1.4 仿真技术与通信仿真

仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新系统的建立和原系统的改造提供可靠的参考。仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。

实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定。因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用到实际系统中，这个过程就是通信仿真。

1.4.1 仿真技术

仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关技术为基础，以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统（已有的或设想的）进行研究的一门多学科的综合性技术。

仿真本质上是一种知识处理的过程。典型的系统仿真过程包括：系统模型建立、仿真模型建立、仿真程序设计、模型确认、仿真实验和数据分析处理等，它涉及很多领域的知识和经验。系统仿真可以有很多种分类方法。按模型的类型可以分为连续系统仿真、离散系统仿真、连续/离散（时间）混合系统仿真和定性系统仿真；按仿真的实现方法和手段可以分为物理仿真、计算机仿真、硬件在回路中的仿真（半实物仿真）和人在回路中的仿真；根据人和设备的真实程度，可以分为实况仿真、虚拟仿真和构造仿真。

1.4.2 计算机仿真的一般过程

前面提到过，仿真在实现方法上可以分为多种。而本书介绍的Simulink的仿真技术则属于计算机仿真的一种。计算机仿真的一般过程可以表述如下。

（1）描述仿真问题，明确仿真目的。

（2）项目计划、方案设计与系统定义。

根据仿真相应的结构，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。

（3）数学建模。

根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意，要确保模型的有效性和经济性。

（4）仿真建模。

根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其他仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型。

（5）实验。

设定实验环境/条件和记录数据，进行实验并记录数据。

（6）仿真结果分析。

根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理，根据分析结果修正数学模型、仿真模型、仿真程序或者修正/改变原型系统，以进行新的实验。模型是否能够正确地表示实际系统，并不是一次完成的，而是需要比较模型和实际系统的差异，不断地修正和验证才能完成。

1.4.3 通信仿真的概念

通信仿真是衡量通信系统性能的工具。通信仿真可以分为离散事件仿真和连续仿真。在离散事件仿真中，仿真系统只对离散事件做出响应；而在连续仿真中，仿真系统对输入信号产生连续的输出信号。离散事件仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间也比连续仿真少。虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节，在有些场合显得不够具体，但仍然是通信仿真的主要形式。

与一般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。通信系统仿真是一个循环往复的过程，它从当前系统出发，通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关的数据。通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论，然后把这个结论应用到对当前通信系统的改造中。如果改造后通信系统的性能并不像仿真结果那样令人满意，还需要重新实施通信系统仿真，这时候改造后的通信系统就成了当前系统，并且开始新一轮的通信系统仿真过程。

值得注意的是，在整个通信系统的仿真过程中，人为因素自始至终起着相当重要的作用。除了仿真程序的运行外，通信仿真的每个步骤都需要进行人工干预，由人对当前的情况做出正确的判断。因此，通信仿真并不是一个机械的过程，它实际上是人的思维活动在计算机协助下的一种延伸。

1.4.4 通信仿真的一般步骤

通信系统仿真一般分为3个步骤，即仿真建模、仿真实验和仿真分析。应该注意的是，通信仿真是一个螺旋式发展的过程，因此，这3个步骤可能需要循环执行多次之后才能够获得令人满意的仿真结果。

（1）仿真建模

仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程，它是整个通信仿真过程中的一个关键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响着仿真的结果以及仿真结构的真实性和可靠性。

仿真模型是对实际系统的一种模拟和抽象。过于简单的仿真模型会忽略实际系统的细节，在一定程度上会影响仿真结果的可靠性。但过于复杂的仿真模型则会产生很多相互因素，从而大大延长仿真时间和增加仿真结果分析的复杂度。因此，仿真模型的建立需要综合考虑其可行性和简单性。在仿真建模过程中，可以先建立一个相对简单的仿真模型，然后再根据仿真结果和仿真过程的需要逐步增加仿真模型的复杂度。

在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标，并把这些问题和目标转化成数学变量和公式。确定了仿真目标后，下一步是获取实际通信系统的各种运行参数，如通信系统占用的带宽及其频率分布、系统对于特定的输入信号产生的输出等。

在以上工作准备好以后，就是仿真软件的选择了。除了使用传统的编程语言外，目前工程技术人员比较倾向于更加专业和方便使用的专门的仿真软件。比较常见的包括MATLAB、OPNET和NS2等。

使用仿真软件建立好仿真模型后，仿真建模的这一步骤就基本完成了。值得注意的是，在进行下一步工作前，要做好仿真模型文档说明，这有利于使仿真工作条例更加清晰，在调试过程中能够很容易找出错误所在并及时纠正。

（2）仿真实验

仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。在仿真实验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数值，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。需要强调的一点是，仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性，即能够从各种角度显著地改变仿真输出信号的数值。

在明确了仿真系统对输入/输出信号的要求之后，最好把这些设置整理成一份简单的文档。编写文档是一个好习惯，它能够帮助回忆起仿真设计过程的一些细节。当然，文档的编写不一定要求很规范，并且文档大小应该视仿真设计的规模而定。

对于需要较长时间的仿真，应该尽可能地使用批处理方式，使得仿真过程在完成一种参数配置的仿真之后，能够自动启动针对下一个仿真参数配置的下一次仿真。这种方式减少了仿真过程中的人工干预，提高了系统利用率和仿真效率。

（3）仿真分析

仿真分析是一个通信仿真流程的最后一个步骤。在仿真分析过程中，用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息，但是这些信息只是一些原始数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真性能的一个总体评价。常用的系统性能尺度包括平均值、方差、标准差、最大值和最小值等，它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。

需要注意的是，即使仿真过程中收集的数据正确无误，由此得到的仿真结果并不一定就是准确的。造成这种结果的原因可能是输入信号恰好与仿真系统的内部特性吻合，或者输入的随机信号不具有足够的代表性。

图表是最简洁的说明工具，它们具有很强的直观性，便于分析和比较，因此，仿真分析的结果一般都制成图表形式。而且，一般使用的仿真工具都具有很强的绘图功能，能够便捷地绘制各种类型的图表。

以上就是通信系统的一个循环。应该强调的是，仿真分析并不一定意味着通信仿真过程的完全结束。如果仿真分析得到的结果达不到预期的目标，用户还需要重新修改通信仿真模型，这时候仿真分析就成为了一个新循环的开始。