无线通信协作分集AF与DF协议仿真系统

资 源 简 介

本程序旨在利用MATLAB平台深入模拟无线通信中的协作分集技术，重点实现其最为核心的放大转发（Amplify-and-Forward, AF）和解码转发（Decode-and-Forward, DF）协议。系统通过构建由发射源、中继站及目的接收端构成的拓扑结构，在具有代表性的瑞利慢衰落信道模型下模拟信号的完整处理流程。程序的主要功能包括：首先对源节点数据进行BPSK调制，并模拟其在直传链路与中继链路上的广播传输；其次，实现中继节点对接收信号的高保真处理，在AF协议下执行等效信道增益放大，在DF协议下执行信

详 情 说 明

无线通信协作分集仿真系统

本项目是基于MATLAB开发的无线通信模拟平台，专注于评估和比较协作分集技术中的两种典型协议：放大转发（AF）与解码转发（DF）。系统在一个典型的三节点（源节点、中继节点、目的节点）拓扑结构中，模拟了信号在瑞利慢衰落信道下的传输全过程，并量化分析了系统在不同信噪比环境下的抗衰落性能。

主要功能特性

1. 多协议并行仿真 系统同时实现了直接传输、放大转发（AF）协议和解码转发（DF）协议的完整链路模拟，支持在同一坐标系下对比三者的性能差异。

2. 真实物理环境建模

• 瑞利块衰落信道：模拟信号在传输过程中经历的独立同分布复高斯衰落。
• 路径损耗模型：引入路径损耗因子（如3.5），根据节点间的几何距离（S-D, S-R, R-D）计算信号能量衰减。
• 加性高斯白噪声（AWGN）：在接收端引入归一化的复高斯噪声。

3. 关键处理技术

• BPSK调制解调：采用二进制相移键控作为基础调制方式。
• AF 增益控制：中继节点根据源-中继链路的瞬时信道状态和噪声功率，计算最优放大增益系数。
• DF 决策转发：中继节点执行硬判决解码并重新调制信号。
• 最大比合并（MRC）：目的节点利用合并算法将直传信号与中继信号进行加权叠加，以最大化输出信噪比。

4. 多维性能评估指标

• 误码率（BER）：通过大规模蒙特卡洛仿真统计各协议的平均误码表现。
• 中断概率（Outage Probability）：基于香农信道容量理论，计算瞬时容量低于阈值速率的概率。
• 星座图可视化：直观展示信号在各阶段（原始、中继处理、MRC合并后）的分布状态。

系统要求

• 软件支持：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 硬件要求：建议至少 8GB 内存以支持大规模数据向量运算，10次蒙特卡洛迭代与10^5信号帧长度的默认配置约需数秒至数十秒运行时间。

实现逻辑与算法细节

1. 初始化与变量设置 程序首先定义 SNR 扫描范围（0至25dB）、节点几何位置及路径损耗系数。计算各链路（SD, SR, RD）的等效路径损耗增益，为后续信道建模提供物理依据。

2. 链路传输流程

• 广播阶段（第一阶段）：源节点发射 P_s 功率的信号，目的节点和中继节点分别接收。
• 协作阶段（第二阶段）：

- AF 实现：中继节点计算放大因子 beta，该因子考虑了信号功率归一化。随后将信号转发至目的节点。 - DF 实现：中继节点对接收到的连续信号进行实部判决，恢复出原始比特分布，再以 P_r 功率重调制转发。

3. 接收端处理算法

• AF MRC 合并：目的节点计算有效中继链路的等效增益和等效噪声方差。AF 的 MRC 权重不仅取决于信道系数，还取决于 beta 产生的噪声放大效应。
• DF MRC 合并：采用标准的信道增益加权合并策略，将两路离散的观测值进行合并判决。

4. 指标统计方法

• 误码率统计：对比最终接收比特与原始比特，累计错误数并除以总传输规模。
• 容量与中断计算：

- 直传链路：$C = log_2(1 + SNR cdot |h|^2)$ - AF 链路：根据合并后的 SNR 公式计算总容量。 - DF 链路：采用 min-max 准则，即受限于 S-R 链路和 (S-D + R-D) 链路中容量较小者。

使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将该程序脚本（main.m）放置于工作路径下。
3. 在命令行窗口输入函数名称并回车。
4. 程序运行结束后，将自动弹出四个分析图表：

- 误码率性能曲线图。 - 中断概率性能分布图。 - 四阶段信号星座图分布。 - 命令行窗口将打印最高 SNR 处各协议的具体 BER 数值。

技术总结

本项目完整复现了经典协作通信的数学模型，其核心在于对“空间独立衰落”的利用。通过 AF 的功率放大和 DF 的检测转发，系统在目的节点能够获得两份携带相同信息但经历独立衰落的信号副本，从而在 MRC 合并的作用下，将单链路的瑞利衰落（斜率为1）提升为具有二阶分集增益的性能（斜率为2），显著改善了通信系统的鲁棒性。