仿真及结果分析

3．仿真及结果分析

本章将通过系统级仿真从多个角度对LTE-A系统中载波聚合技术的性能进行评估. 3.1业务模型

仿真中将采取2种不同的业务模型来评估载波聚合的性能。

FullBuffer业务，是一种理想的业务模型，没个用户的数据包无限长，仿真持续的整个过程中系统中的用户数保持不变。FullBuffer业务通常用来评估系统吞吐量。

由于FullBuffer业务下，系统中用户数及用户数据包大小的恒定特性，仿真无法引起动态波动，而实际系统中用户数及用户包大小是动态变化的，为了逼真地模拟真实的业务变化情况，引入一种描述突发业务的模型：Finite业务。Finite业务模型下，系统中用户的接入服从泊松分布，即系统中用户接入的时间间隔服从负指数分布，每个接入的用户都有一个固定大小的数据包，当用户数据包传完，断开连接，这样在仿真的过程中可以产生业务的动态波动。

3.2仿真假设和参数

本文的仿真是基于文献［9-10］中仿真法搭建的LTF下行动态仿真平台上进行的，平台通过Wrap-Around技术来模拟实际无限大的区域。平台模拟了HARQ、AMC等系统功能，通过EESM(Exponenhtial-ef-fective SINB Mapping)算法合并各子载波上SINB活的每个RB 上的SINR.

仿真中评估了2x5、2x20MHz2种宽带大小载波集合的性能，其中2x5MHz表示2个5HMz的载波聚合。另外在独立载波下，假设2个载波上的用户数相等，仿真中评估的1x2（发送端天线数x接收端天线数）、2x22种天线配置下载波聚合的性能采用不同的接收方式：1x2天线配置下收端采用最大比和并接受（MBC）；2x2天线配置，采用空间服用的多天线传输方案，收端采用最小均方误差接受（MMSE）。具体参数如表1所示。

表一仿真参数

3.3仿真结果及分析

图4给出了2x5MHz载波聚合与独立载波下平均扇区吞吐量的性能。在相同的天线配置、相同扇区用户数下，载波聚合后的扇区吞吐量高于独立载波下的，尤其是在扇区用户较少时，载波聚合相对于独立载波的吞吐量增益最大。这是因为载波聚合技术带来的增益主要来自于联合调度增益和多用户分集增益，而这种增益在系统用户数较少时最为明显，这种增益会随系统负载的增多而有所减小，如在1x2天线配置下扇区用户数为3是载波聚合增益为15%，当用户数为16是载波聚合增益仅为4%。

图4 2x5MHz宽带FullBuffer业务模型下扇区吞吐量

另外从图4还可以看出，不同天线配置下扇区吞吐量的关系。独立载波下，2x2天线配置的扇区吞吐量高于1x2天线配置下的；载波聚合下，同样有2x2天线配置下的扇区吞吐量高于1x2天线配置下的。这说明采用多天线技术空间复用技术可以提高扇区吞吐量。另外可以观察到，扇区用户为4时1x2天线配置下载波聚合相对于独立载波的吞吐量增益为15%，相应的2x2天线配置下载波聚合相对于独立载波的吞吐量增益为17%。这说明采用多天线技术可以进一步提高载波聚合技术的性能。而且与载波聚合不同的是，2x2天线配置相对于1 X2天线配置下的吞吐量增益不受系统负载的影响。

图5 2x20MH z带宽FullBuffer业务模型下扇区吞吐量

图5给出的是2x2天线配置下2个20MHz载波聚合后系统吞吐量的性能。20MHz是LTE 是支持的最大带宽，LTE-Advanced支持的目标宽带为100MHz，为了达到这个目标以及尽量间搜聚合的载波数，20MHzLTE大宽带的聚合是必须的选择。由图5可以看出LTE大宽带聚合后，载波聚合仍有着较高的增益。

图6 2x2天线配置Finite业务模型下包速率

图6给出的是2x2天线配置2x5MHz载波聚合后Finite业务模型下，系统不同负载强度（用到达率表示）对应的平均包速率的性能。包速率=包大小/包时延，其中包时延为包产生到包传完的时间。从图6可以看出，在山区用户较少时载波聚合下的平均包速率约为独立载波下的2倍，当扇区用户较多时，载波聚合相对于独立载波的包速率增益逐渐减小。从纵轴来看，相同的平均包速率下，载波聚合技术支持负载强度是大于独立载波的。这样在给用户提供相等服务质量的条件下，采用载波聚合技术可以增加系统的容量。

Finite业务模型下，载波聚合相对于独立载波的2呗增益可以赢配对理论来解释［11］。Finite业务模型符合排队理论中的M/C/I模型，假定单个载波下包到达率为λ，服务率为μ；在独立载波下，Finite业务模型下的仿真可以看成是2个独立的M/C/I模型。载波聚合后，用户对立的用户数为单载波时的2倍，带宽为单载波时的2倍今儿可以得到另一个M/C/I模型，对应的到达率和服务率分别为2λ和2μ，而突发数据包在系统的逗留时间为

（4）

式中：m 2——包服务时间的方差

当服务速率变为2倍时，m 2变为原来的1/4,所以通过式（4）可以得出载波聚合使用包在系统中逗留时间变为原来的1/2。再根据包速率计算公式，在同样的包大小下，载波聚合下的平均速率为载波聚合时的2倍。这也就揭示了前面提到的2倍关系。但随着负载的增多，这种增益减小，是因为系统负载过大，用户数据包在发送队列中堆积导致增延过大造成的。

图7 2x2天线配置Finite业务模型下平均延时与业务负载关系

图7给出了2x5MHz载波聚合不同负载轻度下用户数据包传输时延的仿真结果。由图7可以看出在相同的负载强度下，采用载波聚合技术可以减小用户数据包的传输时延，尤其在负载较轻时，载波聚合下的包速率约为独立载波下的一半，有效地改善了用户体验。同样在相同服务等级即允许的时延下载波聚合可以支持负载强度更大。