协作通信链路仿真与性能分析实验系统

资 源 简 介

本项目是基于MATLAB开发的协作通信链路仿真实验平台，旨在通过软件仿真手段深入研究无线通信中的空域分集与协作传输技术。系统完整构建了由源节点、中继节点和目的节点构成的经典三节点协作网络模型，能够精确模拟电磁波在瑞利衰落信道中的传播特性。功能涵盖了从信源编码、调制到信道传输及接收端处理的全过程：首先，系统实现了物理层核心协议，包括放大转发（Amplify-and-Forward）和解码转发（Decode-and-Forward），允许用户通过对比实验观察不同协作策略对信号质量的提升效果。其次，系统内置了最

详 情 说 明

协作通信基础仿真与性能分析实验系统

本系统是一个基于 MATLAB 环境开发的无线通信物理层仿真平台，专门用于研究和验证三节点协作网络在衰落环境下的传输性能。系统通过对源节点（S）、中继节点（R）和目的节点（D）构成的典型拓扑进行建模，深入剖析了空间分集技术对无线链路可靠性的提升作用。

项目介绍

在现代无线通信中，多径衰落是影响信号传输质量的核心因素。本项目通过软件仿真手段，完整复现了协作通信的主要工作流程。系统重点模拟了单天线终端如何通过合作伙伴（中继节点）构建虚拟多天线阵列，从而获得分集益。实验涵盖了信道衰落建模、信号调制卸载、协作协议执行以及接收端信号合并等关键技术环节，是理解 5G/6G 分布式传输技术的理想仿真模型。

功能特性

• 全流程物理层仿真：实现了从随机比特流生成、BPSK 调制到瑞利信道传输及接收判决的全过程。
• 多协议对比：系统内置了直连链路传输（Direct Link）、放大转发（AF）和解码转发（DF）三种模式，方便用户直观对比不同协作策略。
• 高精度信道模型：引入了基于距离的路径损耗模型（Path Loss）和独立快衰落瑞利模型（Rayleigh Fading），精确模拟电磁波传播特性。
• 最优合并算法：在目的节点实现了最大比合并（MRC）算法，通过动态信道权重分配，实现输出信噪比的最大化。
• 自动化性能分析：程序能够自动遍历设定的信噪比范围，统计各协议下的误码率（BER），并生成符合学术标准的可视化图表。

运行环境与系统要求

• 操作系统：Windows、Linux 或 macOS。
• 软件要求：MATLAB R2018a 及以上版本。
• 硬件建议：具备 8GB 以上内存以支持大规模比特数的蒙特卡洛仿真过程。
• 依赖说明：核心逻辑基于矩阵运算编写，无需额外安装特殊的通信工具箱或扩展包。

实现逻辑与详细功能说明

系统的核心逻辑严格遵循以下技术流程：

参数初始化与环境建模

仿真开始前，系统设定了路径损耗指数以及各节点间的几何分布（归一化距离）。通过计算链路增益，确定不同传输路径（S-D、S-R、R-D）的平均功率。功率分配方案采取源节点与中继节点等功率分配原则。

信号处理与信道生成

系统采用循环迭代的方式遍历 0dB 至 25dB 的信噪比区间。在每个信噪比点下，生成 10 万个随机比特，并转换为 BPSK 复基带信号。瑞利信道系数采用复高斯分布生成，确保每个仿真比特均经历独立的快衰落。

传输协议实现细节

1. 直连链路：信号直接经过 S-D 链路，目的节点对接收信号进行信道补偿后进行判决，作为性能基准。
2. 放大转发（AF）：中继节点接收到源节点信号后，计算一个基于信道状态和噪声功率的可变放大因子。该因子在补偿信号强度的同时会放大噪声。目的节点接收到两路信号后，根据 AF 特有的等效信道权重进行 MRC 合并。
3. 解码转发（DF）：中继节点首先尝试对接收信号进行硬判决解码。在转发阶段，系统模拟了选择性合并逻辑：通过比较中继链路与直连链路的信道增益，决定目的节点是采用 MRC 合并还是仅使用直连链路判决，以此规避中继解码错误带来的性能恶化。

性能统计与输出

系统通过实时对比发送比特与接收判决比特，计算每一信噪比点下的误码率。仿真结束后，系统会自动呼出图形窗口，利用半对数坐标系展示 BER-SNR 曲线，并同步在命令行输出包含具体数值的性能摘要表。

关键算法与技术细节分析

路径损耗与链路增益

系统通过距离的负三次方（alpha=3）来计算路径损耗，这体现了无线电信号在空间传播中的能量损耗特性，使得仿真更贴近真实的地理位置布局。

AF 协议中的噪声权重补偿

不同于简单的信号叠加，系统在处理 AF 协作时，考虑到了中继转发过程中引入的“放大噪声”。在计算接收端 MRC 权重时，对中继链路的权重进行了信道增益与噪声功率的联合归一化，确保了合并后的信号具有最大的瞬时信噪比。

DF 协议的选择性合并逻辑

在 DF 的实现中，代码特别加入了一层链路质量判断逻辑。该逻辑通过比较源-中继与源-目的的路径增益，智能地选择信号组合方式。这种机制有效地模拟了现代通信系统中防止“错误传播”的保护逻辑。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件，将工作目录切换至项目文件夹。
2. 在命令行窗口直接输入主程序名（无需后缀）并回车。
3. 等待仿真循环完成，期间可以在命令行观察进度的推进。
4. 运行完成后，系统会自动展示对比曲线图。
5. 参考命令行输出的摘要表，分析在不同信噪比环境下协作增益的具体数值表现。