اندازهگیری، تحلیل و شبیهسازی پارامترهای مرتبط با لینک مخابراتی، از ابزارهای پایهای در توسعه سیستمهای مخابراتی بیسیم به حساب میآیند. این اندازهگیریها از آنجا که مبنایی برای مدلسازی کانال هستند و معیار عملکرد نهایی معماری فرستنده گیرنده را فراهم میکنند، پیشنیاز تحلیل و شبیهسازی هستند. با این حال اینگونه اندازهگیریها بسیار پرهزینه و زمانبر هستند و سازگاری آنها با سناریوهای ارتباطی خاص دشوار است. مزیت بزرگ آنالیزهای تحلیلی پتانسیل آنها برای آشکار کردن روابط بین پارامترهای کلیدی یک سیستم است. با این حال، این آنالیزها اغلب مستلزم بهکارگیری مفروضات و سادهسازیهای محدودکننده هستند که ارزش نتایج تحلیلی را در شرایط واقعی محدود میکند. روش شبیهسازی سطح لینک در بررسی سیستمهای بسیار پیچیده، مانند فرستندهها و گیرندههای بیسیم بسیار مورد توجه است. این شبیهسازیها امکان ترکیب محدودیتهای واقعی و عملی را فراهم میکنند و به ما کمک میکنند تا فاصله نتایج آنالیزهای تحلیلی با واقعیت را کمتر کنیم. تاکنون شبیهسازهای متنوعی جهت شبیهسازی سطح لینک 5G معرفیشدهاند. از میان آنها میتوان به GTEC 5G LL، ns-3، OpenAirInterface، و Vienna 5G LL اشاره کرد.
در این گزارش، جدیدترین عضو مجموعه شبیهسازهای ارتباطات سلولی وین (VCCS)، شبیهساز سطح لینک 5G [1](LL) وین معرفی شده و با تعدادی از شبیهسازهای موجود مقایسه شده است. این شبیهساز در نرمافزار MATLAB با استفاده از روشهای برنامهنویسی شیءگرا پیادهسازی شده و کد منبع آن تحت مجوز استفاده آکادمیک برای دانلود در دسترس است.
به لطف برنامهنویسی شیءگرا و ماژولار بهروزرسانی این شبیهساز بسیار ساده بوده و در آینده بخشهای جدیدی به آن اضافه خواهد شد. گروه تحقیقاتی ارتباطات سیار مستقر در مؤسسه ارتباطات TU Wien سابقه طولانی و موفقی در توسعه و به اشتراکگذاری شبیهسازهای ارتباطات سلولی منطبق با استانداردهای متنوع دارد. به طورکلی این شبیهسازها قابلیت تکرارپذیری را در تحقیقات دانشگاهی و پروژههای تحقیق و توسعه در زمینه ارتباطات بیسیم افزایش میدهند. پیادهسازی شبیهسازهای LTE وین در سال 2009 آغاز شد، که منجر به سه شبیهساز سازگار با استاندارد قابلاعتماد LTE شد. این سه شبیهساز عبارتند از یک شبیهساز سطح سیستم downlink و دو شبیهساز سطح لینک، یکی برای uplink و دیگری برای downlink.
نقشه راه تدوین شده برای 5G توسط 3GPP مبتنی بر LTE است، اما توسعه شبیهسازهای LTE بهسمت 5G بهدلیل عدم انعطافپذیری پلتفرم شبیهسازی از نظر اجرا و عملکرد، امر سادهای نیست. زیرا انتظار میرود که ارتباطات سیار در 5G از موارد کاربردی بسیار ناهمگن و همهکارهتر در مقایسه با 4G پشتیبانی کند، مواردی مانند پهنای باند موبایل پیشرفته (eMBB)، ارتباط نوع ماشین عظیم (mMTC) یا ارتباطات فوقالعاده قابلاعتماد و با تأخیر کم (uRLLC).
علاوهبر این، مفاهیم جدیدی مانند شکلدهی پرتوی تمامبعدی/ انبوه چند ورودی چند خروجی (MIMO)، دسترسی چندگانه غیر متعامد[2] و انتقال در باند موج میلی متری (mmWave) در 5G معرفیشدهاند. لذا نیاز به بهبود مجموعه شبیهسازهای VCCS توسط TU Wien احساس میشود. در نتیجه این نیاز، این مؤسسه شبیهسازهای خود را گسترش داده و شبیه سازهایی منطبق با کاربردهای 5G ارائه نمودهاست.
شبیهساز سطح لینک Vienna 5G بر روی لایه فیزیکی (PHY) سیستم ارتباطی تمرکز دارد. هدف این ابزار شبیهسازی تمام زنجیره فرستنده-گیرنده (کدگذاری کانال[3]، پردازش MIMO، مدولاسیون چند حامل[4]، تخمین کانال[5]، یکسانسازی[6]) است که از طیف وسیعی از پارامترهای شبیهسازی پشتیبانی میکند. در شبیهساز سطح لینک کل زنجیره فرستنده، گیرنده و انتقال سیگنال از طریق یک کانال بیسیم برای هر نمونه سیگنال اجرا میشود و بنابراین سطح بسیار بالایی از جزئیات و دقت را ارائه میدهد. این شبیهساز شامل تنظیمات پارامتری است که امکان سازگاری با استانداردهایی از جمله LTE و همچنین 5G را مهیا میسازد. علاوه بر این پارامترسازی امکان شبیه سازی هر سیستم بیسیم بر پایه تقسیم فرکانس متعامد (OFDM) مانند WiMAX، IEEE 802.11a/p و یا همانند آن را ایجاد مینماید. علاوه بر این، عملکرد همهکاره این شبیهساز این فرصت را فراهم میکند تا فراتر از شبیهسازیهای سازگار با استاندارد برویم. برای مثال، این ابزار شبیهسازی ترکیبهای مختلف تنظیمات PHY و همچنین بررسی بهکارگیری همزمان فناوریهای مختلف در 5G را ممکن میسازد.
جدول 1 – مقایسهای میان شبیهسازهای سطح لینک موجود
| Flexible numerology | Channel codes | Waveforms | Multi-link | Language/platform | Simulator |
| No | – | OFDM, FBMC | No | MATLAB | GTEC 5G LL |
| No | (PHY model) | (PHY model) | Yes | C++, Python | ns-3 |
| No | turbo | OFDM | Yes | C | OpenAirInterface |
| Yes Up to 120 KHz | LDPC, turbo, polar, convolutional | CP-OFDM, f-OFDM, FBMC, UFMC, WOLA | Yes | MATLAB | Vienna 5G LL |
ویژگیها و توانمندیها
یکی از اولین بلوکهای پردازشی در سیستمهای مخابراتی بلوک channel coding است. این بلوک قابلیتهایی مانند تشخیص و اصلاح خطا را فراهم میآورد. 3GPP چهار روش کدگذاری کانال را برای کاربردهای 5G پیشنهاد داده است. این روشها عبارتند از کدهای کانولوشنی[7]، توربو[8]، LDPC[9] و کدگذاری قطبی[10]. شبیهساز سطح لینک وین از هر چهار روش ذکر شده پشتیبانی میکند. بر اساس مشخصات فنی اعلام شده توسط 3GPP برای تجهیزات NR[11] 5G تولید کنندگان این تجهیزات در انتخاب شکل موجهای[12] مبتنی بر OFDM برای محصولات خود محدودیتی ندارند. البته بر اساس این مشخصات فنی CP-OFDM[13] بهعنوان پایه اصلی Wave formهای استفاده شده در 5G معرفی شدهاست. شبیهساز مورد بحث ما از Wave formهایی مانند CP-OFDM ،WOLA[14] ،UFMC[15] ،f-OFDM[16] و FBMC[17] پشتیبانی میکند. علاوه بر موارد بالا، این شبیهساز شامل پیکربندیهای MIMO گوناگونی است. تعداد آنتنهای فرستنده و گیرنده برای هر نود از شبکه قابل تنظیم است و میتوان هر مقدار دلخواهی را به آنها اختصاص داد. حالتهای انتقال[18] متنوعی مانند transmit diversity، OLSM[19] و CLSM[20] توسط این شبیهساز ارائهشده است. همچنین یک حالت انتقال سفارشی نیز در نظر گرفته شده است که آزادانه قابل تنظیم است. این شبیهساز از یک استراتژی دسترسی چندگانه غیر متعامد در بخش downlink استفاده میکند. همچنین، این شبیهساز از مدلهای محو شوندگی فرکانس گزین کانال مانند Pedestrian A ،Pedestrian B ،Vehicular A ،TDL-A ،TDL-B، TDL-C ،Extended Pedestrian A و Extended Vehicular A استفاده کرده است. در جدول 1 مقایسهای بین ویژگیهای شبیهسازهای مختلف ارائه شده است.
محیط کاربری شبیهساز
شکل 1، محیط کاربری این شبیهساز را نمایش م یدهد، که جهت پیادهسازی سناریوهای ارتباطی متفاوت استفاده میشود. در شکل یک سناریو ارتباط بین دو ایستگاه پایه ( BS1 و BS2) و دو کاربر (UE1 و UE2) شبیهسازی شده است. بعدا ز مشخص شدن کاربران و ایستگاه های پایه می توان کاربران اصلی هر یک از ایستگاه های پایه را مشخص نمود. درا ین سناریو می توان سطح تداخل بین لینک ها را نیز به عنوان یکی از پارامترهای مؤثر در کیفیت آنها لحاظ کرد. همچنین مطابق شکل 1- 2 می توان پارامترهای کانال انتشار را در سناریو ارتباطی مشخص نمود. این قسمت قابلیت شبیهسازی کانالهای استاندارد و کانالهای شخصیسازی شده را دارد. گزینههای شبیه سازی سناریوهای متفاوت درا ین شبیهساز به اختصار به شرح زیر است:
- شبیهسازی لینکهای متفاوت و تأثیر سیگنالهای تداخل بر آنها
- شبیهسازی سناریوهای Uplink و Downlink در حالت هایFDD و TDD مطابق شکل 1- 3
- شبیهسازی سناریوهای MIMO
- شبیهسازی پارامترهای مدولاسیونهای متفاوت
- شبیهسازی پارامترهای کدگذاری کانال
- جانمایی کاربر و شبیهسازی زاویه ورود و زاویه خروج مطابق شکل 1- 4
- شبیهسازی پارامترهای کانال طبق شکل 1- 2
شکل 1: محیط کاربری شبیهساز جهت تولید سناریوهای متفاوت
پینوشت
[1] Link Layer
[2] Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)
[3] Channel coding
[4] OFDM modulation
[5] Channel Estimation
[6] Equlization
[7] Convolutional coding
[8] Torbu coding
[9] Low density parity check
[10] Polar coding
[11] New Radio
[12] Wave form
[13] Cyclic Prefix Orthogonal frequency division multiplexing
[14] Weighted overlap and add
[15] Universal filtered multicarrier
[16] Filtered OFDM
[17] Filter banked multicarrier
[18] Transmission mode.
[19] Open loop spatial multiplexing
[20] Closed loop spatial multiplexing
