1.4 仿真技術與通信仿真

仿真是衡量系統性能的工具，它通過仿真模型的仿真結果來推斷原系統的性能，從而為新系統的建立和原系統的改造提供可靠的參考。仿真是科學研究和工程建設中不可缺少的方法。

實際的通信系統是一個功能結構相當復雜的系統，對這個系統做出的任何改變都可能影響到整個系統的性能和穩定。因此，在對原有的通信系統做出改進或建立一個新系統之前，通常對這個系統進行建模和仿真，通過仿真結果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統配置和參數設置，然后再應用到實際系統中，這個過程就是通信仿真。

1.4.1 仿真技術

仿真技術是以相似原理、系統技術、信息技術以及仿真應用領域的有關技術為基礎，以計算機系統、與應用有關的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型對系統（已有的或設想的）進行研究的一門多學科的綜合性技術。

仿真本質上是一種知識處理的過程。典型的系統仿真過程包括：系統模型建立、仿真模型建立、仿真程序設計、模型確認、仿真實驗和數據分析處理等，它涉及很多領域的知識和經驗。系統仿真可以有很多種分類方法。按模型的類型可以分為連續系統仿真、離散系統仿真、連續/離散（時間）混合系統仿真和定性系統仿真；按仿真的實現方法和手段可以分為物理仿真、計算機仿真、硬件在回路中的仿真（半實物仿真）和人在回路中的仿真；根據人和設備的真實程度，可以分為實況仿真、虛擬仿真和構造仿真。

1.4.2 計算機仿真的一般過程

前面提到過，仿真在實現方法上可以分為多種。而本書介紹的Simulink的仿真技術則屬于計算機仿真的一種。計算機仿真的一般過程可以表述如下。

（1）描述仿真問題，明確仿真目的。

（2）項目計劃、方案設計與系統定義。

根據仿真相應的結構，規定相應仿真系統的邊界條件與約束條件。

（3）數學建模。

根據系統的先驗知識、實驗數據及其機理研究，按照物理原理或者采取系統辨識的方法，確定模型的類型、結構及參數。注意，要確保模型的有效性和經濟性。

（4）仿真建模。

根據數學模型的形式、計算機類型、采用的高級語言或其他仿真工具，將數學模型轉換成能在計算機上運行的程序或其他模型。

（5）實驗。

設定實驗環境/條件和記錄數據，進行實驗并記錄數據。

（6）仿真結果分析。

根據實驗要求和仿真目的對實驗結果進行分析處理，根據分析結果修正數學模型、仿真模型、仿真程序或者修正/改變原型系統，以進行新的實驗。模型是否能夠正確地表示實際系統，并不是一次完成的，而是需要比較模型和實際系統的差異，不斷地修正和驗證才能完成。

1.4.3 通信仿真的概念

通信仿真是衡量通信系統性能的工具。通信仿真可以分為離散事件仿真和連續仿真。在離散事件仿真中，仿真系統只對離散事件做出響應；而在連續仿真中，仿真系統對輸入信號產生連續的輸出信號。離散事件仿真是對實際通信系統的一種簡化，它的仿真建模比較簡單，整個仿真過程需要花費的時間也比連續仿真少。雖然離散事件仿真舍棄了一些仿真細節，在有些場合顯得不夠具體，但仍然是通信仿真的主要形式。

與一般的仿真過程類似，在對通信系統實施仿真之前，首先需要研究通信系統的特性，通過歸納和抽象建立通信系統的仿真模型。通信系統仿真是一個循環往復的過程，它從當前系統出發，通過分析建立起一個能夠在一定程度上描述原通信系統的仿真模型，然后通過仿真實驗得到相關的數據。通過對仿真數據的分析可以得到相應的結論，然后把這個結論應用到對當前通信系統的改造中。如果改造后通信系統的性能并不像仿真結果那樣令人滿意，還需要重新實施通信系統仿真，這時候改造后的通信系統就成了當前系統，并且開始新一輪的通信系統仿真過程。

值得注意的是，在整個通信系統的仿真過程中，人為因素自始至終起著相當重要的作用。除了仿真程序的運行外，通信仿真的每個步驟都需要進行人工干預，由人對當前的情況做出正確的判斷。因此，通信仿真并不是一個機械的過程，它實際上是人的思維活動在計算機協助下的一種延伸。

1.4.4 通信仿真的一般步驟

通信系統仿真一般分為3個步驟，即仿真建模、仿真實驗和仿真分析。應該注意的是，通信仿真是一個螺旋式發展的過程，因此，這3個步驟可能需要循環執行多次之后才能夠獲得令人滿意的仿真結果。

（1）仿真建模

仿真建模是根據實際通信系統建立仿真模型的過程，它是整個通信仿真過程中的一個關鍵步驟，因為仿真模型的好壞直接影響著仿真的結果以及仿真結構的真實性和可靠性。

仿真模型是對實際系統的一種模擬和抽象。過于簡單的仿真模型會忽略實際系統的細節，在一定程度上會影響仿真結果的可靠性。但過于復雜的仿真模型則會產生很多相互因素，從而大大延長仿真時間和增加仿真結果分析的復雜度。因此，仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡單性。在仿真建模過程中，可以先建立一個相對簡單的仿真模型，然后再根據仿真結果和仿真過程的需要逐步增加仿真模型的復雜度。

在仿真建模過程中，首先需要分析實際系統存在的問題或設立系統改造的目標，并把這些問題和目標轉化成數學變量和公式。確定了仿真目標后，下一步是獲取實際通信系統的各種運行參數，如通信系統占用的帶寬及其頻率分布、系統對于特定的輸入信號產生的輸出等。

在以上工作準備好以后，就是仿真軟件的選擇了。除了使用傳統的編程語言外，目前工程技術人員比較傾向于更加專業和方便使用的專門的仿真軟件。比較常見的包括MATLAB、OPNET和NS2等。

使用仿真軟件建立好仿真模型后，仿真建模的這一步驟就基本完成了。值得注意的是，在進行下一步工作前，要做好仿真模型文檔說明，這有利于使仿真工作條例更加清晰，在調試過程中能夠很容易找出錯誤所在并及時糾正。

（2）仿真實驗

仿真實驗是一個或一系列針對仿真模型的測試。在仿真實驗過程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號的數值，以觀察和分析仿真模型對這些輸入信號的反應，以及仿真系統在這個過程中表現出來的性能。需要強調的一點是，仿真過程中使用的輸入數據必須具有一定的代表性，即能夠從各種角度顯著地改變仿真輸出信號的數值。

在明確了仿真系統對輸入/輸出信號的要求之后，最好把這些設置整理成一份簡單的文檔。編寫文檔是一個好習慣，它能夠幫助回憶起仿真設計過程的一些細節。當然，文檔的編寫不一定要求很規范，并且文檔大小應該視仿真設計的規模而定。

對于需要較長時間的仿真，應該盡可能地使用批處理方式，使得仿真過程在完成一種參數配置的仿真之后，能夠自動啟動針對下一個仿真參數配置的下一次仿真。這種方式減少了仿真過程中的人工干預，提高了系統利用率和仿真效率。

（3）仿真分析

仿真分析是一個通信仿真流程的最后一個步驟。在仿真分析過程中，用戶已經從仿真過程中獲得了足夠多的關于系統性能的信息，但是這些信息只是一些原始數據，一般還需要經過數值分析和處理才能夠獲得衡量系統性能的尺度，從而獲得對仿真性能的一個總體評價。常用的系統性能尺度包括平均值、方差、標準差、最大值和最小值等，它們從不同的角度描繪了仿真系統的性能。

需要注意的是，即使仿真過程中收集的數據正確無誤，由此得到的仿真結果并不一定就是準確的。造成這種結果的原因可能是輸入信號恰好與仿真系統的內部特性吻合，或者輸入的隨機信號不具有足夠的代表性。

圖表是最簡潔的說明工具，它們具有很強的直觀性，便于分析和比較，因此，仿真分析的結果一般都制成圖表形式。而且，一般使用的仿真工具都具有很強的繪圖功能，能夠便捷地繪制各種類型的圖表。

以上就是通信系統的一個循環。應該強調的是，仿真分析并不一定意味著通信仿真過程的完全結束。如果仿真分析得到的結果達不到預期的目標，用戶還需要重新修改通信仿真模型，這時候仿真分析就成為了一個新循環的開始。