基于AF协议的协作通信误码率仿真系统

资 源 简 介

该项目旨在通过MATLAB环境深入模拟和评估无线通信中放大转发（AF）协作协议的性能指标。系统完整构建了由源节点（Source）、中继节点（Relay）和目的节点（Destination）组成的三节点协作模型，以应对无线信道中的衰落挑战。在第一个时隙，源节点向中继和目的节点广播发送调制信号；在第二个时隙，中继节点对接收到的含有噪声的信号进行功率放大处理，并将其转发至目的节点。该项目实现了固定增益与基于信道状态信息的半盲/全盲增益放大策略，并模拟了信号在瑞利衰落信道中的传输过程。在接收端，系统采用了最大比合

详 情 说 明

基于MATLAB的放大转发（AF）协作通信性能仿真与误码率分析系统

项目介绍

本项目是一个用于模拟和评估无线协作通信系统中放大转发（AF）协议性能的仿真系统。在无线通信环境下，由于多径效应导致的衰落会严重降低信号传输质量。通过在中继节点使用AF协议，系统能够利用空域分集增域来增强链路可靠性。本项目通过MATLAB实现了从信号产生、中继放大到终端合并接收的完整物理层链路仿真，并重点对比了协作通信与直接传输在抗衰落性能上的差异。

功能特性

• 多节点拓扑模拟：完整构建了源节点（S）、中继节点（R）和目的节点（D）的三节点拓扑模型，支持自定义节点间的几何距离。
• 路径损耗建模：引入了路径损耗指数，能够根据相对距离精确计算各条链路的平均功率增益。
• 衰落信道模拟：实现了复高斯分布的瑞利衰落信道模型，模拟真实的无线多径环境。
• AF协议仿真：实现了经典的两时隙协作流程，包含第一时隙的广播传输和第二时隙的中继功率放大。
• 自适应放大增益：采用了基于信道状态信息（CSI）的放大策略，确保中继节点的发射功率保持恒定。
• 最大比合并（MRC）：在目的节点实现了考虑不同支路噪声功率差异的等效MRC算法。
• 性能量化分析：系统自动生成误码率（BER）随信噪比（SNR）变化的曲线，并输出详细的性能改善倍数对比表。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 硬件要求：基础运行内存 4GB 以上，CPU 支持大规模矩阵运算。
• 所需工具箱：基础 MATLAB 即可，无需额外工具箱。

逻辑流程说明

系统运行遵循标准的蒙特卡罗仿真流程：

1. 参数初始化：配置仿真符号总数（10^5）、信噪比范围、节点坐标及路径损耗指数（默认为3）。
2. 信号生成：产生等概率分布的二元随机比特序列，并执行BPSK调制（映射为+1和-1）。
3. 直接链路仿真：信号经过带有路径损耗和瑞利衰落的信道传输至目的节点，添加高斯白噪声后通过理想信道估计进行解调。
4. AF协作链路第一时隙：源节点广播信号，计算中继节点和目的节点接收到的、含有不同信道衰落及噪声的信号。
5. AF协作链路第二时隙：中继节点计算动态放大增益系数G。该系数根据当前信道系数和噪声功率实时调整，将接收到的脏信号映射至指定的发射功率水平，随后转发至目的节点。
6. 信号合并与判定：目的节点收集两个时隙的信号。由于中继路径引入了二次噪声，系统计算两条路径的等效信道增益和非均匀噪声方差，应用加权MRC合并策略，最终提取判决统计量并恢复原始信息。
7. 统计与绘图：计算不同SNR下的错误比特数，绘制对数坐标下的BER曲线。

关键算法与实现细节分析

• 瑞利衰落模拟：通过 (randn + 1i*randn) / sqrt(2) 生成均值为0、方差为1的复高斯随机变量，结合距离增益参数来模拟非视距传输中的振幅衰落。
• 放大倍数（G）的计算：代码中使用了具有功率约束的增益计算方法，公式考虑了前一跳的信道增益与噪声功率。通过 sqrt(tx_power ./ (tx_power * abs(h_sr).^2 + noise_var)) 确保了中继节点的总发射功率在统计上与源节点一致。
• 等效信道与噪声方差处理：这是系统实现MRC的关键。源-目的链路的噪声是纯加性高斯白噪声，但中继-目的链路的有效噪声包含了被放大的中继端噪声和本端的加性噪声。系统通过计算 var2 = (abs(G .* h_rd).^2 + 1) * noise_var 动态评估了第二条路径的噪声水平。
• MRC权重配置：为了实现分集增益最大化，合并权重 w 不仅考虑了信道系数的共轭，还除以了各自路径的等效方差。这种处理方式能够在信道状况差或噪声过大时自动降低该支路的权重，从而提升合并后的信噪比。
• 性能评估指标：系统引入了“改善倍数”这一指标，通过对比同等信号强度下直连链路与协作链路的误码率比值，直观反映了协作通信在克服深衰落方面的技术优势。

使用方法

1. 启动 MATLAB 并将当前工作目录指向系统文件夹。
2. 在命令行窗口输入主程序名称（即 main）或直接点击运行按钮。
3. 程序将开始执行蒙特卡罗迭代，由于符号数较多，可能需要数秒至一分钟的时间运行。
4. 仿真完成后，会自动弹出名为“AF放大转发协作通信性能分析”的图形窗口。
5. 在 MATLAB 控制台（Command Window）查看打印出的表格，分析各信噪比点下的具体数值对比。