NR セル間干渉のモデリング

この例では次を使用します。

この例では、マルチセル干渉シナリオをシミュレーションし、近接セルによって生じるダウンリンク (DL) セル間干渉がネットワークパフォーマンスに与える影響を測定する方法を示します。この例では、同一周波数帯域で動作する複数セルから成る 5G New Radio (NR) ネットワークをモデル化します。各セルには、一連のユーザー端末 (UE) ノードにサービスを提供する gNodeB (gNB) があります。ノード上の NR スタックには、無線リンク制御 (RLC)、メディアアクセス制御 (MAC)、および物理レイヤー (PHY) が含まれます。

はじめに

この例では、以下をモデル化します。

同一チャネルセル間干渉。
物理ダウンリンク共有チャネル (PDSCH) リソースのスロットベースラウンドロビンスケジューリング。
3GPP TR 38.901 チャネルモデル。
単入力単出力 (SISO) アンテナ構成。
link-to-system マッピングに基づく抽象 PHY。

この例では、DL 割り当て、PDSCH フィードバック、およびチャネル品質インジケーター (CQI) レポートなどの制御パケットを帯域外として送信するものとみなします。帯域外とは、リソースを必要としない送信を指します。また、エラーのない確実な受信も指します。

同一チャネル干渉

同一チャネルセルとは、同一周波数で動作する NR セルのことです。これらは、互いに干渉し合う可能性があります。

3 つのセルで構成されるこのネットワークトポロジーの例を考えてみましょう。Cell-1 と Cell-3 は、同一周波数帯域で動作します。Cell-2 は、異なる周波数帯域で動作するため、Cell-1 や Cell-3 と干渉することがありません。

シナリオ設定

無線ネットワークシミュレーターを作成します。

rng("default")                             % Reset the random number generator
numFrameSimulation = 20; % Simulation time in terms of number of 10 ms frames
networkSimulator = wirelessNetworkSimulator.init;

3 台の gNB の位置、およびメトリクスを可視化する対象の gNB を指定します。

gNBPositions = [1700 600 30; 3000 600 30; 2500 2000 30];
gNBOfInterestIdx = 3; % Specify an integer value in the range [1, number of gNBs]

名前、位置、搬送波周波数、チャネル帯域幅、サブキャリア間隔、送信電力、および受信ゲインを指定して、gNB ノードを作成します。各 gNB に接続するすべての UE について、サウンディング基準信号 (SRS) の送信周期を 5 スロットに設定します。各 gNB は 1 つの NR セルを操作します。

gNBNames = "gNB-" + (1:size(gNBPositions,1));
gNBs = nrGNB(Name=gNBNames,Position=gNBPositions,CarrierFrequency=2.5e9, ...
    ChannelBandwidth=10e6,SubcarrierSpacing=30e3,TransmitPower=32, ...
    ReceiveGain=11,SRSPeriodicityUE=5);

configureScheduler 関数を使用して、スケジューラパラメーター ResourceAllocationType を設定します。

for gNBIdx = 1:numel(gNBs)
    % Resource allocation type value 0 indicates a noncontiguous allocation of
    % frequency-domain resources in terms of RBGs
    configureScheduler(gNBs(gNBIdx),ResourceAllocationType=0)
end

各セル内の UE ノードの位置を生成します。

numCells = numel(gNBs);
cellRadius = 500; % Radius of each cell (in meters)
numUEsPerCell = 4;
uePositions = generateUEPositions(cellRadius,gNBPositions,numUEsPerCell);

UE ノードを作成し、gNB に接続します。DL チャネル状態情報 (CSI) レポートの周期性を 10 スロットに設定し、DL 方向のトラフィックをフルバッファに構成します。

UEs = cell(numCells,1);
for cellIdx = 1:numCells
    ueNames = "UE-" + (1:size(uePositions{cellIdx},1));
    if cellIdx ~= gNBOfInterestIdx
        ueNames = "InterferingCell-" + cellIdx + "-" + ueNames;
    end
    UEs{cellIdx} = nrUE(Name=ueNames,Position=uePositions{cellIdx},ReceiveGain=11);
    connectUE(gNBs(cellIdx),UEs{cellIdx},CSIReportPeriodicity=10, ...
        FullBufferTraffic="DL")
end

ネットワークシミュレーターに gNB と UE を追加します。

addNodes(networkSimulator,gNBs);
for cellIdx = 1:numCells
    addNodes(networkSimulator,UEs{cellIdx})
end

すべてのリンクに対して 3GPP TR 38.901 チャネルモデルを使用します。この例は、自由空間パス損失 (FSPL) モデルを使用して実行することもできます。

channelModel = "3GPP TR 38.901";

if strcmp(channelModel,"3GPP TR 38.901")
    % Define scenario boundaries
    pos = [reshape([gNBs.Position],3,[])];
    % X-coordinate of the left edge of the scenario in meters
    minX = min(pos(1,:));
    % Y-coordinate of the bottom edge of the scenario in meters
    minY = min(pos(2,:));
    % Width (right edge of the 2D scenario) in meters, given as maxX - minX
    width = max(pos(1,:)) - minX;
    % Height (top edge of the 2D scenario) in meters, given as maxY - minY
    height = max(pos(2,:)) - minY;
  
    % Create the channel model
    channel = h38901Channel(Scenario="UMa",ScenarioExtents=[minX minY width height]);
    % Add the channel model to the simulator
    addChannelModel(networkSimulator,@channel.channelFunction);
    connectNodes(channel,networkSimulator,InterfererHasSmallScale=true);
end

対象の gNB のセル ID を取得します。表示される可視化およびメトリクスは、このセルに関するものです。

cellToAnalyze = gNBs(gNBOfInterestIdx).ID;

トレースを記録するには、enableTraces を true に設定します。enableTraces パラメーターを false に設定した場合、シミュレーションでトレースは記録されません。ただし、enableTraces を false に設定すると、シミュレーションを高速化できます。

enableTraces = true;

MAC トレースおよび PHY トレースを記録するオブジェクトを作成します。

linkDir = "DL"; % Indicates DL
if enableTraces
    simSchedulingLogger = cell(numCells,1);
    simPhyLogger = cell(numCells,1);

    for cellIdx = 1:numCells
        % Create an object for MAC DL scheduling traces logging
        simSchedulingLogger{cellIdx} = ...
            helperNRSchedulingLogger(numFrameSimulation, ...
            gNBs(cellToAnalyze),UEs{cellToAnalyze},LinkDirection=linkDir);

        % Create an object for PHY layer traces logging
        simPhyLogger{cellIdx} = helperNRPhyLogger(numFrameSimulation, ...
            gNBs(cellToAnalyze),UEs{cellToAnalyze});
    end
end

メトリクスプロットの 1 秒あたりの更新回数を設定します。

numMetricPlotUpdates = 100; % Updates plots every 10 milliseconds

MAC メトリクスおよび PHY メトリクスを可視化するオブジェクトを作成します。

showSchedulerMetrics = true;
showPhyMetrics = true;
metricsVisualizer = helperNRMetricsVisualizer(gNBs(cellToAnalyze), ...
    UEs{cellToAnalyze},CellOfInterest=cellToAnalyze, ...
    RefreshRate=numMetricPlotUpdates,PlotSchedulerMetrics=showSchedulerMetrics, ...
    PlotPhyMetrics=showPhyMetrics,LinkDirection=linkDir);

MAT ファイルにログを書き込みます。これらのログはシミュレーション後の解析に使用できます。

if enableTraces
    simulationLogFile = "simulationLogs"; % For logging the simulation traces
end

目的のセル内の対象 UE ノードにモビリティモデルを追加します。ランダムウェイポイントモビリティモデルまたはトレースベースのモビリティモデルのいずれかを使用できます。

enableMobility = false;
if enableMobility
    mobilityModel = "RandomWaypoint";
    ueWithMobility = UEs{cellToAnalyze}(2); % Get UE-2 in the cell of interest
    refreshIntervalInSec = 0.1; % How often the node updates its position and velocity information, with a single refresh occurring at each fixed interval
    if strcmp(mobilityModel,"RandomWaypoint")
        ueSpeedRange = [1 1000]; % In meters per second
        % Add random waypoint mobility to the selected UE
        addMobility(ueWithMobility,SpeedRange=ueSpeedRange,BoundaryShape="circle", ...
            Bounds=[gNBs(cellToAnalyze).Position(1:2) cellRadius],RefreshInterval=refreshIntervalInSec);
    else
        % Add trace-based mobility to the selected UE
        traceMobilityModel = hNodeMobilityTraceBased("MobilityTrace.mat"); % "MobilityTrace.mat" is the trace file name
        addMobility(ueWithMobility,MobilityModel=traceMobilityModel);
    end
end

ネットワークトポロジを表示します。

networkVisualizer = wirelessNetworkViewer(ShowNodeNames=false);
addNodes(networkVisualizer,gNBs)
addNodes(networkVisualizer,[UEs{:}])
% Show the cell boundary of each gNB
showBoundary(networkVisualizer,Position=gNBPositions,BoundaryShape="circle", ...
    Bounds=cellRadius)

指定したフレーム数 numFrameSimulation でシミュレーションを実行します。

% Calculate the simulation duration (in seconds)
simulationTime = numFrameSimulation*1e-2;
% Run the simulation
run(networkSimulator,simulationTime);

Figure Wireless Network Viewer contains an axes object. The axes object with xlabel X-axis (m), ylabel Y-axis (m) contains 33 objects of type line. One or more of the lines displays its values using only markers These objects represent nrGNB, nrUE, Boundary.

この図は、構成されたセルラートポロジを示しています。この図は、各セル内の gNB の位置および接続された UE ノードの位置を示しています。

ノードごとの統計を読み取ります。

gNBStats = statistics(gNBs);
ueStats = cell(numCells, 1);
for cellIdx = 1:numCells
    ueStats{cellIdx} = statistics(UEs{cellIdx});
end

シミュレーションの最後に、システムパフォーマンスインジケーターの達成値を、理論上のピーク値 (オーバーヘッドをゼロと仮定) と比較します。表示されるパフォーマンスインジケーターは、達成データレート (DL)、達成スペクトル効率 (DL)、および UE で観測された BLER (DL) です。計算されたピーク値は、3GPP TR 37.910 に準拠します。指定した対象のセルでは、UE-1、UE-3、および UE-4 は、それぞれの gNB からほぼ等距離に位置しています。ただし、UE-1 と比較して、UE-3 と UE-4 はスループットが低いことが観測されます。これは、UE-3 と UE-4 がより強いセル間干渉を受けるためです。

displayPerformanceIndicators(metricsVisualizer)

Peak DL throughput: 59.72 Mbps
Achieved cell DL throughput: 27.34 Mbps
Achieved DL throughput for each UE: [6.74        12.15         3.35          5.1]
Peak DL spectral efficiency: 5.97 bits/s/Hz
Achieved DL spectral efficiency for cell: 2.73 bits/s/Hz
Block error rate for each UE in the DL direction: [0.013           0       0.003       0.003]

シミュレーションの可視化

構成されたセルのパフォーマンスを評価するために、この例にはさまざまな実行時の可視化が含まれています。示されている実行時の可視化の詳細については、Simulation Visualizationsを参照してください。

シミュレーションログ

この例では、シミュレーション後の解析および可視化のために、シミュレーションログを MAT ファイルに保存します。シミュレーションでは、各セルのタイムステップごとのログ、スケジューリング割り当てログ、および PHY 受信ログを取得し、それらを MAT ファイル 'simulationLogFile' に保存します。シミュレーション後に、ファイルを開き、NCellID、DLTimeStepLogs、SchedulingAssignmentLogs、および PhyReceptionLogs をワークスペースに読み込みます。

NCellID: これには、シミュレーションログが属するセルを表すセル ID が保存されます。

DL タイムステップログ: これには、シミュレーションのスロットごとのログが保存されます。シミュレーション内の各スロットが 1 行で表されます。ログ形式の詳細については、NR Cell Performance Evaluation with MIMOの例の「Time step logs」セクションを参照してください。

スケジューリング割り当てログ: このファイルには、すべてのスケジューリング割り当ての情報および関連情報が記録されます。ログ形式の詳細については、NR Cell Performance Evaluation with MIMOの例の「Scheduling assignment logs」セクションを参照してください。

PHY 受信ログ: このファイルには、シミュレーションで観測されたパケット受信情報が記録されます。ログ形式の詳細については、NR Cell Performance Evaluation with MIMOの例の「Phy reception logs」セクションを参照してください。

if enableTraces
    % Obtain the logs
    simulationLogs = cell(numCells, 1);
    for cellIdx = 1:numCells
        if gNBs(cellIdx).DuplexMode == "FDD"
            logInfo = struct(NCellID=[],DLTimeStepLogs=[], ...
                SchedulingAssignmentLogs=[],PhyReceptionLogs=[]);
            logInfo.DLTimeStepLogs = getSchedulingLogs(simSchedulingLogger{cellIdx});
        else % TDD
            logInfo = struct(NCellID=[],TimeStepLogs=[], ...
                SchedulingAssignmentLogs=[],PhyReceptionLogs=[]);
            logInfo.TimeStepLogs = getSchedulingLogs(simSchedulingLogger{cellIdx});
        end
        logInfo.NCellID = gNBs(cellIdx).ID;
        % Obtain the scheduling assignments log
        logInfo.SchedulingAssignmentLogs = getGrantLogs(simSchedulingLogger{cellIdx});
        % Obtain the Phy reception logs
        logInfo.PhyReceptionLogs = getReceptionLogs(simPhyLogger{cellIdx});
        simulationLogs{cellIdx} = logInfo;
    end
    % Save simulation logs in a MAT-file
    save(simulationLogFile,"simulationLogs")
end

その他の調査

この例を使用して、さらに次のオプションを調べることができます。

アップリンク関連の構成パラメーターを指定して、ノード間のアップリンク干渉をモデル化します。これに関する詳細については、NR Cell Performance Evaluation with MIMOの例を参照してください。
与干渉-被干渉シナリオのモデル化: 与干渉側は干渉の発生源であり、被干渉側はその干渉の影響を受けます。次の図に示す DL シナリオを考えてみます。マクロセル UE が、マクロ基地局 (BS) からは遠く、スモールセルには近い位置にあります。DL 方向において、マクロセル UE はスモールセル BS からの干渉を受けます。スモールセル BS は与干渉側であり、マクロ UE は被干渉側です。

各クラスターが異なる周波数で動作するセルで構成されている複数のクラスターをモデル化し、セルエッジユーザーに対する干渉の影響を解析します。
セル内モビリティがダウンリンクメトリクスに与える影響をモデル化します。UE に組み込まれたモビリティモデルによって、その UE が特定のセル内を移動する際のパターンが決まります。enableMobility を true に設定して、CellToAnalyze 内の UE-2 のモビリティを有効にします。次のプロットは、1000 フレームのシミュレーション期間において、UE モビリティがスループットに与える影響を示しています。UE が gNB から遠ざかるにつれて、スループットは徐々に低下していきます。一方で、静的な UE ノードは、シミュレーション全体を通してデータレートを維持しています。

対象セルにおける静的な UE のスループットプロット

対象セルにおいて UE-2 にモビリティを組み込んだ場合のスループットプロット

ローカル関数

function uePositions = generateUEPositions(cellRadius,gNBPositions,numUEsPerCell)
%generateUEPositions Return the position of UE nodes in each cell

numCells = size(gNBPositions,1);
uePositions = cell(numCells,1);
ueHeight = 3; % In meters
for cellIdx=1:numCells
    gnbXCo = gNBPositions(cellIdx,1); % gNB X-coordinate
    gnbYCo = gNBPositions(cellIdx,2); % gNB Y-coordinate
    theta = rand(numUEsPerCell,1)*(2*pi);
    % Use these expressions to calculate the position of UE nodes within the cell. By default,
    % the placement of the UE nodes is random within the cell
    r = sqrt(rand(numUEsPerCell,1))*cellRadius;
    x = round(gnbXCo + r.*cos(theta));
    y = round(gnbYCo + r.*sin(theta));
    z = ones(numUEsPerCell,1) * ueHeight;
    uePositions{cellIdx} = [x y z];
end
end

サポート関数

この例では、次のヘルパーを使用します。

helperNRMetricsVisualizer: メトリクス可視化機能の実装
helperNRSchedulingLogger: スケジューリング情報のロギング機能の実装
helperNRPhyLogger: PHY パケット受信情報のロギング機能の実装
h38901Channel: 3GPP TR 38.901 チャネルモデルの実装
hNRKPIManager: 重要性能評価指標を計算する機能の実装
hNodeMobilityTraceBased: トレースベースのモビリティモデル機能の実装

参照

[1] 3GPP TS 38.104. “NR; Base Station (BS) radio transmission and reception.” 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

[2] 3GPP TS 38.214. “NR; Physical layer procedures for data.” 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

[3] 3GPP TS 38.321. “NR; Medium Access Control (MAC) protocol specification.” 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

[4] 3GPP TS 38.322. “NR; Radio Link Control (RLC) protocol specification.” 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

[5] 3GPP TS 38.323. “NR; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification.” 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

[6] 3GPP TS 38.331. “NR; Radio Resource Control (RRC) protocol specification.” 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

[7] 3GPP TR 37.910. “Study on self evaluation towards IMT-2020 submission.” 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

参考

オブジェクト

wirelessNetworkSimulator (Wireless Network Toolbox) | nrGNB | nrUE