g i n e e r i n g p a r a m e t e r s o f 5 G w i r e l e s s n e t w o
22、 r k a n d m o b i l e c o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n gp r o j e c t s c a n b e i n t e g r a t e d a n d c o m p r e h e n s i v e l y s u m m a r i z e d t h r o u g h v i r t u a l s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s,w h i c h b r i n g s t h e a d v a n t a g e s o fv i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g,s u c h a s a c c u r a c y,n e a r r e a l i t y a n d v i v i d n e s s f o r t h e c o u r s e o f M o b i l e C o m m u n i c a t i o n.K e y w o r d s:5 G,W i r e l e s s n e t w o r k p l a n n i n g,V i r t u a l s i m u l a t i o n1 0 4