5G仿真与评估方法

5G网络系统将在网络容量、用户连接数上实现大幅提升，并基于网络可维护性、能效和用户体验等多个方面提出全新的网络愿景和设计原则。在无线通信领域中，测试评估技术对于整个行业的作用举足轻重。在5G关键理论和技术研究过程中，同步开展面向5G新技术的多层次全面评估，将为5G关键技术筛选和未来标准化提供重要性能参考。本书将着重介绍面向5G通信系统的软硬件仿真和室内外联合测试评估方法，结合国际学术界和工业界的*研究成果，对网络层和物理层各项关键技术的测试评估方法进行详细的分析和描述。内容主要包括：5G候选技术分析及测试挑战、测试技术的演进过程、以链路级和系统级为主的软件仿真方法、硬件在环测试、远程测试、信道测量与建模、外场测试和其他各类新型测试评估方法等。

上海科技大学信息科学与技术学院教授、博士生导师，上海无线通信研究中心主任。国家科技重大专项”新一代宽带无线移动通信网”总体组专家。近年来主持和参加了包括国家自然科学基金委、科技部、国家重大专项、中科院以及上海市的科研项目20余项，先后入选中国科学院百人计划、上海市浦江人才，上海市领军人才、上海市千人计划和上海市优秀学术带头人。已申请国家技术发明专利22 项和国际PCT 专利5 项。在IEEE JSAC、IEEE Transactions 等国内外权威学术期刊和学术会议上发表论文100多篇，其中SCI/EI 索引论文56 篇，编著了学术专著一部（《异构无线网络》，剑桥大学出版社，2013年）。截至2015 年2 月底，论文总共被他引1707 次（Google Scholar），近5 年SCI 他引362 次（Web of Science），其中有2 篇文章被基本科学指标数据库（ESI，Essential Science Indicators）索引，为全球高引用论文（引用量在同主题下位居世界前0.1%）。

目 录 Contents
第1章 Chapter 1
5G候选技术及其评估挑战 1
1.1 5G的需求分析 2
1.1.1 5G的应用类型 3
1.1.2 5G典型应用场景和需求指标 3
1.2 5G研发进程 4
1.3 5G候选技术 5
1.3.1 超密集无线网络 5
1.3.2 大规模天线 6
1.3.3 毫米波通信 7
1.3.4 频谱灵活使用 8
1.3.5 波形及多址 9
1.3.6 终端直通 10
1.4 5G测试验证的挑战 10
1.4.1 新技术对测试验证的挑战 10
1.4.2 测试评估需求四要素 11
1.5 本章小结 13
1.6 参考文献 14

第2章 Chapter 2
测试技术演进 17
2.1 测试技术重要性 18
2.2 测试技术演进 19
2.2.1 测试仪器发展历史 19
2.2.2 测试技术发展趋势 25
2.3 测试技术挑战 29
2.3.1 多功能和高性能的挑战 29
2.3.2 多通道挑战 30
2.3.3 高吞吐率挑战 31
2.4 本章小结 32
2.5 参考文献 32

第3章 Chapter 3
信道测量与建模 35
3.1 5G无线信道模型需求 36
3.2 信道建模方法 39
3.2.1 路损与阴影衰落模型 40
3.2.2 基于测量的GSCM 40
3.2.3 基于规则形状的GSCM 43
3.2.4 相关信道模型CSCM 44
3.2.5 扩展的SV模型 44
3.2.6 射线追踪信道模型 46
3.2.7 建模方法比较 47
3.3 信道测量 48
3.3.1 信道测量方法 48
3.3.2 信道测量活动 54
3.4 信道数据处理 66
3.4.1 信道参数提取 66
3.4.2 信道参数分析 75
3.5 现有的信道模型 82
3.5.1 3GPP SCM/3D/D2D/HF 82
3.5.2 WINNER I/II/ 84
3.5.3 COST 259/273/2100/IC1004 85
3.5.4 ITU IMT-Advanced，IMT-2020 86
3.5.5 IEEE 802.11 TGn/TGac 86
3.5.6 QuaDRiGa、mmMAGIC 87
3.5.7 IEEE 802.15.3c/ IEEE 802.11ad/aj/ay 88
3.5.8 MiWEBA 88
3.5.9 METIS 89
3.5.10 5GCM 89
3.5.11 现有信道模型比较 90
3.6 随机信道生成 92
3.6.1 仿真场景定义 92
3.6.2 大尺度参数生成 94
3.6.3 小尺度参数生成 99
3.6.4 信道系数生成 104
3.6.5 仿真信道生成实例 105
3.7 本章小结 109
3.8 参考文献 109

第4章 Chapter 4
软件仿真测试 121
4.1 软件仿真概述 122
4.2 5G软件仿真需求 124
4.2.1 仿真需求分析 124
4.2.2 技术影响分析 127
4.3 5G软件链路级仿真 128
4.3.1 链路技术概述 128
4.3.2 链路仿真实现 129
4.3.3 仿真案例介绍 133
4.4 5G软件系统级仿真 145
4.4.1 测试评估方法 145
4.4.2 关键仿真技术 147
4.4.3 仿真案例介绍 156
4.5 5G网络仿真的软件可视化 173
4.5.1 架构简介 173
4.5.2 界面演示 175
4.6 参考文献 177

第5章 Chapter 5
软硬件联合仿真评估测试 181
5.1 软硬件联合仿真评估测试概述 182
5.1.1 5G软硬件仿真评估测试的需求 182
5.1.2 软硬件联合仿真测试评估的形式与应用 183
5.2 软硬件联合链路级仿真评估测试 185
5.2.1 基于硬件在环的链路仿真组成 185
5.2.2 链路仿真测试评估实现 187
5.2.3 软硬件仿真评估测试案例 191
5.3 软硬件联合系统级仿真评估测试 213
5.3.1 软硬件系统仿真组成 213
5.3.2 软硬件联合系统仿真关键技术 214
5.3.3 仿真案例介绍 219
5.4 本章小结 230
5.5 参考文献 230

第6章 Chapter 6
5G硬件测试评估平台 233
6.1 用于5G评估的典型硬件平台概述 234
6.2 MIMO并行信道测试平台 235
6.2.1 5G信道测试需求 235
6.2.2 现状和不足 236
6.2.3 关键技术难点和挑战 237
6.2.4 MIMO并行信道测试仪架构 238
6.2.5 测试结果 245
6.2.6 信道测量与试验 248
6.3 OTA测试平台 249
6.3.1 5G对OTA的测试需求 249
6.3.2 OTA测试方案现状和不足 250
6.3.3 关键技术难点和挑战 255
6.3.4 OTA平台实例 257
6.4 5G开源社区 258
6.4.1 需求介绍 258
6.4.2 基于通用处理器的通信平台发展现状 260
6.4.3 Open 5G通用平台 261
6.4.4 基于通用处理器的通信平台的关键技术 264
6.5 本章小结 274
6.6 参考文献 274

第7章 Chapter 7
外场试验网 277
7.1 需求与技术挑战 278
7.1.1 丰富的应用场景 278
7.1.2 外场试验的技术挑战 279
7.1.3 国外5G测试床发展现状 280
7.1.4 异构网络融合的发展与演进 281
7.2 5G试验外场设计 283
7.2.1 异构融合的网络架构 283
7.2.2 丰富的5G典型场景 283
7.2.3 3GPP无线网络设计 285
7.2.4 WLAN无线网络设计 295
7.2.5 大规模试验用户应用场景 309
7.3 外场试验典型案例分析 309
7.3.1 案例一：无线蜂窝网络不规则特性研究 310
7.3.2 案例二：多频段间无线电波传播特性分析 310
7.3.3 案例三：分层多点协作传输（CoMP）关键技术试验 312
7.3.4 案例四：有源天线（AAS）关键技术试验 314
7.3.5 案例五：小区干扰抑制（ICIC）关键技术试验 315
7.3.6 案例六：公众WLAN网络覆盖性能测试 318
7.4 无线网络数据智能分析 320
7.4.1 背景和必要性 320
7.4.2 现状 323
7.4.3 应用场景 325
7.5 本章小结 330
7.6 参考文献 330
缩略语 332

5G技术丛书专家委员会

专家委员会主任

邬贺铨：中国工程院院士，IMT-2020（5G）推进组顾问

专家委员会副主任

刘韵洁：中国工程院院士，中国联合网络通信集团有限公司

丛书特别顾问

张乃通：中国工程院院士，哈尔滨工业大学

专家委员会委员

曹淑敏：IMT-2020（5G）推进组组长，中国信息通信研究院原院长

张新生：中国通信学会副理事长，未来移动通信论坛常务副理事长

侯自强（中国科学院声学研究所）

王晓云（中国移动通信集团公司）

毕  奇（中国电信股份有限公司）

赵先明（中兴通讯有限公司）

童  文（华为技术有限公司）

陈山枝（大唐电信科技产业集团）

张  平（北京邮电大学）

尤肖虎（东南大学）

李少谦（电子科技大学）

王  京（清华大学）

李建东（西安电子科技大学）

 

5G技术丛书编审委员会

编审委员会主任

杨  旸（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）

编审委员会委员

杨峰义（中国电信股份有限公司）

王映民（大唐电信科技产业集团）

陶小峰（北京邮电大学）

张钦宇（哈尔滨工业大学）

金  石（东南大学）

季新生（解放军信息工程大学）

李云洲（清华大学）

葛晓虎（华中科技大学）

武  刚（电子科技大学）

王海明（东南大学）

徐  景（上海无线通信研究中心）

 

 前  言

  
Preface

面向增强移动宽带、大规模机器通信和超可靠低时延业务的5G网络将于2020进行商业部署。国际电联（ITU）从2012年开始组织全球业界开展标准化前期研究，已经确定了愿景和关键性能指标，具体涉及频谱利用率、能效、峰值速率、连接密度、时延和可靠性。进入5G 时代，不仅5G 新技术在不断发展，新技术的测试手段和评估方法也面临着挑战。在5G关键理论和技术研究过程中，同步开展面向5G新技术的多层次全面评估，将为5G关键技术筛选和未来标准化提供重要性能参考。

本书作者结合国内外学术界和工业界的研究成果，以及自身长期从事评估验证工作的研究基础和实践经验，对5G候选技术及测试挑战、测试技术的演进过程、信道测量与建模、软件仿真方法、软硬件联合仿真、硬件测试评估和外场测试等各种先进的仿真评估和测试技术进行详细介绍和深入分析。本书是从技术研究和工程实践人员的视角进行选材和论述的，为便于读者理解重要概念和方法，书中穿插了大量的仿真和测试案例，可供本领域的测试技术研究、工程实践人员以及通信专业的本科生和研究生参考。

本书共6章：第1章简要介绍5G的技术需求、候选技术以及由此带来的5G评估验证方面的新挑战；第2章介绍测试技术本身的演进过程，使读者对测试技术有一个较为全面和系统的了解；无线信道是通信系统设计和性能评估重点关注的部分，在第3章中，作者详细分析和介绍无线信道建模和仿真方法；第4章到第7章重点介绍无线新技术测试和验证过程中使用的各种先进仿真和评估方法，其中，第4章主要讲解软件仿真方法，第5章介绍软硬件联合仿真方法，第6章介绍5G硬件测试评估平台，第7章给出外场测试方法。

本书由杨旸、徐景、王浩文和时光共同主持编写，各章节主要编写人员如下：第1章由徐景和朱元萍负责编写；第2、5和6章由王浩文负责编写；第3章由孙健负责编写；第4章由李凯、杨秀梅和唐建红负责编写；第7章由许晖负责编写。作者单位分别来自上海无线通信研究中心和山东大学。本书所涵盖的内容，得益于长期从事评估验证工作的研究积累和实践经验总结，相关科研工作得到了国家科技部、IMT-2020推进组、FuTure论坛以及业内各位专家的支持和帮助，在此谨表衷心感谢。感谢电子工业出版社各位同仁的辛苦工作，使得本书能够尽早与读

者见面。此外，5G基础理论、关键技术和测试平台建设等都还在深入探索和研究阶段，先进的测试方法和技术相关的诸多知识也有待于进一步验证和提炼，囿于作者的知识水平和实践能力，书中不妥和错误之处不乏其例，恳请各位专家、同仁和读者批评指正。

 

作  者    

2017年5月