Анализ и исследование имитационных моделей радиоканалов LTE-сетей

Бесспорно, на современном этапе развития науки и техники радиотехнические системы в значительной мере воздействуют на жизнь общества. Радиотехническая система можно рассматривать как систему, состоящую из технических средств, выполняющих обработку радиосигналов. Предназначение такой системы в извлечения и передачи информации. Радиотехнических систем предоставляют следующие возможности:

• передача информации (речь, изображения, различные виды данных);
• исследование окружающей среды (обнаружение и определение координат объектов, определение свойств и состояния окружающей среды);
• навигация (определение положения и ориентации в пространстве).

В независимости от целей применения радиотехнической системы, главным требованием к ней является качественное и надёжное выполнение своих функций.

При проектировании радиотехнических систем перед разработчиками встают важная задача обеспечение и поддержание высокого качества работы данных систем. Для достижения удовлетворительного результата требуются оптимальные для данной ситуации структура и параметры системы, а также приемлемые способы реализации и алгоритмы работы её составляющих. Принятия данного решения может быть основано на ряде экспериментальных исследований различных вариаций реализации радиотехнических систем. Однако при дальнейшей сборке и реализации различных вариантов системы возникает значительный препятствие в виде пропорционального увеличения длительности и стоимости работ по проектированию.

На основе вышеперечисленного можно сделать вывод, что наиболее эффективным путем поиска оптимальных решений при разработке радиотехнических систем является проведение исследований методом моделирования. Одним из преимуществ данный метода является возможность быстро и беспрепятственно влиять на структуру и параметры системы, благодаря чему отпадает необходимость в значительных финансовых затратах при исследованиях работы радиотехнических систем с учетом различные варианты их реализации. Для решения второй не менее весомой проблемы длительности проведения работ по проектированию достаточно внедрить в исследование высокопроизводительные вычислительные машины. Таким образом, моделирование является не только эффективным путем исследования и проектирования радиотехнических систем, обеспечивающим высокую надёжность и качество работы, но и позволяет сокращать сроки и стоимость проектирования и ввода в эксплуатацию.

Моделирование представляет собой такой метод исследования, при котором исследуемый объект заменяется моделью, воспроизводящей наиболее возможное близкое к оригиналу поведение в пределах некоторых допущений и приемлемых погрешностей. В общем случае моделирование состоит из разработки модели реального объекта и дальнейшему изучению его свойств за счет изучения самой модели. Также следует уточнить, что целесообразно проводить моделирования только в тех случаях, когда оно проще и дешевле создания самого оригинала или, когда последний по каким-либо причинам лучше вообще не создавать.

Моделью в общем случае является физический или абстрактный объект, свойства которого в определенном смысле копируют свойства оригинального объекта. При этом на постановку требований к модели влияют решаемая задача и имеющиеся в наличии средства.

Наличие схожести разработанной модели с реальным объектом предполагает соответствие данной модели ряду основных требований. Модель должна быть:

• адекватной: достаточно полно отображать свойства оригинала;
• полной: предоставлять пользователю всю необходимую информацию об оригинале;
• гибкой: обеспечивать возможность воспроизведения различных ситуаций во всем диапазоне изменения условий и параметров [1].

В зависимости от способа реализации различают следующую классификацию: физические, математические и полунатурные модели.

Физические модели – это реальные физические объекты, которые дублируют характеристики и свойства оригинала путем сохранения либо применения аналогичной физической природы [2].

В качестве таких моделей наиболее часто выступают макеты, которые базируются на основных принципах и алгоритмах работы системы. Физические модели широко применяются при исследованиях среды распространения радиосигналов, которая является неотъемлемой составляющей радиотехнических систем.

Математической моделью – это обобщенное описание объекта на базе функциональных или логических операторных соотношений, алгоритмов, алгебраических, интегродифференциальных или других уравнений, которые могут быть как в незамкнутой (неразрешённой), так и в замкнутой (разрешённой) формах.

Так как работа радиотехнических систем основана на применении радиосигналов, которые достаточно полно описываются функциональными зависимостями одной (обычно времени) или нескольких переменных, математическое моделирование получило широкое распространение при моделировании данных систем, причём как отдельных их составляющих, так и систем в целом. Следовательно, РТС легко поддаются математическому описанию. В свою очередь, математические модели делятся на аналитические и имитационные [3].

Аналитическими являются модели, в которых представление исследуемого объекта базируется на системе математических уравнений различного вида. Исследования с использованием аналитического моделирования осуществляется путем применения методов символьных или численных решений математических уравнений человеком или с использованием ЭВМ. Выполнение моделирования данным методом позволяет выявить общие теоретические зависимости поведения оригинального объекта.

Имитационной моделью называется логико-математическое описание, которое повторяет внутреннюю структуру системы, функции её отдельных элементов и наиболее существенные взаимосвязи между ними.

При данном методе моделирования созданная модель воспроизводит алгоритм функционирования системы во времени: имитируются элементарные явления с учетом их логической структуры и последовательности действий. За имитационных моделей возможно добиться высокого соответствия при описании функционирования реального объекта.

Одним из достоинств имитационного моделирования выступает возможность задания скорости протекания процесса: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Данная особенность оказывает значительное влияние при моделировании радиотехнических систем, поскольку радиосигналы представляют собой быстро меняющимися во времени процессы и при их исследованиях в естественных условиях возникает ряд затруднений.

Полунатурная модель – модель, при создании которой используются элементы реальной аппаратуры исследуемого объекта. Включение реальной аппаратуры в процесс моделирования сложных процессов позволяет добиться снижения трудоёмкости моделирования, а также повысить процент адекватности получаемых результатов.

Конечной целью моделирования является получение принципиально новой информация об изучаемом объекте, способной расширить и углубить его описание. Процесс моделирования можно считать завершенным в случае, если полученная информация достаточна для принятия определенного решения. Моделирования может протекать следующим образом [4]:

1. постановка задачи;
2. определение системы;
3. решение о необходимости моделирования;
4. формулирование модели;
5. трансляция модели;
6. проверка модели;
7. планирование исследования;
8. экспериментирование;
9. интерпретация результатов
10. реализация и документирование.

Постановка задачи заключается в определение ряда вопросов, требующих ответа, а также обозначении новых сведений о системе, которых необходимо добиться в ходе исследования.

Определение системы – формально расстановка разграничений между изучаемой системой и окружающей средой, другими словами определение, что является элементом системы, а что нет. Отделение системы от внешнего мира, в свою очередь, приводит к обозначению ограничений и допущений, на которые будет опираться проектируемая модель. Также с учетом обозначенных границ определяются показатели эффективности, необходимых при дальнейшей численной оценки качества системы, её соответствия обозначенным задачам.

На основе первых двух этапов происходит принятие решения о необходимости продолжения моделирования. В некоторых случаев чёткая постановка и анализ проблемной ситуации способны дать понятие слабых мест исследуемого объекта. В таком случае дальнейшее моделирования является нецелесообразным. В противном случае работа по созданию модели продолжается.

Формулирование модели – переход от реального объекта к некоторой логической схеме. В связи с необходимостью обеспечения сходства модели с оригиналом, построение модели, как правило, начинается с анализа исследуемой системы – выделения отдельных составных частей. В процессе такого анализа обозначается структура исследуемого объекта, определяется связь компонентов системы между собой и внешней средой.

Трансляция модели – процесс описание модели при помощи языка, понятного вычислительной машине, при помощи которой будет реализовываться модель.

Проверка модели – это проверка правильности перехода модели на язык вычислительной машины и проверке соответствия разработанной модели исследуемому объекту (оценка адекватности).

Планирование исследования – разработка предполагаемого хода эксперимента, результатом которого должна стать необходимая информация, определение способа проведения каждой серии испытаний.

Экспериментирование представляет собой сам процесс проведения экспериментов с моделью, целью которых является получение желаемых данных об исследуемом объекте.

В виде интерпретации результатов выступают выводы о функционировании объекта, построенные на основе данных, полученных ранее в результате моделирования. Если результаты моделирования полезны, то их можно использовать для принятия решения, в противном случае необходимо провести ревизию всех предыдущих этапов моделирования. В случае, если результаты моделирования полезны, но полученная информация недостаточна для принятия решения, необходимо продолжить моделирование.

Реализация и документирование представляет собой использование модели и результатов моделирования на практике, а также создание документации всего процесса создания и использования модели.

Процесс моделирования схематически представлен на рис. 1.

Рисунок 1 – Схема процесса моделирования

Таким образом, можно сделать вывод, что изучение методов и овладение приёмами моделирования сложных радиотехнических систем является неотъемлемой составляющей подготовки радиоинженера.

Список использованной литературы

1. Васильев, К. К. Математическое моделирование систем: учебное пособие / К. К. Васильев, М. Н. Служивый. – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – 170 с.
2. Галкин, А. П. Моделирование каналов систем связи / А. П. Галкин, А. Н. Лапин, А. Г. Самойлов. – М.: Связь, 1979. – 100 с.
3. Борисов, Ю. П. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств / Ю. П. Борисов, В. В. Цветнов. – М.: Радио и связь, 1985. – 176 с.
4. Jeruchim, Michel C. Simulation of Communication Systems Modeling, Methodology and Techniques / Michel C. Jeruchim, Philip Balaban, K. Sam Shanmugan. – 2-nd ed. – N. Y.: Kluwer Academic Publishers, 2002. – 937 p.