效能模擬器臂助　天線系統設計事半功倍

本文討論以天線角度出發之天線系統效能模擬器，主要結合系統層級模擬器與各種天線設計參數，讓天線研發人員在初期設計階段就能提早得知天線設計參數對於通訊系統效能之影響。 

無線通道模擬器 快速驗證系統效能 

多基地台多使用者的無線通訊系統中，為了快速驗證系統效能，通道模擬器是常用來驗證系統效能的快速方法，主要有連接層級模擬器(Link-Level Simulator, LLS)與系統層級模擬器(System Level Simulator, SLS)兩大類。 

連接層級模擬器的主要用途是評估點對點傳輸(Point-to-Point Transmission)的效能，即單一傳送端與單一接收端之資料傳送狀況，此模擬器主要用於設計與驗證傳送器與接收器內部各模組的演算法效能，如調變/解調變(Modulation/Demodulation)、通道估測/等化(Channel Estimation/Equalization)、時間/頻率同步(Time/Frequency Synchronization)、通道編碼(Channel Coding)等無線通訊系統模組。 

在系統層級模擬器部分，其主要驗證多點對多點傳輸(Multi-Point to Multi-Point Transmission)之效能，即多傳送端與多接收端之系統資料傳送情形；系統層級模擬器主要可應用於評估多點對多點傳輸之效能，可達到快速驗證(Fast Validation)系統效能與高修改彈性(High Flexibility)的優勢，目前已經被世界各家通訊大廠廣泛使用。 

認識天線效能模擬器 

為了有效評估天線所對應之系統效能，這裡討論以天線角度出發之天線系統效能模擬軟體，讓天線研發人員在設計階段就能提早得知天線設計參數對系統效能之影響，相關示意圖如圖1所示。此天線效能模擬軟體，可有效解決傳統上必須把天線雛型(Antenna Prototype)用於場域測試(Field Trial)後才能得知系統效能之問題，因此可達到即時上市(Time-to-Market)，縮短天線開發時程。 

圖1 天線效能模擬器示意圖

此外，透過天線系統效能模擬軟體之使用者圖形化介面(Graphic User Interface, GUI)輸入系統模擬參數(Bandwidth、Operating Frequency、BS/UE Parameters)、通道環境參數(Channel Parameters)與天線參數(Antenna Number、Antenna Field Pattern)後，即可模擬出相對之平均傳輸速度(Throughput)、訊號與干擾雜訊比(Signal-to-Interference Plus-Noise Ratio, SINR)、通道品質指標(Channel Quality Indicator, CQI)等等行動通訊系統效能指標，適合天線設計研發人員使用。 

何謂通道模型 

為了有效利用通道模擬器來評估系統效能，通道模型(Channel Model)亦是其中不可或缺的一環，不同的應用環境，如室內(Indoor)、都會區(Urban)、郊區(Suburban)等，會對應至不同的通道模型，而通道模擬器可針對不同的應用環境，產生相對應之通道模型與通道參數，進而分析出不同應用環境之系統效能。 

通道響應(Channel Response)對於整體無線通訊系統效能會造成很大的影響，因此如何在模擬初期能利用到精確的通道模型是一項重要的課題。WINNER II通道模型主要可產生多點對多點的通道資訊，並且可根據不同基地台與使用者位置來產生相對應的通道，其中單一路徑(單點對單點)的產生方式主要是藉由傳送端傳送訊號後，經由環境中之反射物之影響，最後被接收端接收後所產生多重路徑(Multipath)的效果，因此綜合來說會包含路徑衰減(Pathloss)、遮蔽效應(Shadowing)、多重路徑等效應。 

WINNER II通道模型亦可提供不同環境型態的通道，如室內環境、都會區環境、郊區環境等；除此之外，WINNER II通道模型也根據使用者輸入不同的參數，如中心頻率(Central Frequency)、系統頻寬(System Bandwidth)、資料傳輸率(Data Rate)、直射路徑/非直射路徑等參數來產生不同的通道響應，並提供給使用者做後續之系統層級模擬所需的通道資訊，通道資訊的產生步驟如圖2所示。 

圖2 WINNER II通道資訊產生步驟

天線效能模擬器 從細部設計著手 

圖3中顯示了本天線系統效能模擬器之區塊架構圖(Block Diagram)，從架構圖中可清楚地看到，此天線系統效能模擬器包含基本的通訊系統參數設定，如系統頻寬、操作頻率、基地台/使用者數目、天線數目等細部參數，並且根據這些參數來考慮基地台/使用者之分布情況；在通道模型部分則使用WINNER II通道模型，因此路徑衰減、遮蔽效應、多重路徑等通到效應皆會被考量進來，以增加系統效能準確度。 

圖3 天線效能模擬器架構圖

除了通道影響外，基地台天線場型的影響亦會考量，並且根據基地台/使用者分布狀況計算出每個使用者在各個子載波(Subcarrier)上之SINR；最後再搭配實體層抽象模型(PHY Abstraction Model)與指數型等效SINR對應(Exponential Effective SINR Mapping, EESM)方法計算出最後的Throughput效能，以下將針對這部分做詳細介紹。 

了解實體層抽象模型 

由於系統層級模擬器是實現多基地台多使用者環境下的系統效能，且效能評估重點會放在評估整體通訊系統，而非評估單一基地台對單一使用者，因此會透過實體層抽象模型來做效能評估。由於不同頻率上所遭遇到通道狀況有所不同，因此每個子載波上之SINR也會有所變化，但為了計算出最後的等效SINR(Effective SINR)SINReff則必須透過對應函式(Mapping Function)來做計算，而此部分採用的對應方法為Exponential Effective SINR Mapping(EESM)方法來計算出等效SINR，如如圖4與公式1所示。 

 

......................................................公式1 

圖4 SINReff之計算與BLER之Mapping圖

計算出SINReff後，後續更可與預先模擬好的單一基地台單一使用者系統效能圖來做效能對應(圖5)，並且求得一對應後的區塊錯誤率(BLock Error Rate, BLER)，而系統層級模擬器則可根據此BLER效能計算出最後的系統Throughput效能值。 

圖5 Link Level Simulator效能圖

由於不同的β值會對應到不同的SINReff，因此後續將利用圖6的方式來計算出β值。圖6中主要是利用預先計算好之正確SINRM與根據EESM方法且特定某個β值下所計算出的SINReff，並且將兩者會相對應，並且調整β值，使整體的差距縮小。 

圖6 EESM Calibration beta值之計算

使用天線效能模擬器圖形化介面 

為了讓天線設計人員能使用此天線效能模擬器，本模擬器設計了相關圖形化介面來完成模擬設定，相關設定步驟如圖7所示。從圖中可清楚看到，本模擬器在一開始的介面總共有三個設定步驟，包含步驟一之天線設定(Antenna Settings)、步驟二之模擬參數設定(Simulation Settings)、步驟三之基地台與使用者分布設定(BS/UE Distribution Settings)。完成上述三步驟之設定後，就可執行模擬步驟，並且在模擬完成後在模擬結果視窗中看到相關模擬結果。 

圖7 (a)圖形化介面設定流程圖、(b) GUI介面標籤選項

在步驟一的天線設定中，如圖8(a)所示，主要是設定基地台的Antenna Port數目與Antenna Type，此外亦可以讀取各個Antenna Port之水平(Horizontal)與垂直(Vertical)天線場型(Antenna Pattern)，並且可在右方的圖形中清楚地看到各Antenna Port天線場型的形狀。 

在步驟二的模擬設定中，如圖8(b)，主要設定系統參數、通道參數、基地台與使用者參數等參數，其中系統參數部分可設定系統頻寬、中心頻率以及模擬次數；在通道參數部分，則可設定通道模型種類、路徑衰減、遮蔽效應，最後基地台與使用者參數部分則可設定基地台數量、基地台傳送能量、使用者天線數目、最大使用者排程數目等參數。 

最後在第三步驟，如圖8(c)則可設定基地台與使用者的位置設定，目前基地台數目最大可支援七個基地台之模擬，且此介面也可設定基地台與使用者之最大距離(Max BS/UE Dis.)，以及每個基地台服務的使用者數目(UE Number per BS)。 

圖8 GUI介面--(a)Step1天線設定、(b)Step2模擬參數設定、(c)Step3基地台與使用者分布設定

完成上述設定後，只要執行Generate UE Positions即可在右方視窗即時看到基地台與使用者的分布狀況，其中使用者的位置是根據基地台所設定的位置來亂數產生，最後執行「Run」即可完成。 

天線效能模擬結果 提供產品設計參考 

天線效能模擬結果這部分將利用天線效能模擬器，並搭配基地台天線場型來模擬出相對應之系統效能，主要是針對1L2H基地台天線於不同系統參數或通道參數下進行系統效能模擬。1L2H天線水平場型(Horizontal Pattern)，則如圖9所示。 

圖9 1,800MHz頻率之水平天線場型圖--(a)1L2H天線Port 1、(b) 1L2H天線Port 2

關於不同頻率效能比較，將會模擬在Suburban環境下之1L2H天線之模擬結果，其中圖10中顯示了基地台與使用者的位置，且模擬環境之參數設定如表1所示。根據表1的參數設定與圖10中的使用者與基地台之分布圖，圖11分別列出了SINR、Effective SINR、CQI、與Throughput之CDF分布圖，從模擬結果可得知，由於訊號在頻率1,800MHz比在2,400MHz穿透性更佳，因此相關效能參數皆是在中心頻率1,800MHz環境下較佳。 

圖10 使用者在Suburban環境下之分布圖--User Number=10(per BS)

圖11 不同頻率之效能模擬圖比較圖--(a)SINR、(b)Effective SINR、(c)CQI、(d)Throughput

對於不同通道環境的效能比較，將會模擬Sub-Urban環境與Urban環境之效能，根據表1的參數設定，且中心頻率於1,800MHz，圖12列出了SINR、Effective SINR、CQI與Throughput等系統效能，從圖中可清楚看到，由於Urban通道環境比Suburban通道環境狀況還差，因此系統效能上，Suburban環境較佳。 

圖12 不同通道環境之效能模擬圖比較圖--(a)SINR、(b)Effective SINR、(c)CQI、(d)Throughput

模擬器輸入參數 取得天線設計效能 

本文說明了天線系統效能模擬器之細部設計，其中包含PHY Abstraction Model、Calibration for EESM、圖形化介面設計等部分。此外，也分析了1L2H天線於七個基地台環境下之系統效能模擬，其中包含1L2H天線於不同頻率效能比較與不同通道環境效能比較等模擬情境。後續天線設計者只要根據本天線效能模擬器之圖形化介面步驟來輸入相關通訊系統參數設定，如系統頻寬、操作頻率、基地台/使用者數目與分布、天線數目、天線場型等細部參數，就可得到天線所相對應的系統效能。 

(本文作者方士豪、許仁源任職於工研院資訊與通訊研究所；許毓佳、楊昌霖任職於譁裕實業股份有限公司)