LTE上行链路D2D与蜂窝用户比例公平调度算法仿真

资 源 简 介

本项目旨在开发一个综合性的MATLAB仿真平台，用于分析和实现LTE上行链路场景下传统蜂窝用户与点到点（D2D）通信用户共存时的比例公平（PF）资源调度算法。系统核心功能包括：首先，建立一个支持多小区和多用户的LTE上行通信模型，模拟复杂的快衰落、路径损耗及阴影衰落信道环境；其次，实现比例公平调度器的核心逻辑，通过计算每个用户在特定资源块（RB）上的瞬时可达速率与历史平均吞吐量的比值来确定调度优先级，从而在系统总吞吐量与用户间公平性之间取得优化平衡。 针对D2D通信引入的同频干扰问题，系统集成了干扰受限的资源共享策略，支持D2D用户以复用模式共享传统蜂窝用户的上行子信道，并根据干扰保护距离和信噪比要求动态调整分配决策。 项目还包含完整的迭代更新机制，能够根据每个传输时间间隔（TTI）的反馈实时更新用户的平均吞吐量。该仿真环境不仅可以评估不同用户比例下的系统容量，还能定量分析D2D对引入后对蜂窝用户服务质量的影响，适用于移动通信网络资源管理研究、跨层优化设计以及异构网络干扰协作的方案验证。

详 情 说 明

LTE上行链路比例公平调度算法仿真平台

本仿真平台旨在评估LTE上行链路场景下，传统蜂窝用户（CUE）与点到点（D2D）通信用户在复用模式（Underlay）下的资源调度表现。通过实现比例公平（PF）调度算法，系统能够在最大化吞吐量与保障用户公平性之间取得平衡。

功能特性

1. 动态用户部署：支持在给定小区半径内随机分布蜂窝用户，并根据距离约束部署D2D用户对。
2. 多层次信道建模：系统综合考虑了路径损耗（Log-distance模型）、阴影衰落（对数正态分布）以及快衰落（瑞利分配），模拟真实的无线预测环境。
3. 比例公平（PF）调度核心：实现了基于瞬时速率与历史平均吞吐量之比的调度逻辑，有效防止边缘用户饥饿。
4. D2D资源复用策略：D2D用户以Underlay模式复用CUE的上行资源块（RB），通过干扰感知逻辑选择最优复用路径。
5. 性能评估指标：提供系统总吞吐量、用户平均吞吐量、Jain公平性指数以及基于SNR的丢包率（PLR）等多维度数据分析。
6. 可视化分析：自动生成资源分配热力图及各项性能随D2D用户规模变化的演化曲线。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本。
2. 硬件要求：基础版MATLAB即可运行，无需额外工具箱。

使用方法

1. 设置仿真参数：在代码起始部分的参数设置区，可以根据需要调整用户数量（numCUE）、D2D对数范围（numDUE_range）、资源块数量（numRBs）以及仿真时长（numTTI）。
2. 运行仿真：点击运行脚本，系统将依次遍历不同规模的D2D用户场景。
3. 数据观察：仿真结束后，系统将自动弹出5个分面图表，展示吞吐量、公平性、丢包率以及详细的资源分配时间-频率热图。

实现逻辑

本系统的核心逻辑在主程序中通过嵌套循环结构实现：

1. 环境初始化：建立以基站为中心的小区模型，为CUE和D2D对生成地理坐标。D2D用户对由发射机（DT）和接收机（DR）组成，其间距限制在设定范围内。
2. D2D规模迭代循环：程序在外层循环改变D2D用户的数量，以此分析用户密度对蜂窝系统的干扰影响。
3. 传输间隔（TTI）循环：在每个TTI内，系统执行以下操作：

* 信道状态更新：根据用户当前的地理位置和快衰落模型，计算所有干扰链路和信号链路的信道增益。 * CUE调度决策：对于每一个资源块（RB），系统筛选出PF优先级（瞬时速率/平均吞吐量）最高的蜂窝用户。 * D2D复用决策：每个D2D对遍历所有RB，计算在复用该RB资源且考虑互干扰情况下的PF优先级，选择最优RB执行Underlay通信。 * 吞吐量计算与更新：计算受干扰后的实际SINR，得出瞬时速率，并利用滑动平均窗函数（1/W）对用户的长时平均吞吐量进行迭代更新。

1. 统计汇总：在所有TTI结束后，计算当前场景下的总吞吐量均值和Jain公平性指数。

关键函数与算法细节分析

1. 比例公平（PF）算法实现：

算法通过 P = R(t) / T(t) 计算优先级，其中 R(t) 是当前RB上的可达速率，T(t) 是通过滑动平均维护的历史吞吐量。该机制确保了当用户信道条件好时通过 R(t) 获得调度，而当用户长期未被调度导致 T(t) 下降时，其调度权重会相应提升。

1. 干扰受限的复用逻辑：

在D2D资源分配中，程序同时考虑了两路干扰：CUE对D2D接收机的干扰（C2DR）以及D2D发射机对基站接收CUE信号的干扰（D2B）。只有当SINR满足香农公式计算出的速率足以优化PF权重时，RB才会被选定复用。

1. 路径损耗模型：

采用简化版对数路径损耗模型，基准损耗设为128.1 dB，随距离的对数以3.76为因子增加，并叠加高斯随机过程作为阴影衰落。

1. 丢包率分析模块：

系统集成了一个简化的物理层映射模型。它基于QPSK调制下的误码率（BER）计算公式，通过 complementary error function (erfc) 将接收端SNR映射为BER，进而推导出在100比特数据包长度下的丢包率（PLR）。

1. Jain公平性指数：

利用公式 (sum(x)^2) / (n * sum(x^2)) 计算。该指数越接近1，表示系统在不同用户（包括蜂窝和D2D用户）之间的资源分配越均衡。

1. 资源分配热力图：

通过 imagesc 函数实时记录并展示了25个资源块在100个TTI内的用户占用情况，不同颜色代表不同的CUE索引，直观展示了PF调度器在时频域上的跳变特性。