1.3.5 通信系统仿真建模的原则与方法

如何根据实际通信系统的技术要求构建一个有效的仿真模型，是通信系统仿真需要面对和解决的根本问题。需要说明的是，目前实际的通信系统基本包括通信核心网络和通信设备（终端）两大部分，是非常复杂的，很难完整地进行仿真。这时只有在允许的近似范围内，以较为简单的形式建立系统模型才能达到仿真的目的。为此需要：降低问题的复杂程度和进行问题分解。

通信系统仿真的关键是建立模型，通信系统仿真模型的建立，贯穿通信系统实际设计与实施的整个过程。问题分解其实质为设计分层，将一个大问题分解为多个小问题，这些小问题的解决方案是解决整个大（复杂）问题的前提。无疑这个分解的过程同时也降低了问题复杂度。当然仿真中每个小问题的解决也必须尽量降低其复杂度。

1.通信系统仿真建模的原则

通信系统仿真建模过程需要考虑和综合的问题很多，但一般多需考虑分层设计原则。

在仿真时，一般根据问题把通信系统分层进行考虑。通信系统的7层OIS参考模型如表1-2所列，其中各层规约如下：

1）应用层：与其他计算机进行通信的一个应用，它对应应用程序的通信服务。例如，一个没有通信功能的字处理程序就不能执行通信的代码，从事字处理工作的程序员也不关心OIS的第7层。但是，如果添加了一个传输文件的选项，那么字处理器的程序员就需要实现OIS的第7层。例如，Telnet、HTTP、FTP、WWW、NFS、SMTP等。

2）表示层：该层的主要功能是定义数据格式及加密。例如，FTP允许选择以二进制或ASCII格式传输。如果选择二进制，那么发送方和接收方不改变文件的内容；如果选择ASCII格式，发送方将把文本从发送方的字符集转换成标准的ASCII后发送数据。在接收方将标准的ASCII转换成接收方计算机的字符集。例如，加密、ASCII等。

3）会话层：定义了如何开始、控制和结束一个会话，包括对多个双向小时的控制和管理，以便在只完成连续消息的一部分时可以通知应用，从而使表示层看到的数据是连续的，在某些情况下，如果表示层收到了所有的数据，则用数据代表表示层。例如，RPC、SQL等。

4）传输层：这层的功能包括是否选择差错恢复协议还是无差错恢复协议，以及在同一主机上对不同应用的数据流的输入进行复用，还包括对收到的顺序不对的数据包的重新排序功能。例如，TCP、UDP、SPX等。

5）网络层：涉及计算机网络和通信网络方面的内容，主要完成信息的网络传输，包括连接、交换和路由等。这层对端到端的包传输进行定义，定义了能够标识所有节点的逻辑地址，还定义了路由实现的方式和学习的方式。为了适应最大传输单元长度小于包长度的传输介质，网络层还定义了如何将一个包分解成更小的包的分段方法。例如，IP、IPX等。

6）数据链路层：定义了单个链路上如何传输数据。这些协议与被讨论的各种介质有关，完成帧处理，包括通信原理和信号处理的内容，如ATM、FDDI等。

7）物理层：OSI的物理层规范是有关传输介质的特性标准，这些规范通常也参考了其他组织制定的标准。连接头、针、针的使用、电流、电压、编码及光调制等都属于各种物理层规范中的内容。物理层解决通过有线或无线网络传输比特信息，常用多个规范完成对所有细节的定义。例如，RJ-45、IEEE 802.3等。

每一层都可以进行细化，得到更为精细的设计层，建模的层次结构准确性越高，对模型的描述就越细致，但运行模型需要的时间就越长。通过增加模型描述的细节程度来建模可构建出通信系统的层次描述结构，如图1-4所示。

图1-4具有按层次逐层分支的树状结构，这种结构在软件系统上也称为层次结构，适合于软件工具和复杂系统的管理。如果从建模的角度出发，树状结构是自上而下的，离树根较近的模型称为高层模型或高级模型，离树根较远的模型称为低层模型或低级模型。高层模型不依赖或很少依赖物理模型，低层模型在一定程度上是由高层模型分解得到的，每个单元有独立的模型。原则上这个过程可以一直重复，最终达到基本物理描述。系统所要求的仿真精确度仅取决于建模的层次结构中的最低层，也就是说最高层所描述的系统，其输入/输出所能够达到的精确度，通过执行最低层表述的输入/输出关系也能得到。

通信系统的组成形式各式各样，但均包含了某些基本的子系统功能，如图1-5所示。因此仿真中必须把握系统模型层次化的概念，关注和设计系统的每个子系统。

图1-5中的每个方框就是一个子系统，或者称为模型，它们是仿真研究的对象，也是使用计算机软件进行描述的方框图。

从仿真建模的角度来讲，子系统模型应该尽可能地容易实现。如果一个子系统的结构很清楚，那么它的模型就可以抽象化了。一旦设计被结构化和抽象化了，建模就变成参数设计。因此，建模的关键就是对各个子系统结构的参数确定。

2.通信系统仿真建模的方法

通信的目的是传递消息，消息以信号的形式表现出来，经过信道传输后，在接收端希望将信号分量尽可能地从噪声干扰中恢复出来。为了仿真上述过程，可以通过源端产生信号，再通过设备模型进行逐级传输，并在合适的位置上混入噪声和干扰，以形成最终的传输波形。因此，成功的通信仿真系统应当做到：①仿真框图与实际系统的一样；②产生波形的统计特性接近真实波形的统计特性；③模型器件的工作方式和真实器件的一样。

（1）通信网络仿真

网络仿真是一种重要的网络研究方法。它允许现实世界的网络分组流量和仿真器中模拟的流量进行交互，经受用户定义的分组延时、丢失、重排序和复制。利用网络仿真，用户能够测试现实网络设备在各种不同模拟的网络环境中的功能和性能，而无需获得、了解或修改它的内部协议栈。正因为如此，网络仿真被广泛应用于测试网络协议和设备。

网络仿真主要从高层入手，网络仿真允许真实的网络设备通过仿真的网络进行通信。这个功能是通过从实际的网络当中读取实际的网络层数据流量，并将读取到的数据流量添加到仿真当中，然后在仿真结束时，将仿真器中的数据流量重新注入到实际的网络中。如IP网络的通信效果可以仿真得到，但是对于实际的设备来说，却和真实的网络流量毫无差别。

网络仿真分为动态仿真和静态仿真两种。

1）动态仿真：是通过对设备（终端）在连续时间内的分析来了解网络性能。

2）静态仿真：是通过对快照（Snapshot）分析来了解网络性能。每个快照按某种规律（随机分布）生成一定的终端分布，通过迭代运算获得终端与网络的连接能力，同时，考虑多种连接失败的可能因素，最后，通过对多个快照的统计分析获得网络的性能。蒙特卡罗仿真是静态仿真的一种，是常用的网络仿真方法。

无论动态还是静态，通信网络仿真是一个局部调整、仿真验证、再调整、再仿真验证……，逐步逼近性能要求的过程，如图1-6所示。

（2）通信设备（终端）仿真

通信终端又称为数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE，简称终端），是能够向通信子网发送和接收数据的设备。大、中、小型计算机（又称主机）无疑是通信网络中最强有力的数据终端设备。它不仅可以发送、接收数据，还可以进行信息处理，包括差错控制、数据格式转换等。这些设备不但可以作为终端，还可以作为网络通信设备。

通信设备或称终端仿真可按系统建模、设备建模和过程建模3种方法进行。

1）系统建模

系统模型是一种拓扑结构，是顶层设计，其仿真框图与真实系统越接近，整个系统的精确度就越高。这就是为何在系统建模方面，用仿真的方法确定实际系统模型成为一个主流方向。系统建模主要是根据某一系统在实验中所获得的输入/输出（I/O）数据，在计算机上进行仿真实验，以确定模型的结构和参数；基于模型库的结构化建模，一般采用面向对象建模方法，在类库的基础上实现模型的拼合与重用。

出于对计算效率的考虑，建模应当尽可能地采用高层模型。通常模型中每一层都可以采用一组子系统来降低模型的复杂度，这种方法在系统建模过程中得到了广泛的应用。在仿真时可以将某些子系统完全忽略，或者以简单的形式表示出来。例如，在通信系统中，同步子系统是其重要的组成部分，但在研究其他子系统时，如仿真均衡解调算法时，可以首先假定通信系统的同步已经建立，完全忽略同步的影响。

2）设备建模

除了适应计算机软、硬件环境的发展而不断研究和开发出许多新算法和新软件外，现代仿真技术还必须进行设备建模。一个设备在子系统层次上仅仅是一个方框图，它能完成一定的功能。从计算角度来讲，设备建模就是子系统分层上的传输函数模型的构建。传输函数模型实际是指在仿真脉冲的驱动下，与输入值有关的输出规则。这个规则就是某种描述方式，例如，一个或一组方程、一个算法等。一个好的规则必须是有意义的，同时还是物理可实现的。一个好的子系统模型应当有可以调节的输入参数，这些参数反映了对应设备模型的描述，它们与实际设备的工作数值相关。

3）过程建模

系统或子系统的I/O都包含信息和噪声（或干扰）两部分，它们均为随机过程。仿真的目标就是测定有用信号的传输质量，很明显，这种测定的真实性依赖于仿真过程能够重现或者描述实际过程的真实程度。为了提高这种“真实程度”，同时简化运算的复杂程度，通常把过程建模分为3种：信源、噪声和干扰随机过程建模；随机信道建模；等价随机过程建模。根据信息论和随机过程理论，信源和噪声源都是随机过程，都可以根据它们的统计特性用随机信号发生器产生。在系统的设计和检测中，信源经常作为测试信号。信道建模实际上也是随机过程建模，例如，多径信道就是一个典型的随机过程模型。在进行信道建模时需要对信道的冲激响应h(t)建模，而h(t)是随时间变化的随机变量。

（3）通信信道仿真

信道建模是通信系统研究中的难点。而信道的传播特性对于通信网络的研究、规划和设计却有着十分重要的作用。研究信道的传播特性，先要弄清信道的传播规律和各种物理现象。为了给通信系统的规划和设计提供依据，常通过理论分析或实测进行统计分析来总结和建立具有普遍性的数学模型。利用这些模型，可以估算一些传播环境中的传播损耗和其他有关的传播参数，根据环境的不同来选用不同的数学的模型。

现代通信系统都运行在包括双绞线、同轴电缆、光纤和自由空间等在内的多种通信信道上，信道按传输媒质分为有线信道和无线信道，通信信道的仿真模型一般有下面两类。

1）时不变信道的传递函数模型。这类信道一般有电缆、自由空间和光纤等，在这种模型中，信道的特性假设是静态不变的，即信道具有时不变的冲激响应、固定延迟等。如果信道对信源在带宽上的响应具有固定的增益，则此时不变信道的传递函数就是“平坦的”；如果信道增益与带宽有联系，则此信道为“频率选择性的”。

2）时变信道的抽头延时线模型。这种信道的特性随着时间进行变化，移动无线信道就是此种信道之一。如果在最小时间间隔内，信道特性发生了变化，称该信道为“快衰落”信道；如果在相对多的连续时间间隔内保持静态，则称为“慢衰落”信道。