基于反馈机制的多用户通信系统吞吐量仿真平台

资 源 简 介

本项目通过MATLAB构建一个闭环反馈的多用户无线通信系统模型，主要用于研究并验证当接入发送用户数发生变化时，系统总吞吐量的动态演变规律。

详 情 说 明

基于反馈机制的多用户通信系统吞吐量仿真平台

项目项目

本项目是一个基于MATLAB开发的多用户无线通信系统链路级仿真平台。其核心目标是模拟在闭环反馈机制下，基站如何通过资源调度和链路自适应技术，在不同用户规模的环境中优化系统总吞吐量。系统重点展示了“多用户分集增益”现象，并量化评估了调度算法在吞吐量与公平性之间的平衡能力。

功能特性

1. 动态多用户场景模拟：支持从单用户到多用户（如1至64人）并发接入的动态演变仿真。
2. 闭环反馈机制：实现了由终端估计信噪比（SNR）并反馈至基站的闭环链路流程，作为调度和调制的决策依据。
3. 比例公平调度（PF）：采用比例公平算法，通过计算瞬时可达速率与历史平均速率的比值来确定用户优先级。
4. 自适应调制编码（AMC）：内置包含BPSK、QPSK、16QAM、64QAM在内的MCS（调制编码方案）映射表，根据实时信道质量自动调整传输效率。
5. 多维度性能评估：自动生成系统吞吐量变化曲线、Jain's公平性指数柱状图以及详细的仿真数据表。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 工具箱需求：基础MATLAB功能即可运行，无需特殊的通信工具箱支持。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将仿真脚本文件放置于MATLAB当前工作路径下。
3. 直接运行该脚本。
4. 仿真结束后，系统将自动弹出可视化图形窗口，并在命令行窗口输出针对不同用户规模的性能统计数据表及结论分析。

实现逻辑与算法细节

#### 1. 参数与环境初始化 仿真设置了标准化的物理层参数，包括1MHz系统带宽、10dB基准信噪比、1024位的基础数据包大小，并通过1000次蒙特卡洛迭代确保统计结果的稳定性。

#### 2. 信道建模 系统为每个用户生成独立的信道增益。模型由两部分组成：

• 瑞利衰落：利用复高斯分布模拟多径环境下的信号波动。
• 路径损耗：引入0.5至1.0之间的随机分布系数，模拟多用户环境下由于距离差异产生的“远近效应”。

#### 3. 反馈与信噪比估计 每个仿真子帧中，系统计算用户的瞬时接收信噪比。其计算公式为：基准信噪比（dB）加上由于信道增益和路径损耗产生的波动。该信息作为反馈量传递给调度器。

#### 4. 比例公平（Proportional Fair）调度 为了克服“最大载波干扰比”算法导致的公平性缺失，本系统实现了比例公平调度：

• 优先级计算：优先级 = 用户当前的瞬时可达速率 / 用户历史积累的平均速率。
• 动态更新：每轮迭代后，被选中用户的历史速率以0.1的步长进行滑动平均更新，未被选中的用户历史速率则进行指数衰减，确保每个用户最终都能获得服务机会。

#### 5. 链路自适应与传输模拟 基站根据被选中用户的反馈SNR，检索预设的MCS等级表：

• MCS分档：涵盖了从中断（SNR < 2dB）到64QAM（SNR > 17dB）的五个等级。
• 传输判决：若瞬时SNR达到对应阈值，则认为传输成功，计入总吞吐量；否则不计算有效载荷。

#### 6. 性能指标计算

• 系统总吞吐量：统计所有成功传输的总比特数，通过单位符号效率与包大小进行归一化处理。
• Jain's 公平性指数：利用用户被服务的次数分布情况计算公平性得分，数值越接近1表示资源分配越均匀。

关键算法分析

• 多用户分集增益：代码通过在大量用户中筛选瞬时信道质量最好的个体进行服务，展现了系统总吞吐量随用户数增加而上升的趋势。
• 效率与公平的权衡：通过PF调度算法，代码展示了在追求高吞吐量的同时，如何通过历史速率反馈机制防止边缘用户被饿死，这在公平性指数的变化趋势中得到了验证。
• 离散MCS映射：不同于理想的香农容量公式，代码采用了阶梯式的MCS映射，更真实地模拟了实际通信标准中的链路自适应过程。