基于Chow算法的OFDM与OFDMA动态资源分配仿真系统

资 源 简 介

本项目是一个基于MATLAB环境开发的OFDM与OFDMA资源管理仿真平台，专注于研究和实现高效的子载波及功率分配策略。系统核心围绕Chow算法展开，从速率自适应准则、余量自适应准则和误比特率性能最优化准则等多个维度对OFDM系统的资源分配问题进行了深度建模。 在速率自适应资源分配（RA）模块中，实现了多种经典及改进算法，包括Linear线性资源分配算法、Max-min子载波分配算法、发射功率自适应（TPA）算法、强调多用户均衡的成比例公平性（PF）资源分配算法，以及针对计算复杂度和吞吐量平衡的改进TSA

详 情 说 明

基于Chow算法及多准则优化的OFDM与OFDMA动态资源分配仿真系统

本项目是一款基于MATLAB环境开发的无线通信资源调度仿真平台。系统专注于OFDM（正交频分复用）与OFDMA（正交频分多址）系统中的子载波与功率分配策略，通过建立多种数学优化模型，对比并分析了在不同性能指标约束下的资源利用率及系统吞吐量。

项目核心功能特性

1. 速率自适应（RA）资源分配：在满足总功率约束的前提下，以最大化系统吞吐量为目标，实现了包括经典Chow算法在内的多种高效子载波与功率调度策略。
2. 边缘自适应（MA）资源分配：以功耗最小化为核心目标，在满足预设的目标传输速率和误比特率（BER）要求的条件下，计算所需的最优发射功率。
3. 多准则调度方案：集成了公平性、最大最小速率保障及两步法分配等多种优化准则，涵盖了通信系统中吞吐量与公平性的权衡研究。
4. 跨层分布式OFDMA分配：模拟了结合物理层信道特性与MAC层用户优先级的分布式动态调度过程，展示了系统在迭代过程中的收敛特性。
5. 完整仿真与可视化链路：系统内置多径衰落信道生成器，能够自动输出信道分布、功率谱密度、吞吐量对比及公平性指数等多维度图表。

系统逻辑与实现流程

程序遵循“参数初始化 -> 信道建模 -> 算法仿真 -> 性能评估”的闭环测试流程。

1. 系统参数配置

系统设定了64个子载波和4个并发用户。仿真模型基于归一化总功率限制，并引入了基于目标误比特率（Target BER = 1e-3）的调整因子（Gamma），用于在计算比特率时精确修正SNR间隙。

1. 信道生成逻辑

采用瑞利衰落模型构建多径信道。每个用户的信道增益由随机生成的6径增益通过快速傅里叶变换（FFT）映射至频域，并叠加了代表地理位置差异的路径损耗因子。

1. 资源分配算法实现细节

• Chow算法（RA）：系统首先执行贪婪子载波分配，将每个子载波指派给信道增益最高的用户。随后，核心调用注水算法（Water-filling）计算非均匀功率分布，以在复杂的频域衰落中挖掘最大的传输容量。
• 成比例公平（PF）算法：引入了历史分配速率的影响因子。在每个子载波分配时，比较用户瞬时速率与历史累积速率的比值，通过牺牲部分峰值速率来换取用户间长期的公平性。
• Max-Min 算法：该算法以保障弱势用户为优先级。在迭代过程中，系统始终优先为当前总速率最低的用户分配其最优子载波，力求实现用户间业务体验的高度一致。
• 改进型两步分配（TSA）算法：采取“数量初分配+位置精分配”的策略。首先基于各用户的平均信道质量比例计算其应得的子载波数量，随后在各自最优频段内进行实际指派，有效降低了计算复杂度。
• 能量最小化（EM/MA）算法：该算法反转了优化目标。在已知目标Mbps需求的情况下，基于子载波信道状况反推满足信噪比约束所需的最小功率，模拟了绿色通信中的节能调度场景。

1. 跨层分布式分配方案

系统构建了一个20次迭代的动态调整模型。利用用户优先级权重矩阵对信道增益进行加权，模拟分布式环境下的资源竞争。通过迭代更新功率分布和子载波映射，最终展示系统总速率的收敛轨迹。

关键算法分析

• 注水算法（Water-Filling）：该函数是实现速率自适应的核心，通过计算水位线（mu），动态决定在高质量子载波上投入更多功率，而在极度衰落的子载波上不分配功率。
• SNR 调整因子：利用公式 -log(5*BER)/1.5 将误比特率性能映射为功率补偿，确保生成的仿真结果符合实际通信链路的BER要求。
• 性能度量指标：

- 吞吐量对比：在不同SNR环境下，通过对RA算法进行量化分析，模拟了容量增长曲线。 - Jain公平指数：通过对各用户获取速率的统计分析，量化评估了不同算法在资源均衡分配上的表现。

使用方法与操作步骤

1. 启动环境：打开MATLAB软件（建议R2018b及以上版本）。
2. 运行仿真：将项目内置的程序文件加载至当前工作目录，点击“运行”或在命令行窗口输入入口函数名。
3. 查阅结果：

- 控制台将实时打印各算法执行的进度及最终的吞吐量与功耗数值。 - 仿真结束后将自动弹出图形化界面，共包含六项关键性能图表，涵盖信道分布、功率分布、算法对比、收敛曲线及公平性分析。

系统要求

• 软件平台：MATLAB 2016a 或更高版本。
• 必要工具箱：MATLAB核心功能组件。
• 硬件要求：标准个人计算机即可，无需特殊计算卡加速。