大规模MIMO系统信道容量分析与仿真平台

资 源 简 介

本系统专门用于研究大规模MIMO通信技术中，基站与移动终端天线数量缩放对系统信道容量的具体影响规律。其核心功能是基于随机矩阵理论构建大规模天线阵列的物理矩阵模型，模拟各种衰落信道环境下的信号传输过程。通过实现不同数量的基站天线（BS）和移动端天线（MS）的参数化配置，系统能够自动计算在各种信噪比条件下的香农极限容量以及实际链路吞吐量。功能涵盖了对下行链路预编码技术如迫零（ZF）、最大比传输（MRT）以及最小均方误差（MMSE）的性能对比分析，揭示了由于天线规模增加所带来的“有利传播”特性对干扰抑制的贡献。

详 情 说 明

大规模MIMO信道容量分析系统

项目介绍

本项目是一个专门用于研究大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）无线通信技术的仿真实验平台。其核心目标是定量分析基站（BS）端大规模阵列天线数量的缩放对系统整体信道容量的具体影响规律。系统通过构建物理化的随机矩阵模型，模拟了多用户下行链路中的信号传输与干扰抑制过程，为5G及未来6G网络中基站天线的科学部署提供了数据支撑和理论依据。

功能特性

• 多维度天线配置：支持对基站天线数进行参数化设置（如32至256根天线），模拟大规模天线阵列的缩放效应。
• 信道环境模拟：实现了带有空间相关性的瑞利衰落信道模型，能够模拟真实传播环境中的信道相关性。
• 香农极限计算：提供基于特征值分解的系统理论信道容量极限参考。
• 典型预编码对比：集成了迫零（ZF）、最大比传输（MRT）和最小均方误差（MMSE）三种主流线性预编码技术的性能仿真。
• 蒙特卡洛统计分析：通过多轮迭代仿真，消除随机噪声和衰落波动，获取稳定的统计平均结果。
• 可视化呈现：自动生成信噪比（SNR）与信道容量的关系曲线，并针对特定天线配置进行算法性能横向对比。
• 增益量化输出：系统能够自动计算并输出天线规模翻倍带来的容量增益百分比。

系统要求

• 运行环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 核心模块：需要具备通信工具箱（Communication Toolbox）的基本矩阵运算能力。
• 硬件建议：建议配备 8GB 以上内存以支持大规模矩阵运算及多次蒙特卡洛迭代。

核心功能实现逻辑

1. 参数定义：系统预设信噪比范围为 -10dB 到 30dB，基站天线数列表设定为 [32, 64, 128, 256]，移动终端用户数固定为 16。
2. 相关性信道建模：利用 Toeplitz 矩阵构建基站端和移动端的用户相关性矩阵，通过 Kronecker 简化模型生成体现空间相关特性的瑞利信道矩阵 H。
3. 预编码矩阵设计：

* ZF (Zero Forcing)：通过信道矩阵的广义逆来完全消除多用户干扰。 * MRT (Maximum Ratio Transmission)：旨在最大化目标用户的接收信号强度，但在大规模MIMO中会遗留干扰。 * MMSE (Minimum Mean Square Error)：通过引入白噪声项，在消除干扰和抑制噪声放大之间寻求最优平衡。

1. 下行功率归一化：针对每种预编码矩阵计算功率归一化因子（Beta值），确保所有算法在相同的总发送功率前提下进行比较。
2. 和速率计算：在每个信噪比点下，遍历所有用户的信号接收过程，提取有效信号项与干扰项，计算各流的 SINR，最终累加得到系统的和速率（Sum-Rate）。
3. 数据汇总与展示：对各配置下的计算结果进行均值处理，通过绘图函数对比天线规模效应及不同算法的性能优劣。

关键算法与实现细节

• 物理矩阵分解：在信道生成过程中，使用了矩阵平方根（R^(1/2)）与独立同分布（I.I.D.）复高斯矩阵相乘的方法，准确模拟了相关信道。
• Shannon容量评估：系统通过计算特征值分布来评估等功率分配下的下行总容量，作为各预编码性能的上限基准。
• SINR 解析计算：在代码内部，通过显式计算 H*W 得到的有效等效信道，区分对角线元素（有用信号）与非对角线元素（多用户干扰），精确还原了大规模MIMO下“有利传播”带来的干扰自抵消特性。
• 天线增益量化：系统特别设计了数据导出逻辑，能够对比 M=128 与 M=256 时的容量差异，直观展示天线规模翻倍带来的非线性增益效应。

使用方法

1. 在 MATLAB 中打开整个项目所在文件夹。
2. 在命令行窗口输入该系统的名称并运行。
3. 系统将自动开始循环计算不同天线规模和信噪比下的数据。
4. 计算完成后，系统将自动弹出两个图表界面：一幅展示天线规模对容量的提升趋势，另一幅展示各预编码算法的性能对比。
5. 在命令行窗口中可直接查看在 20dB SNR 关键点的详细数据汇总表及增益百分比分析。