无线通信协同分集技术AF与DF性能分析仿真

资 源 简 介

该项目针对无线通信环境下由于衰落导致的信号质量下降问题，基于硕士论文研究深度，利用MATLAB构建了完整的协同分集仿真平台。 项目实现了协同通信中的核心机制，重点模拟了放大转发（AF, Amplify-and-Forward）和解码转发（DF, Decode-and-Forward）两种主流中继协作协议。 仿真场景涵盖了源节点、中继节点和目的节点构成的三节点典型架构，全面考虑了各链路间的瑞利衰落（Rayleigh Fading）信道特性及加性高斯白噪声（AWGN）的影响。

详 情 说 明

无线通信系统中协同分集技术的性能分析及MATLAB仿真实现

项目介绍

本项目旨在深入研究无线通信环境中的分集技术，特别是为了应对瑞利衰落（Rayleigh Fading）对信号传输质量的影响。项目基于典型的“源节点-中继节点-目的节点”三节点中继协作模型，利用MATLAB仿真综合评估了两种核心协作协议：放大转发（AF）和解码转发（DF）。通过模拟蒙特卡洛实验，项目对比了中继协议与传统直接传输链路在误码率（BER）和系统中断概率（Outage Probability）上的差异。

功能特性

1. 多协议覆盖：完整实现了放大转发（Amplify-and-Forward, AF）和解码转发（Decode-and-Forward, DF）两种主流中继协作方式。
2. 复杂信道建模：实现了独立的瑞利衰落信道模型，模拟各链路（S-D、S-R、R-D）之间互不相关的平坦衰落特性。
3. 双重指标评估：同步仿真并输出误码率（BER）与系统中断概率，全面衡量通信系统的物理层性能与容量可靠性。
4. 路径损耗模拟：引入基于距离和路损指数（Path Loss Exponent）的链路增益模型，反映信号随距离衰减的真实物理过程。
5. 信号处理与合并：实现了接收端最大比合并（MRC）技术，能够有效合并来自源节点和中继节点的信号副本，最大化输出信噪比。
6. 结果可视化：自动生成误码率对比曲线图、中断概率对比曲线图以及详细的信噪比对照统计表。

实现逻辑分析

1. 仿真系统参数初始化

仿真起始阶段定义了信噪比扫描范围（0dB至20dB）以及蒙特卡洛试验次数（10^5次）。 系统建立了空间几何模型：

• 设定源节点至目的节点、源节点至中继节点、中继节点至目的节点的相对距离。
• 根据路损指数计算各条链路的功率增益，用于修正后续生成的瑞利信道系数。

2. 信号调制与信道模拟

• 调制：采用BPSK（二进制相移键控）调制方式。
• 信道：每一位比特传输时，均随机生成满足复高斯分布的瑞利衰落因子。
• 噪声：引入方差可调的加性高斯白噪声（AWGN）。

3. 三类传输模式的实现

• 直接传输（Direct Link）：源节点直接发送信号至目的节点，作为性能对比的基准（Baseline）。
• 放大转发（AF）协议：

* 第一阶段中继接收信号。 * 中继端计算放大增益 G，该增益考虑了信号功率恒定要求。 * 第二阶段将带有噪声的信号放大后转发。 * 目的端考虑中继链路的等效噪声方差（包括中继接收的噪声被放大后的部分），执行最大比合并（MRC）进行判决。

• 解码转发（DF）协议：

* 中继端首先对接收信号进行尝试判决（解码）。 * 采用选择性DF策略：若中继正确解出比特，则在第二阶段以额定功率转发新生成的干净信号；若中继解错，则静默。 * 目的端将源节点信号与中继信号（若存在）进行最大比合并判决。

4. 性能指标计算

• 误码率（BER）：通过统计各信噪比下判定比特与原始发送比特的差异次数得出。
• 中断概率（Outage Probability）：

* 根据香农容量公式计算各链路的瞬时容量。 * 对于AF，计算等效级联信噪比及合并后的系统容量。 * 对于DF，根据中继是否能成功解码链路容量来判定系统总容量。 * 若瞬时容量低于设定的目标速率门限（R_th），则记为一次中断。

关键算法与实现细节

• 最大比合并（MRC）算法：在接收端，代码根据信道增益系数和环境噪声方差计算合并权重。对于AF协议，由于中继链路引入了额外的放大噪声，代码对AF链路的权重分配进行了特殊修正。
• AF放大倍数计算：公式严格遵循增益 G = sqrt(P_r / (P_s * |h_sr|^2 + N0))，确保了中继节点的发射功率在统计意义上的稳定性。
• 瞬时容量评估：在中断概率仿真中，针对中继协作的特殊性，代码使用了半双工模式下的容量计算模型（引入了 0.5 的频带预乘系数），真实反映了中继协作占用时隙带来的开销。
• 信道系数生成：使用 (randn + 1i*randn) * sqrt(gain/2) 生成符合特定功率增益要求的瑞利衰落系数，保证了仿真环境的严谨性。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：具备基本运算能力的个人电脑。由于采用了 10^5 数量级的蒙特卡洛仿真，建议预留 1-2GB 以上的空闲运行内存以保证仿真流畅。
• 知识储备：使用者应具备数字通信、随机过程及协作通信协议的基本理论知识。

使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将包含仿真逻辑的脚本文件加载到当前工作路径。
3. 在命令行窗口直接运行该主函数。
4. 等待程序运行完毕，MATLAB 将自动弹出两个性能对比图表（误码率与中断概率）。
5. 在命令行窗口查看打印出的关键信噪比节点下的性能统计表格。