LTE 陣列天線與傳播模型虛擬仿真實驗設(shè)計

樊 超，李紅巖，黃 毅，付麥霞，楊鐵軍

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

“無線通信”和“通信原理”課程在高校電子信息類專業(yè)中具有重要地位，在很多高校也是必修課[1-2]，而LTE 技術(shù)是這兩門課的重要內(nèi)容。LTE 陣列天線技術(shù)、載波聚合和空間無線傳播模型是LTE 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其模型算法的優(yōu)劣和參數(shù)的選擇直接關(guān)系到LTE 系統(tǒng)的覆蓋性能、業(yè)務(wù)容量、用戶數(shù)量等關(guān)鍵指標(biāo)，選取天線模型和空間傳播模型是LTE 網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化的主要內(nèi)容，具有重要的理論意義和實踐意義[3-4]。

1 開發(fā)LTE 系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺的必要性

傳統(tǒng)的無線通信實驗往往存在以下困難和問題：

（1）大多基于實驗箱或者Matlab 算法仿真，而這樣的實驗平臺無法在真實的無線場景和通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對LTE 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行仿真[5]。因此，大多數(shù)高校在無線通信實驗課程中很難安排LTE 通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和模型設(shè)計等方面的實驗內(nèi)容，不利于學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解、應(yīng)用以及設(shè)計創(chuàng)新能力的提高。

（2）搭建LTE 通信網(wǎng)絡(luò)需要的硬件設(shè)備較多、價格昂貴，網(wǎng)絡(luò)制式各異、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實驗中需要頻繁地操作，部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備易于損壞且維護困難[6-9]。況且有些設(shè)備需要帶電操作并具有一定的輻射，對學(xué)生的人身安全存在風(fēng)險[10-11]。

（3）移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力通常受到真實環(huán)境的影響，即使在實驗室條件下且性能優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)模型，也有可能無法適應(yīng)真實環(huán)境的信號覆蓋需求，進而使網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計失去實際意義[12-13]。

因此，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)LTE 系統(tǒng)虛擬仿真平臺，實現(xiàn)LTE 天線模型和空間傳播模型在真實環(huán)境中的性能模擬，為學(xué)生提供一個能夠結(jié)合實際場景的天線模型和傳播模型設(shè)計平臺，解決各種LTE 模型算法的理論學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計在傳統(tǒng)實驗教學(xué)的難題。

LTE 陣列天線與傳播模型虛擬仿真實驗平臺融合陣列天線技術(shù)、空間傳播模型、區(qū)群結(jié)構(gòu)、覆蓋估計、小區(qū)規(guī)劃、拓?fù)湟?guī)劃、開局組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)測試與優(yōu)化、傳播模型設(shè)計調(diào)優(yōu)等基礎(chǔ)知識，結(jié)合4G 的LTE 真實網(wǎng)絡(luò)場景和實測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在實驗教學(xué)中達到了解技術(shù)、融合知識、結(jié)合實際，遞進能力的目的。實驗包括驗證性實驗和創(chuàng)新性實驗，總體流程如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗設(shè)計總體流程圖

2 LTE 陣列天線與傳播模型原理驗證性實驗

在驗證性實驗部分，結(jié)合均勻直線陣列天線和SPM、COST 231-Hata、EURO-COST 等無線傳輸模型，對LTE 陣列天線和傳播模型的原理進行實驗驗證，并通過改變天線參數(shù)和選擇不同傳輸模型，讓學(xué)生進一步理解陣列天線參數(shù)的意義和不同傳播模型的特點及適應(yīng)性。還可以結(jié)合多小區(qū)規(guī)劃組網(wǎng)的多基站組合模型，對干擾覆蓋進行渲染，讓學(xué)生觀察不同區(qū)群結(jié)構(gòu)特征下多小區(qū)相互影響的綜合覆蓋效果，從而加深對所學(xué)知識的理解，為陣列天線和傳播模型的算法創(chuàng)新設(shè)計打下堅實的理論基礎(chǔ)。實驗內(nèi)容主要有陣列天線實驗、無線傳播模型仿真實驗和區(qū)群結(jié)構(gòu)實驗。

2.1 陣列天線實驗

通過配置天線參數(shù)（如天線長度、陣元個數(shù)），仿真LTE 陣列天線在空間的傳播特性，可以觀察到不同天線模型下的LTE 小區(qū)覆蓋效果（見圖2）。

圖2 天線覆蓋效果仿真圖

2.2 無線傳播模型仿真實驗

選擇合理的傳播模型和模型參數(shù)進行覆蓋估算，通過虛擬仿真渲染，觀察單基站的覆蓋范圍，讓學(xué)生學(xué)習(xí)傳播模型的作用機制。實驗步驟如下：

（1）選定傳播模型，例如SPM 模型、COST231-Hata 模型等，根據(jù)虛擬仿真的地理環(huán)境設(shè)置傳播模型的參數(shù)。

（2）利用發(fā)射端，傳播空間和接收端的相關(guān)參數(shù)，計算出無線鏈路所能允許的最大路徑損耗，并將允許的最大路徑損耗代入無線傳播模型中，估算相應(yīng)的覆蓋半徑；通過系統(tǒng)的虛擬仿真渲染觀察基站的覆蓋范圍（見圖3），驗證估算的覆蓋半徑的正確性。

圖3 傳播模型覆蓋渲染圖

2.3 區(qū)群結(jié)構(gòu)實驗

實驗的目的是通過對 LTE 多基站的覆蓋規(guī)劃實驗，掌握LTE 陣列天線技術(shù)和無線傳播模型算法的區(qū)群結(jié)構(gòu)特征，采用三維渲染技術(shù)查看其多小區(qū)覆蓋和干擾效果，理解未來通信中區(qū)群結(jié)構(gòu)的發(fā)展。實驗步驟分為如下兩步：

（1）進行小區(qū)規(guī)劃，確定基站的蜂窩結(jié)構(gòu)，根據(jù)基站覆蓋半徑計算單基站的覆蓋面積，從而規(guī)劃出滿足區(qū)域覆蓋要求的最少基站數(shù)量和位置；

（2）在虛擬仿真環(huán)境中開通網(wǎng)絡(luò)，進行覆蓋效果和干擾情況的 3D 渲染仿真，驗證在特定的陣列天線函數(shù)和傳播模型下，對選定地理環(huán)境的覆蓋和干擾效果是否達到了規(guī)劃的目標(biāo)。

3 LTE 陣列天線與傳播模型算法創(chuàng)新設(shè)計實驗

通過LTE 陣列天線與傳播模型原理驗證性實驗，可進行創(chuàng)新算法實驗，通過虛擬仿真平臺的創(chuàng)新算法設(shè)計接口，使用C#語言完成陣列天線方向圖函數(shù)和空間傳播模型仿真模型算法庫的設(shè)計與編寫，并利用仿真平臺提供的虛擬路測功能，觀察三維覆蓋渲染圖驗證算法設(shè)計的正確性。該實驗的主要步驟如下：

（1）配置創(chuàng)新算法接口，使用vs2015 新建C#動態(tài)庫工程。

（2）選擇陣列天線公式，根據(jù)陣列天線傳播公式實現(xiàn)程序庫要求的標(biāo)準(zhǔn)接口。

（3）編寫仿真空間傳播模型庫。先選擇無線傳播模型，然后根據(jù)無線傳播模型實現(xiàn)程序庫要求的標(biāo)準(zhǔn)接口。

（4）在仿真無線網(wǎng)絡(luò)場景中加載天線模型和傳播模型算法，開啟區(qū)群網(wǎng)絡(luò)仿真，觀察無線信號覆蓋干擾的3D 渲染圖，初步驗證算法設(shè)計的正確性。

（5）以市區(qū)、郊區(qū)、高速路等常見無線場景的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為模板，加載預(yù)設(shè)的其他主要參數(shù)和算法，在仿真無線環(huán)境中組網(wǎng)開局。

（6）加載天線模型和空間傳播模型的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，按測試路線和測試計劃進行虛擬路測（見圖4），采集LTE 網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)。

圖4 虛擬路測圖

（7）通過參數(shù)分析、KPI 統(tǒng)計、信令流程分析、覆蓋專題分析等方法檢驗陣列天線模型和空間傳播模型的覆蓋效果，初步驗證模型在常見無線場景下的正確性和與其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、算法的兼容性，如圖5 所示。

（8）在虛擬場景中利用真實的無線環(huán)境數(shù)據(jù)進行覆蓋測試，根據(jù)覆蓋效果采用單參數(shù)分析法改變特定的模型參數(shù)，調(diào)整天線與傳播模型庫，迭代該測試過程，直到模型達到合理的覆蓋，使模型的規(guī)劃仿真和實際數(shù)據(jù)測試效果相匹配。

創(chuàng)新設(shè)計實驗流程如圖6 所示。

圖5 點跡覆蓋分析

圖6 創(chuàng)新設(shè)計實驗流程

4 考核要求、評價和教學(xué)效果

為了對學(xué)生實驗過程中的數(shù)據(jù)進行記錄與分析，并依此對實驗報告進行評估，構(gòu)建了基于實驗操作步驟過程的質(zhì)量評價與提升體系（見表1），在實驗前、實驗中和實驗后進行連續(xù)跟蹤考核。

要求學(xué)生在實驗前對基礎(chǔ)知識進行復(fù)習(xí)，知道實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容。通過對學(xué)生實驗基本技能、實驗步驟和實驗效果的跟蹤，全面考核學(xué)生完成實驗的總體情況；通過對實驗結(jié)果的分析和實驗報告的撰寫，考核學(xué)生對實驗項目的完成情況。虛擬實驗平臺會自動對學(xué)生的實驗操作過程數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行采集、統(tǒng)計和分析。通過對學(xué)生所有實驗過程記錄數(shù)據(jù)的分析和挖掘，評估學(xué)生對知識點掌握的情況和實驗教學(xué)效果，進而采取改進措施，提高學(xué)生對課程相關(guān)內(nèi)容的掌握程度。

自2018 年LTE 陣列天線與傳播模型虛擬虛擬仿真實驗平臺建成以來，已為本校電子信息工程專業(yè)和通信工程專業(yè)的300 余名學(xué)生提供“通信原理”和“無線通信”課程的虛擬仿真實驗，安排2 學(xué)時的原理驗證性基礎(chǔ)實驗，或者安排2 學(xué)時基礎(chǔ)+2 學(xué)時創(chuàng)新實驗。在創(chuàng)新實驗中，通過使用平臺的二次開發(fā)功能，學(xué)生可以根據(jù)實際小區(qū)環(huán)境自主開發(fā)天線傳播模型，進而驗證模型的有效性和信號覆蓋范圍。學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力由此得到提高。2018 年，該實驗獲得河南省示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目立項，并已向高校和社會開放（網(wǎng)址為：http://xxxy.haut.edu.cn:8080）。

表1 虛擬仿真實驗考核內(nèi)容及要求

5 結(jié)語

LTE 陣列天線與傳播模型的虛擬仿真實驗使學(xué)生較好地掌握了陣列天線技術(shù)和傳播模型設(shè)計調(diào)優(yōu)等理論知識與工程實踐技能，能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識融會貫通，將自主設(shè)計的模型算法運用于 LTE 網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域覆蓋規(guī)劃及優(yōu)化實驗中，積累了工程操作的經(jīng)驗。此外，創(chuàng)新設(shè)計實驗部分使學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力得到增強，創(chuàng)新能力得到有效鍛煉。