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标  题: 通 信 系 统 软 件 仿 真 技 术
发信站: 紫 丁 香 (Sat Jan  8 19:36:31 2000), 转信

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标  题: 通 信 系 统 软 件 仿 真 技 术
发信站: 饮水思源站 (Sun Sep 12 01:00:39 1999) , 站内信件

通 信 系 统 软 件 仿 真 技 术
■ 清 华 大 学 电 子 工 程 系 微 波 与 数 字 通 信 国 家 重 点 实 验 室 --伍
 一-- 周 世 东-- 姚 彦
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仿 真 的 作 用 和 意 义
---- 在 过 去 的20 多 年 里， 通 信 和 信 号 处 理 系 统 越 来 越 复 杂。 这
 使 得 用 传 统 的 分 析 法 来 评 估 和 设 计 通 信 系 统 变 得 越 来 越 困
难， 很 多 时 候 甚 至 是 不 可 能 的。 这 样 通 信 系 统 的 设 计、 评 估 只
 有 依 靠 以 实 际 硬 件 系 统 为 基 础 的 试 验 方 法 或 以 软 件 为 基 础
的 仿 真 来 进 行。
---- 通 信 系 统 的 软 件 仿 真(simulation) 是 借 助 计 算 机， 用 系 统 模
型 对 真 实 系 统 或 设 想 系 统 进 行 实 验 的 一 门 综 合 性 技 术。 随 着
 当 代 计 算 机 和 软 件 技 术 的 飞 速 发 展 以 及 仿 真 理 论 的 日 益 成
熟， 通 信 系 统 软 件 仿 真 技 术 正 进 入 一 个 新 的 阶 段， 一 个 被 称
之 为 人 工 现 实(artificial reality) 的 学 科 正 在 形 成。 通 信 系 统 软
件 仿 真 技 术 的 应 用 也 越 来 越 广： 从 简 单 的 滤 波 器 设 计 到 复 杂
 的 移 动 通 信 网 络 的 总 体 规 划 等。 与 传 统 的 以 硬 件 为 基 础 的 仿
 真 试 验 相 比， 软 件 仿 真 具 有 以 下 特 点：
---- (1) 采 用 软 件 仿 真 技 术 进 行 实 验 可 以 大 大 降 低 成 本， 尤 其
 是 对 大 型 通 信 系 统 而 言， 避 免 了 昂 贵 的 硬 件 投 资。 同 时 仿 真
 设 备 可 以 重 复 使 用， 并 且 试 验 环 境 和 试 验 方 案 的 改 变 非 常 容
 易， 可 以 缩 短 试 验 周 期。
---- (2) 有 利 于 迅 速 地 吸 收 不 断 发 展 中 的 先 进 技 术， 可 以 不 断
 地 完 善 通 信 模 块、 更 新 软 件 的 版 本。 可 以 在 进 行 仿 真 试 验 时
 及 时 引 人 最 新 的 通 信 技 术， 非 常 灵 活。
---- (3) 便 于 进 行 优 化 设 计。 对 尚 未 存 在 的 通 信 系 统 进 行 设 计
 时， 可 以 先 设 计 出 系 统 模 型， 用 仿 真 进 行 反 复 试 验， 找 出 最
优 的 系 统 结 构 和 参 数， 使 系 统 设 计 优 化， 提 高 设 计 水 平。
---- (4) 硬 件 仿 真 受 试 验 设 备 数 量、 仿 真 器 件 水 平 的 限 制， 对
实 际 通 信 系 统 环 境 仿 真 的 能 力 有 限。 如 移 动 通 信 试 验 网 的 用
 户 数 总 是 有 限 的， 很 难 发 现 实 际 系 统 在 用 户 数 很 多 时 可 能 出
 现 的 问 题。 而 软 件 仿 真 不 受 此 限 制， 可 以 非 常 逼 近 实 际 系 统
， 能 为 复 杂 的 通 信 系 统、 网 络 等 工 程 设 计 提 供 准 确 的 评 估 手
 段。
---- (5) 软 件 仿 真 的 操 作 简 单 方 便。 仿 真 结 果 的 处 理 准 确、 迅
速， 便 于 整 理 和 保 存。
通 信 系 统 仿 真 的 层 次
---- 典 型 的 通 信 系 统 仿 真 流 程 图 如 图1 所 示。 由 于 通 信 系 统 的
 复 杂 性， 对 通 信 系 统 的 仿 真 一 般 按 需 求 分 层 进 行， 如 图2 所 示
。
---- 器 件 仿 真、 部 件 仿 真 及 传 播 仿 真 是 通 信 系 统 中 各 个 相 对
独 立 组 成 部 分 的 仿 真。 包 括 象 调 制 解 调 器、 编 解 码 器、 滤 波 器
 及 传 播 电 磁 环 境 等 的 仿 真， 主 要 用 于 验 证 各 个 模 块 的 正 确 性
， 构 建 用 于 链 路 体 制 仿 真 的 模 型 库。
---- 链 路 仿 真 以 误 码 率 为 主 要 指 标， 对 链 路 层 及 以 下 部 分 进
行 仿 真。 一 个 主 要 作 用 就 是 用 于 验 证 不 同 链 路 及 射 频 设 备 在
 指 定 的 环 境 下 的 互 联 互 通 能 力、 电 磁 兼 容 能 力 等 等。 另 一 个
 主 要 作 用 是 通 过 大 量 的 此 类 仿 真， 构 建 各 种 环 境 及 设 备 配 置
 下 的 性 能 参 数 库 及 模 型 库， 为 网 络 级 仿 真 提 供 抽 象 模 型。
---- 网 络 级 仿 真 主 要 把 链 路 层 以 下 部 分 模 型 化， 代 之 以 部 分
与 周 边 环 境 相 关 的 参 数， 进 行 网 络 级 数 据 流、 命 令 流 及 控 制
的 仿 真， 可 用 于 进 行 网 络 设 计 及 网 络 优 化。
---- 应 用 层 仿 真 是 建 立 在 网 络 级 仿 真 之 上 的， 主 要 针 对 整 个
通 信 网 络 所 提 供 的 各 种 应 用 服 务 进 行 仿 真， 它 的 真 实 性 最 强
， 可 以 反 映 整 个 通 信 系 统 中 各 个 部 分 的 问 题 及 瓶 颈， 并 提 供
 进 行 系 统 总 体 性 能 评 估 的 数 据。
几 种 常 用 的 仿 真 软 件
---- 通 信 系 统 仿 真 从 模 拟 计 算 机 发 明 之 日 就 开 始 了，70 年 代 流
 行 的 软 件 包 主 要 包 括：SYSTID、TOPSIM、BLOSIM 和CSMP 等。 随 着 计 算
机 技 术 和 仿 真 理 论 的 飞 速 发 展， 仿 真 软 件 包 无 论 从 功 能、 效
率、 用 户 界 面 上 来 说 都 有 了 长 足 的 进 步。 目 前 有 两 种 国 际 上
较 为 流 行 的 大 型 通 信 系 统 仿 真 软 件SPW 和 网 络 仿 真 软 件BONeS。
---- 1.SPW 软 件
---- SPW 软 件 是 面 向 链 路 体 制 级 的 仿 真 软 件， 主 要 用 于 包 括 数
 字 通 信 系 统、 雷 达 通 信 系 统、 高 清 晰 度 电 视 系 统 等 数 字 信 号
 处 理 系 统 的 设 计、 实 现、 测 试、 评 估。 这 一 层 次 的 仿 真 结 果 一
 方 面 可 以 直 接 用 于 评 价 系 统 性 能， 另 一 方 面 也 为 更 高 层 的 网
 络 级 仿 真 提 供 抽 象 信 道。SPW 软 件 具 有 易 于 掌 握 的 图 形 用 户 界
 面， 它 采 用 模 块 化 设 计， 每 一 模 块 在 一 个 独 立 的 窗 口 中 运 行
， 并 且 各 个 模 块 在 窗 口 管 理 器 的 帮 助 下 可 以 同 时、 交 互 地 运
 行。 它 具 有 下 述 几 个 功 能 模 块：
---- (1) 框 图 设 计 编 辑 器(BDE) 它 能 以 模 块 的 方 式 建 立 和 编 辑 系
 统 模 型， 模 块 一 般 都 是 从 模 块 库 中 调 出 来 的， 对 那 些 模 块 库
 中 没 有 的 特 殊 模 块，BDE 允 许 使 用 者 利 用C 语 言 进 行 模 块 自 我
设 计。 在 系 统 设 计 上，BDE 允 许 无 穷 层 次 的 设 计 框 图， 也 就 是 一
 个 模 块 允 许 由 几 个 模 块 构 成， 而 这 些 构 成 模 块 又 是 由 更 低 层
 次 的 模 块 构 成。
---- (2) 信 号 处 理 器(SigCalc) 它 可 以 产 生 常 用 的 信 号 源 并 能 对 信
 号 进 行 傅 里 叶 分 析、 眼 图 分 析、 直 方 图 分 析 和 星 座 图 分 析。
---- (3) 仿 真 器(Simulator) 它 可 以 对 框 图 设 计 编 辑 器 指 定 的 系 统
 进 行 仿 真， 并 把 仿 真 结 果 送 信 号 处 理 器。 另 外，SPW 还 提 供 一
些 用 户 可 自 由 选 择 的 工 具， 用 户 可 根 据 实 际 需 要 进 行 配 置，
以 满 足 不 同 用 户 不 同 层 次 的 需 要。
---- 2.BONeS 软 件
---- BONeS 软 件 主 要 用 于 现 存 和 未 来 网 络 的 设 计 和 仿 真。 它 采
用 易 于 掌 握 的 图 形 界 面， 能 进 行 各 种 类 型 的 通 信 网 络 和 分 布
 式 处 理 系 统 的 总 体 规 划、 设 计、 分 析、 评 估 和 仿 真 等， 并 对 整
 个 网 络 的 传 输 可 靠 性、 资 源 利 用 的 有 效 性 及 网 络 将 来 的 扩 容
 能 力 等 给 出 客 观 的 评 价。 适 用 范 围 可 以 从 简 单 的LAN 到 复 杂 的
WAN、 移 动 通 信 网 及 卫 星 通 信 网 等。
---- BONeS 软 件 的 核 心 部 分 是DESIGNER， 从DESIGNER 可 交 互 式 地 创 建
 一 个 网 络 系 统 模 型， 对 其 进 行 仿 真 并 处 理 仿 真 结 果。DESIGNER
主 要 由 下 面 几 个 模 块 组 成：
---- (1) 模 型 库 它 为 用 户 提 供 信 号 源、 信 道、 队 列、 计 时 器、 数
 学 和 逻 辑 操 作 等 常 用 的 仿 真 模 型， 且 用 户 可 根 据 需 要 用C/C++
 语 言 对 库 模 型 进 行 扩 充。
---- (2) 数 据 结 构 它 定 义 了 在 仿 真 中 流 过 系 统 模 型 的 网 络 组 件
( 例 如 客 户、 事 项、 包 和 消 息 等)。 数 据 结 构 是 层 次 化 的， 它 可
 以 逐 层 地 定 义， 且 数 据 结 构 的 成 分 的 个 数 不 受 限 制。
---- (3) 模 块 BONeS 通 过 创 建 模 块 并 把 各 模 块 相 连 接 来 构 造 网 络
 的 物 理 模 型。 首 先 通 过 模 块 来 构 成 某 种 协 议 功 能， 然 后 将 这
 些 协 议 功 能 组 成 一 个 节 点， 最 后 将 各 个 节 点 相 连 构 成 网 络 的
 拓 扑 结 构。 对 于 复 杂 的 网 络 系 统， 网 络 的 拓 扑 结 构 和 协 议 都
 可 以 分 级 逐 层 构 成。
---- (4) 仿 真 当 构 造 好 仿 真 系 统 并 指 定 了 参 数 和 探 针 时， 就 可
 以 开 始 运 行 仿 真。BONeS 允 许 你 控 制 仿 真 的 执 行 并 提 供 监 视 窗
 显 示 仿 真 运 行 状 态。 它 提 供 两 种 使 仿 真 执 行 形 象 化 的 方 式：
 回 放 和 交 互 仿 真。
---- (5) 后 处 理 用DESIGNER 的 后 处 理 器， 我 们 能 分 析、 显 示 和 处 理
 仿 真 结 果 并 建 立 数 据 的 用 户 化 绘 图 输 出。 能 用DESIGNER 表 达 式
 中 的 选 项 控 制 显 示 数 据 的 格 式。
---- 与SPW 一 样，BONeS 也 提 供 很 多 用 户 可 根 据 需 求 选 择 的 辅 助 工
 具。
关 键 技 术
---- 1. 通 信 系 统 的 建 模
---- 建 模 是 通 信 系 统 仿 真 的 关 键， 模 型 的 准 确 性 将 直 接 影 响
到 系 统 仿 真 的 可 靠 性。 通 信 技 术 的 高 速 发 展， 许 多 新 技 术 不
断 应 用 到 通 信 领 域, 促 进 了 各 种 新 型 通 信 系 统 的 出 现。 由 于 新
 型 通 信 系 统 的 复 杂 性、 新 技 术 的 超 前 性， 使 得 仿 真 建 模 越 来
 越 困 难。 这 就 要 求 我 们 一 方 面 要 深 入 了 解 新 的 体 制、 新 的 技
 术 以 获 得 准 确 的 模 型； 另 一 方 面 也 要 考 虑 仿 真 的 工 作 量， 将
 仿 真 模 型 进 行 简 化， 只 赋 于 某 些 关 键 参 数， 而 不 去 仿 真 其 实
 际 的 物 理 机 理， 从 而 抓 住 主 要 因 素， 忽 略 次 要 因 素， 提 高 仿
真 效 率。
---- 2. 通 信 系 统 比 特 误 码 率 的 估 计 技 术
---- 误 码 率 是 描 述 数 字 通 信 系 统 的 重 要 指 标， 一 般 采 用 蒙 特
卡 罗 法 进 行 估 计， 但 为 了 获 得 误 码 率 为p 的 可 靠 估 计, 一 般 要
进 行10/p 到100/p 次 的 重 复 统 计。 这 对 误 码 率 很 低 的 通 信 系 统 或
 网 络 来 说 将 是 极 大 的 一 个 数 字， 为 了 提 高 仿 真 效 率， 我 们 必
 须 根 据 所 要 仿 真 的 系 统 特 性， 采 用 适 合 于 该 系 统 的 最 优 化 的
 方 差 缩 减 技 术(variance-reduction)。 在 保 证 准 确 率 的 情 况 下 缩 短
 仿 真 时 间。 方 差 缩 减 技 术 主 要 包 括： 重 要 性 取 样 法(IS)、 极 值
 理 论 法、 拖 尾 外 推 法、 半 解 析 法。 这 些 方 法 随 着 仿 真 理 论 和
技 术 的 进 步 也 在 发 展， 具 体 选 用 什 么 技 术 要 视 具 体 系 统 而 定
。 另 外， 为 了 提 高 效 率 还 可 采 用 多 速 率 仿 真 或 软、 硬 结 合 的
方 法
---- 3. 仿 真 精 度 估 计 与 仿 真 时 间 的 确 定
---- 由 于 随 机 模 型( 如 噪 声、 干 扰) 的 存 在， 仿 真 结 果 是 一 个 随
 机 变 量， 仿 真 精 度 和 置 信 度 实 际 上 是 描 述 该 随 机 变 量 取 值 的
 集 中 程 度。 在 大 多 数 情 况 下， 统 计 的 样 本 越 多， 仿 真 结 果 的
取 值 越 集 中， 需 要 的 时 间 也 越 多。 因 此 应 根 据 仿 真 精 度 和 置
信 度 的 要 求， 合 理 选 取 统 计 的 样 本 空 间。 另 外， 可 根 据 随 机 运
 筹 学 理 论， 粗 略 估 计 在 一 定 置 信 度 情 况 下， 仿 真 精 度 和 仿 真
 总 比 特 数( 可 以 转 化 为 仿 真 时 间) 的 关 系， 为 仿 真 时 间 的 确 定
 提 供 一 个 近 似 的 依 据。
---- 4. 仿 真 过 程 的 同 步
---- 一 个 通 信 系 统 仿 真 最 具 挑 战 的 方 面 是 表 示 相 位 和 时 间 的
 同 步 功 能。 如 果 复 制 相 位 和 定 时 恢 复 电 路 的 动 态 特 性 是 必 要
 的， 则 可 以 采 用 反 馈 环 仿 真， 它 有 很 多 种 模 型 结 构。 另 外 一
种 情 况 是 只 需 利 用 检 测 过 程 的 最 后 结 果 代 表 相 位 和 定 时 估 计
 已 经 足 够。 在 实 际 通 信 系 统 仿 真 中， 要 分 析 具 体 条 件 和 要 求
， 选 择 该 条 件 下 的 最 优 技 术， 在 满 足 某 种 保 真 度 的 准 则 下，
降 低 复 杂 度。
---- 5. 多 实 体、 多 层 次、 多 模 式 工 作 的 协 同 仿 真 技 术
---- 为 了 真 实、 完 整、 全 面 地 仿 真 一 个 通 信 系 统， 有 时 需 要 进
 行 全 层 次 的 仿 真， 实 现 各 个 层 次 的 互 联 互 通 的 性 能 仿 真。 在
 这 样 的 一 个 仿 真 环 境 中， 不 同 类 型 和 层 次 的 设 备 采 用 不 同 的
 仿 真 软 件， 在 不 同 的 计 算 机 上 进 行 仿 真。 通 过 开 放 平 台 实 现
 跨 软 件 平 台 的 仿 真 以 充 分 发 挥 各 种 仿 真 软 件 的 优 势， 将 大 大
 提 高 通 信 系 统 软 件 仿 真 的 可 靠 性 实 用 性。
结 论
---- 通 信 系 统 仿 真 是 一 个 相 当 复 杂 的 系 统 工 程， 它 在 通 信 系
统 的 设 计 和 工 程 实 现 的 所 有 阶 段 都 起 到 重 要 作 用。 随 着 通 信
 技 术 的 飞 速 发 展， 人 们 对 通 信 系 统 仿 真 的 功 能 要 求 越 来 越 高
， 不 仅 希 望 对 通 信 系 统 的 单 一 层 次 进 行 模 拟， 而 且 希 望 能 够
 实 现 复 杂 通 信 网 络 从 底 层 链 路 到 高 层 系 统 管 理 的 仿 真； 不 仅
 希 望 利 用 静 态 模 型 模 拟， 还 希 望 能 实 时 动 态 调 整 仿 真 模 型 和
 环 境。 建 立 一 个 开 放 的、 可 以 适 应 技 术 和 需 求 不 断 发 展 的 仿
 真 体 系 结 构， 支 持 以 组 合 的 方 式 来 构 造 仿 真 系 统， 即 仿 真 系
 统 应 该 由 功 能 定 义 良 好 的 模 块 化 组 件 和 组 件 间 标 准 化 的 接
口 组 成， 同 时 仿 真 系 统 能 由 通 用 的 仿 真 支 撑 结 构 和 独 立 的 仿
 真 应 用 模 型 构 成， 将 是 今 后 的 发 展 方 向。

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    感情是一个难以驯服的野马
    理智却是一个严厉的马夫

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