双向中继信道物理层网络编码PNC实现与仿真

资 源 简 介

本项目系统地实现了在双向中继信道（TWRC）环境下的物理层网络编码（PNC）机制。核心功能在于模拟无线信道的电磁波叠加特性，在物理层直接处理信号冲突并将干扰转化为有意义的编码信息。 项目完整模拟了两个源节点同时向中继节点发送信号的过程，中继节点在接收到相互叠加的模拟信号后，通过特定的解调与映射准则（如基于BPSK或QPSK调制下的XOR映射）直接提取出两个源信息的网络编码组合。这种方式避免了传统机制中分别解调每个原始报文的需求，大幅提升了频谱效率。

详 情 说 明

双向中继信道中的物理层网络编码（PNC）实现与仿真平台

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 开发的通信系统仿真平台，旨在实现并评估双向中继信道（TWRC）环境下的物理层网络编码（PNC）技术。在双向中继通信中，两个源节点（S1 和 S2）通过一个中继节点（R）交换信息。不同于传统的时间分片机制，PNC 允许两个源节点在同一频率、同一时间向中继发送信号。中继节点利用无线信道的电磁波天然叠加特性，直接从混合叠加信号中提取两个源信息的异或（XOR）组合，从而将传输时隙减少，显著提升频谱效率。

功能特性

1. 全链路物理层模拟：实现了从原始比特生成、BPSK 调制、信道传输、信号叠加到中继端解调映射的完整过程。
2. 多信道环境支持：支持 AWGN (加性高斯白噪声) 信道以及具有衰落特性的 Rayleigh (瑞利衰落) 信道模拟。
3. 真实环境扰动模拟：系统引入了相位偏移（Phase Offset）和振幅不平衡（Amplitude Mismatch）因子，用于评估非理想信道状态对 PNC 解调性能的影响。
4. 灵活的 PNC 映射方案：集成了基于最小距离准则的 BPSK-PNC 映射逻辑，直接在信号层完成 XOR 操作。
5. 多维度性能评估：自动生成误码率（BER）曲线、等效吞吐量对比图以及中继端实时接收信号的星座图聚类分析。
6. 自动化报告输出：仿真结束后自动在命令行终端输出详细的比对报告，包括吞吐量增益百分比等关键指标。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件。
2. 将仿真脚本所在的文件夹设置为当前工作路径。
3. 在命令行窗口直接调用主仿真函数。
4. 仿真运行后将自动弹出三个分析图窗，并展示信噪比从 0dB 到 20dB 的完整测试过程。
5. 可通过修改主函数顶部的参数定义部分来调整比特数量、信道类型或硬件偏差参数。

系统要求

• 运行环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 必备工具箱：无需特殊第三方工具箱，基于标准 MATLAB 基础功能即可运行。

实现逻辑与算法细节

#### 1. 信号流与调制模型 系统模拟 S1 和 S2 两个独立源。每个源生成长度为 100,000 比特的随机序列。调制阶段采用 BPSK 调制映射，将比特 0 映射为电平 1，比特 1 映射为电平 -1。

#### 2. 信道叠加模型（MAC阶段） 在多址接入阶段，中继节点接收到的信号是两个源信号通过各自独立信道后的叠加。公式表述为：y = h1*s1 + h2*s2 + n。其中 h1 和 h2 代表复信道增益。代码中特别对 h2 引入了相位偏差（例如 0.05*pi）和振幅差异（10% 的偏差），以模拟物理层同步不理想的真实场景。

#### 3. PNC 解调与最小距离判决 这是本项目的核心算法。中继节点并不尝试分别还原 s1 和 s2。相反，它基于已知的信道估计状态，构造了四个可能的理想参考接收点：

• 状态 (0,0)：参考点为 h1 + h2
• 状态 (0,1)：参考点为 h1 - h2
• 状态 (1,0)：参考点为 -h1 + h2
• 状态 (1,1)：参考点为 -h1 - h2

中继节点通过计算接收信号 y 与这四个参考点之间的欧氏距离，选择距离最近的索引。

• 若落入状态 (0,0) 或 (1,1) 的判定区，根据 PNC 映射规则，对应的异或结果比特为 0。
• 若落入状态 (0,1) 或 (1,0) 的判定区，对应的异或结果比特为 1。

#### 4. 对比机制实现 为了量化 PNC 的优势，系统同步计算了传统机制（如 TDMA/Store-Forward）的性能。

• BER 模拟：传统机制假设需要分别正确还原两个源的信息，其系统级误码率模型基于概率独立合并进行简化估算。
• 吞吐量计算：PNC 机制在两个时隙内（MAC+BC）完成了双向数据交互，而传统方案通常需要四个时隙。代码通过将传统机制的吞吐量乘以 0.5 来体现这种两倍的时间开销差异。

#### 5. 可视化逻辑

• 误码率曲线：使用半对数坐标展示不同 SNR 下 PNC 与传统机制的 BER 表现。
• 星座图分析：绘制了中继处观测到的叠加信号采样点，并特别标记了由信道系数 h1 和 h2 决定的“结构化聚类点”，展示了物理层编码的几何原理。
• 吞吐量增益图：直观展示了在高信噪比下，PNC 维持 1 bit/symbol 效率而传统方案仅 0.5 bit/symbol 的巨大优势。