北京交通大学轨道交通通信与控制虚拟仿真教学中心

北京交通大学

轨道交通通信与控制

虚拟仿真

实验教学中心

轨道交通车地通信虚拟仿真资源及实验项目

2014年10月

目录

一、轨道交通车地通信虚拟仿真教学实验平台 (1)

（一）模块一：无线信道仿真实验模块 (1)

（1）实验项目一：高架桥高速铁路场景电波传播实验 (2)

（2）实验项目二：路堑高速铁路场景电波传播实验 (2)

（3）实验项目三：平原高速铁路场景电波传播实验 (3)

（4）实验项目四：丘陵高速铁路场景电波传播实验 (3)

（5）实验项目五：4×1MISO信道仿真实验 (3)

（6）实验项目六：2×2MIMO信道仿真实验 (3)

（二）模块二：网络规划设计实验模块 (5)

（1）实验项目一：针对人口稠密城区的频率规划实验 (5)

（2）实验项目二：针对人口稠密城区的站址规划实验 (6)

（3）实验项目三：针对人口稠密城区的邻区规划实验 (6)

（4）实验项目四：针对人口稀疏郊区的频率规划实验 (6)

（5）实验项目五：针对人口稀疏郊区的站址规划实验 (7)

（6）实验项目六：针对人口稀疏郊区的邻区规划实验 (7)

（三）模块三：越区切换模拟实验模块 (8)

（1）实验项目一：切换信令流程实验 (9)

（2）实验项目二：重叠区设置方案实验 (9)

（3）实验项目三：切换性能分析实验 (9)

（四）模块四：网络性能评估与优化实验模块 (10)

（1）实验项目一：网络吞吐量评估与优化实验 (11)

（2）实验项目二：网络丢包率评估与优化实验 (11)

（3）实验项目三：网络覆盖范围评估与优化实验 (12)

（4）实验项目四：网络小区边缘用户干扰评估与优化实验 (12)

（5）实验项目五：网络附着成功率评估与优化实验 (12)

（6）实验项目六：网络时延评估与优化实验 (13)

I / IV

一、轨道交通车地通信虚拟仿真教学实验平台

轨道交通车地通信虚拟仿真实验平台采用半实物仿真的方式，提供无线信道的仿真环境，并能提供无线通信系统性能指标与信道环境之间关系、模拟不同地形、速度情况下列车越区切换的过程。依托本平台设计的实验能够使本科生在对通信理论学习的基础上，进一步理解高速铁路无线通信系统的运行模式和工作原理。

本平台包括无线信道仿真实验、网络规划设计实验、越区切换模拟实验、网络性能评估与优化实验等四个模块，共开展21个实验项目。

（一）模块一：无线信道仿真实验模块

无线信道仿真实验模块分为电波传播和信道仿真两个部分。实验平台可以通过设定仿真中信道的载波中心频率、信道环境的移动速度、信道冲击响应的更新速率、射频本振频率等指标，模拟不同场景。其中，电波传播下设高架桥、地堑、平原、丘陵等4个高速铁路场景实验；信道仿真下设4×1 MISO、2×2 MIMO等2个信道仿真实验。

无线信道仿真实验模块下的虚拟仿真实验的设置考虑以下因素：

无线电波传播理论较为抽象，单从理论教学学习，学生很难深刻直观的理解其中原理，通过虚拟仿真实验，可以更好的将抽象的知识展现，帮

助学生理解和学习。

高速铁路环境地形（平原、丘陵、高架桥）各异，实地研究教学条件不允许。通过虚拟仿真实验，可以尽可能真实的开展实验教学。

实验功能及效果：

高速铁路场景下的无线信道因地形等因素的差异而不同，不同地形场景中电波的传播规律，都将运用到对其信道的建模和仿真中。因此，通过本实验，使学生可以更好了解高速铁路不同场景中电波传播规律、衰落产生机理、无线信道特征，从而掌握电波传播理论和无线信道的仿真方法。

图32 MIMO发射实验

图33 信道参数设置界面

（1）实验项目一：高架桥高速铁路场景电波传播实验

实验功能与效果：高速铁路场景下的无线信道因地形等因素的差异而不同，本实验项目拟运用虚拟仿真方法来分析高架桥场景下的电波传播规律。通过本实验，力求使学生可以更好了解高架桥高速铁路场景中电波传播规律、衰落产生机理，从而掌握电波传播的虚拟仿真方法。

实验内容：

1)应用虚拟软件构建基于大尺度建模的高架桥高速铁路场景电波传播

2)改变模型中的参数观察其对电波传播的影响

（2）实验项目二：路堑高速铁路场景电波传播实验

实验功能与效果：高速铁路场景下的无线信道因地形等因素的差异而不同，本实验项目拟运用虚拟仿真方法来分析路堑场景下的电波传播规律。通过本实验，力求使学生可以更好了解路堑高速铁路场景中电波传播规律、衰落产生机理，从而掌握电波传播的虚拟仿真方法。

实验内容：

1)应用虚拟软件构建基于大尺度建模的路堑高速铁路场景电波传播

2)改变模型中的参数观察其对电波传播的影响

（3）实验项目三：平原高速铁路场景电波传播实验

实验功能与效果：高速铁路场景下的无线信道因地形等因素的差异而不同，本实验项目拟运用虚拟仿真方法来分析平原场景下的电波传播规律。通过本实验，力求使学生可以更好了解平原高速铁路场景中电波传播规律、衰落产生机理，从而掌握电波传播的虚拟仿真方法。

实验内容：

1)应用虚拟软件构建基于大尺度建模的平原高速铁路场景电波传播

2)改变模型中的参数观察其对电波传播的影响

（4）实验项目四：丘陵高速铁路场景电波传播实验

实验功能与效果：高速铁路场景下的无线信道因地形等因素的差异而不同，本实验项目拟运用虚拟仿真方法来分析丘陵场景下的电波传播规律。通过本实验，力求使学生可以更好了解丘陵高速铁路场景中电波传播规律、衰落产生机理，从而掌握电波传播的虚拟仿真方法。

实验内容：

1)应用虚拟软件构建基于大尺度建模的丘陵高速铁路场景电波传播

2)改变模型中的参数观察其对电波传播的影响

（5）实验项目五：4×1MISO信道仿真实验

实验功能与效果：高速铁路场景下的无线信道因地形等因素的差异而不同，本实验项目拟运用虚拟仿真方法来分析4×1MISO无线信道。通过本实验，力求使学生可以更好了解4G移动通信中关键技术——多天线技术和无线信道特征，从而掌握无线信道的仿真方法。

实验内容：

1)应用虚拟软件构建4发射1接收的无线信道模型。

2)改变模型中的参数，观察其对无线信道特征的影响。

（6）实验项目六：2×2MIMO信道仿真实验

实验功能与效果：高速铁路场景下的无线信道因地形等因素的差异而不同，

本实验项目拟运用虚拟仿真方法来分析2×2MIMO无线信道。通过本实验，力求使学生可以更好了解4G移动通信中关键技术——多天线技术和无线信道特征，从而掌握无线信道的仿真方法。

实验内容：

1)应用虚拟软件构建2发射2接收的无线信道模型。

2)改变模型中的参数，观察其对无线信道特征的影响。

（二）模块二：网络规划设计实验模块

系统平台提供多种组网方式的网络环境模拟，学生可以方便的调整网络参数，根据不同场景实际需要，独立开展网络规划实验。本模块下设分别对人口密集城区和人口稀疏的郊区设计的频率规划、站址规划、邻区规划等6个网络规划实验。

网络规划设计实验模块下的虚拟仿真实验的设置考虑以下因素：

网络规划直接关系到通信质量与高铁的安全，在实际工作中不可能为学生提供真实场景去学习和实践，而虚拟仿真的方法可以在低成本、高安

全性的前提下，为学生提供最贴近真实场景的学习环境。

实验功能及效果：

通过本实验，使学生可以了解网络规划原理，正确理解频率规划方式的性能差异、临界掠射角的选取等理论知识。并通过虚拟仿真的方式，将实际工程问题交给学生解决，不仅可以激发学生对通信原理知识的兴趣，而且大大提高了学生的动手能力、问题解决能力和实践能力。

图34 不同场景下的网络拓扑结构图

（1）实验项目一：针对人口稠密城区的频率规划实验

实验功能与效果：本实验可以使学生很好的了解频率规划原理，正确理解频率规划方式的性能差异等理论知识。并通过虚拟仿真的方式，将实际工程问题交给学生解决，不仅可以激发学生对通信原理知识的兴趣，而且大大提高了学生的动手能力、问题解决能力和实践能力。

实验内容：

1)对人口稠密城区提出同频组网候选方案，并应用虚拟仿真软件分析

谱利用率和用户性能

（2）实验项目二：针对人口稠密城区的站址规划实验

实验功能与效果：本实验可以使学生很好的了解站址规划原理，正确理解不同场景需求下站址规划的方法等理论实践知识。并通过虚拟仿真的方式，将实际工程问题交给学生解决，不仅可以激发学生对通信原理知识的兴趣，而且大大提高了学生的动手能力、问题解决能力和实践能力。

实验内容：

1)应用虚拟仿真软件分析对人口稠密城区网络规划需求，并确定合理的基

站数目

2)应用虚拟仿真软件具体分析人口稠密城区网络规划需求，并合理选择站

址

（3）实验项目三：针对人口稠密城区的邻区规划实验

实验功能与效果：本实验可以使学生很好的了解邻区规划原理，正确理解邻区规划的原则等理论知识。并通过虚拟仿真的方式，将实际工程问题交给学生解决，不仅可以激发学生对通信原理知识的兴趣，而且大大提高了学生的动手能力、问题解决能力和实践能力。

实验内容：

1)针对人口稠密城区提出基于网络拓扑机构的初步邻区规划，并虚拟仿真

2)针对人口稠密城区提出考虑扇区朝向的邻区规划，并虚拟仿真

3)分析1）2）中邻区规划方案，分析同频邻频干扰，并提出优化的邻区设

置方案

（4）实验项目四：针对人口稀疏郊区的频率规划实验

实验功能与效果：本实验可以使学生很好的了解频率规划原理，正确理解频率规划方式的性能差异等理论知识。并通过虚拟仿真的方式，将实际工程问题交给学生解决，不仅可以激发学生对通信原理知识的兴趣，而且大大提高了学生的动手能力、问题解决能力和实践能力。

实验内容：

1)对人口稀疏郊区提出同频组网候选方案，并应用虚拟仿真软件分析

谱利用率和用户性能

（5）实验项目五：针对人口稀疏郊区的站址规划实验

实验功能与效果：本实验可以使学生很好的了解站址规划原理，正确理解不同场景需求下站址规划的方法等理论实践知识。并通过虚拟仿真的方式，将实际工程问题交给学生解决，不仅可以激发学生对通信原理知识的兴趣，而且大大提高了学生的动手能力、问题解决能力和实践能力。

实验内容：

1)应用虚拟仿真软件分析对人口稀疏郊区网络规划需求，并确定基站数目

2)应用虚拟仿真软件具体分析人口稀疏郊区网络规划需求，并合理选择站

址

（6）实验项目六：针对人口稀疏郊区的邻区规划实验

实验功能与效果：本实验可以使学生很好的了解邻区规划原理，正确理解邻区规划的原则等理论知识。并通过虚拟仿真的方式，将实际工程问题交给学生解决，不仅可以激发学生对通信原理知识的兴趣，而且大大提高了学生的动手能力、问题解决能力和实践能力。

实验内容：

1)针对人口稀疏郊区提出基于网络拓扑机构的初步邻区规划，并虚拟仿真

2)针对人口稀疏郊区提出考虑扇区朝向的邻区规划，并虚拟仿真

3)分析1）2）中邻区规划方案，分析同频邻频干扰，并提出优化的邻区设

置方案

（三）模块三：越区切换模拟实验模块

系统平台可以模拟高速铁路列车移动过程中信号强度的实时变化情况，并提供开放的仿真环境。学生可以依托平台，独立完成越区切换模块，实现列车真实切换过程的虚拟仿真和切换性能分析。本实验模块下设切换信令流程、重叠区设置方案、切换性能分析等3个实验。

越区切换模拟实验模块下的虚拟仿真实验的设置考虑以下因素：

学生独立完成高速铁路无线通信系统的越区切换是在真实场景中无法做到的，实验场地和教学条件都无法满足，只有在虚拟仿真的环境中才

能够实现；

越区切换是高铁无线通信系统研究的关键问题之一，通过一套实验平台，学生可以完成信令流程认知、重叠区设置方案设计，并对多种切换性能

指标进行仿真分析，在达到同样加深学生理论理解的效果下，极大地降

低了教学成本。

实验功能及效果：

通过本实验，使学生可以掌握越区切换的信令流程，针对不同速度完成重叠区设计的最佳方案，并能够对切换次数、切换时间、切换成功率等性能进行有效分析。通过独立完成越区切换模块的设计，学生可以更深入的掌握切换的原理和方法，同时提高学生自主学习能力和发现问题的能力，锻炼创新意识。

图35 越区切换模拟实验

（1）实验项目一：切换信令流程实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生可以掌握用虚拟软件仿真切换过程的方法，熟悉越区切换的信令流程。通过独立完成越区切换的虚拟仿真，学生可以更深入的掌握切换信令知识，同时提高学生自主学习能力和发现问题的能力，锻炼创新意识。

实验内容：

1)应用虚拟仿真软件实现eNB内切换，熟悉信令流程

2)应用虚拟仿真软件实现eNB间切换，熟悉信令流程

（2）实验项目二：重叠区设置方案实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生可以了解针对不同速度完成重叠区设计的最佳方案，以及工程中优化越区切换效果的方法。通过独立完成重叠区设置方案实验，学生可以更深入掌握重叠区设置的原理和优化越区切换的方法，同时提高学生自主学习能力和发现问题的能力，锻炼创新意识。

实验内容：

1)针对不同的移动速度，提出初步的重叠区设置方案，并应用虚拟仿真软

件仿真

2)通过调整工程参数、RS的发射功率、天线的波瓣宽度优化越区切换效果，

并仿真对比分析

（3）实验项目三：切换性能分析实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生可以掌握对越区切换次数、切换时间、切换成功率等性能进行有效分析的方法。通过独立完成越区切换性能分析，学生可以更深入的掌握切换性能分析方法，同时提高学生自主学习能力和发现问题的能力，锻炼创新意识。

实验内容：

1)通过虚拟仿真软件，完成越区切换次数的分析

2)通过虚拟仿真软件，完成越区切换时间的分析

3)通过虚拟仿真软件，完成切换成功率的分析

（四）模块四：网络性能评估与优化实验模块

系统平台能够提供不同地形、不同移动速度、不同干扰的环境，学生通过深刻理解无线通信网络性能指标含义，对网络性能关键指标进行评估，自主提出并完成网络优化方案。根据不同的性能指标，本实验下设吞吐量、丢包率、覆盖范围、小区边缘用户干扰、附着成功率和时延等6个网络性能评估与优化实验。

网络性能评估与优化实验模块下的虚拟仿真实验的设置考虑以下因素：

网络性能评估与优化是通信网络的重要工程问题，学生过程在虚拟仿真的完成这部分实验，可以很好的锻炼解决实际问题能力，缩短在校学生

和工作项目的距离，使理论知识和实际工程问题更好的接轨，为公司培

养技术人才。

实验功能及效果：

通过本实验，使学生直观的感受到影响通信系统性能指标的影响因素，分析影响机理，掌握网络优化主要方法。学生能够独立发现网络问题，并结合不同情况提出合理的网络优化方案。本实验模块可以很好的锻炼学生发现和解决实际工程问题的能力、软件开发的能力。

图36 虚拟仿真实验界面

图37 TD-LTE网络优化流程

图38 网络优化要素

（1）实验项目一：网络吞吐量评估与优化实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生直观的感受到影响通信系统吞吐量性能指标的影响因素，分析影响机理，掌握网络优化主要方法。学生能够独立发现网络问题，并结合相应情况提出合理的网络吞吐量优化方案。本实验模块可以很好的锻炼学生发现和解决实际工程问题的能力、软件开发的能力。

实验内容：

1)用虚拟仿真软件进行网络吞吐量评估。

2)对1）中系统的网络吞吐量提出优化方法，并仿真性能。

（2）实验项目二：网络丢包率评估与优化实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生直观的感受到影响通信系统丢包率性能指标的影响因素，分析影响机理，掌握网络优化主要方法。学生能够独立发现网络问题，并结合相应情况提出合理的网络丢包率优化方案。本实验模块可以很好的锻炼学生发现和解决实际工程问题的能力、软件开发的能力。

实验内容：

1)用虚拟仿真软件进行网络小区用户面上行丢包率评估，与基本通信业务

需求指标对比。

2)对1）中系统的网络丢包率提出优化方法，并仿真性能。

（3）实验项目三：网络覆盖范围评估与优化实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生直观的感受到影响通信系统覆盖范围性能指标的影响因素，分析影响机理，掌握网络优化主要方法。学生能够独立发现网络问题，并结合相应情况提出合理的网络覆盖范围优化方案。本实验模块可以很好的锻炼学生发现和解决实际工程问题的能力、软件开发的能力。

实验内容：

1)用虚拟仿真软件进行链路预算分析。

2)基于1）中结果，进一步对网络覆盖范围评估。

3)对2）中网络覆盖范围提出优化方法，并仿真性能。

（4）实验项目四：网络小区边缘用户干扰评估与优化实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生直观的感受到影响通信系统小区边缘用户干扰性能指标的影响因素，分析影响机理，掌握网络优化主要方法。学生能够独立发现网络问题，并结合相应情况提出合理的网络边缘用户干扰优化方案。本实验模块可以很好的锻炼学生发现和解决实际工程问题的能力、软件开发的能力。

实验内容：

1)用虚拟仿真软件对网络小区边缘用户干扰进行评估，与基本通信业务需

求指标对比。

2)对1）中系统的网络小区边缘用户干扰提出优化方法，并仿真性能。（5）实验项目五：网络附着成功率评估与优化实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生直观的感受到影响通信系统附着成功

率性能指标的影响因素，分析影响机理，掌握网络优化主要方法。学生能够独立发现网络问题，并结合相应情况提出合理的网络附着成功率优化方案。本实验模块可以很好的锻炼学生发现和解决实际工程问题的能力、软件开发的能力。

实验内容：

1)用虚拟仿真软件进行网络EPS附着成功率评估，并与基本接入性指标对

比。

2)对1）中得到的附着成功率提出性能优化方案，并仿真分析优化效果。（6）实验项目六：网络时延评估与优化实验

实验功能与效果：通过本实验，使学生直观的感受到影响通信系统时延性能指标的影响因素，分析影响机理，掌握网络优化主要方法。学生能够独立发现网络问题，并结合不同情况提出合理的网络时延优化方案。本实验模块可以很好的锻炼学生发现和解决实际工程问题的能力、软件开发的能力。

实验内容：

1)用虚拟仿真软件进行不同速率下网络时延的评估，并分析其相关性。

2)对1）中网络时延提出优化方法，并仿真性能。