基于AF协议的协作OFDM通信系统仿真

资 源 简 介

本项目通过MATLAB平台实现一个基础的协作正交频分复用（OFDM）通信系统仿真模型。系统构建了包含源节点、中继节点和目的节点在内的典型三节点拓扑结构。在传输机制上，采用放大转发（Amplify-and-Forward, AF）协作模式，该过程分为两个时隙完成：在第一时隙内，源节点通过OFDM调制将比特流转换为时域信号并向中继及目的节点广播；在第二时隙内，中继节点对其接收到的携带噪声的信号进行功率放大处理并转发给目的节点。目的节点利用分集接收技术，将来自源节点的直接链路信号与来自中继节点的协作链路信号进行

详 情 说 明

项目介绍

本项目构建了一个基于放大转发（Amplify-and-Forward, AF）模式的协作OFDM（正交频分复用）通信系统仿真模型。系统模拟了由源节点（Source）、中继节点（Relay）及目的节点（Destination）组成的三节点典型拓扑结构。通过两时隙传输机制，实现信号的协作分集：第一时隙由源节点广播信号，第二时隙由中继节点对接收到的信号进行功率放大并转发。本项目旨在对比协作AF模式与直接传输模式在瑞利衰落信道条件下的误码率（BER）性能，验证协作分集技术对提升无线通信可靠性的有效性。

功能特性

1. 物理层全链路模拟：实现了从随机比特生成、符号映射、OFDM调制到信道传输、信号合并及解调的全过程仿真。
2. 放大转发（AF）协议：中继节点采用可变增益放大策略，根据瞬时信道状态信息和噪声方差对信号进行归一化放大。
3. 瑞利衰落信道模拟：考虑了独立同分布的瑞利衰落，并结合路径损耗模型模拟了节点间不同距离对信号强度的影响。
4. 协作分集接收：在目的节点采用了最大比合并（MRC）技术，通过加权合并直接链路与中继链路信号来最大化接收信噪比。
5. 自定义调制处理：内置了16QAM调制与解调函数，包括星座图映射、能量归一化及硬判决解调逻辑。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件环境。
2. 在 MATLAB 路径编辑器或命令行中，将当前工作目录切换至仿真脚本所在的绝对路径。
3. 在命令行窗口输入主函数名称并运行。
4. 程序将依次计算设定的各信噪比（SNR）点下的误码率，并在命令行输出实时进度。
5. 仿真完成后，系统会自动生成一张对比图表，展示直接传输与协作AF传输随信噪比变化的误码率曲线。

系统要求

• 运行环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：标准个人计算机，内存建议 4GB 以上以确保大规模比特流计算时的稳定性。
• 依赖项：主要功能通过基础数学运算和信号处理函数实现，代码中已包含自定义的进制转换及调制解调辅助函数，对特定工具箱的依赖较低。

实现逻辑与功能说明

1. 参数初始化：

系统默认仿真总比特数为 10^5，采用 64 个子载波的 OFDM 结构，循环前缀（CP）长度设置为 16。调制方式采用 16QAM。设定 S-D 距离为 1，中继位于中心（S-R=0.5, R-D=0.5），路径损耗指数设定为 3。

1. 发射端处理：

将随机生成的二进制比特流按每 4 位一组转换为十进制，通过 16QAM 星座映射表转换为复数符号，并进行 1/sqrt(10) 的能量归一化。随后执行 IFFT 变换并在头部添加循环前缀，构造出时域 OFDM 符号。

1. 时隙化协作传输：

• 第一时隙（广播阶段）：源节点发送信号。目的节点和中继节点分别接收信号，信号分别经过 h_sd 和 h_sr 的单径瑞利衰落及加性高斯白噪声（AWGN）干扰。
• 第二时隙（转发阶段）：中继节点对第一时隙接收到的噪声信号进行增益处理。增益因子 beta 的计算考虑了源到中继信道的功率平衡。随后中继将信号发送至目的节点，经过 h_rd 信道及噪声干扰。

1. 接收端处理逻辑：

• 直接传输模式：仅处理第一时隙来自目的节点的信号，进行移除 CP、FFT 变换。通过除以信道系数 h_sd 进行理想信道补偿，最后进行 16QAM 解调。
• 协作传输模式：对两个时隙的信号进行最大比合并（MRC）。计算第一链路的权值为信道共轭除以噪声方差；计算第二链路（AF 链路）的等效信道及合并后的有效噪声方差，得出第二路径权值。将两路频域信号加权叠加后进行解调。

1. 结果统计：

通过对比发射比特与接收解调比特，统计各信噪比下的错误位，最终计算 BER 并通过 semilogy 函数绘制性能曲线。

关键算法与实现细节

1. 星座图映射算法：

手动定义了 16QAM 的 16 个坐标点映射关系，确保了比特到复平面符号的一一对应，并严格执行了单位平均功率归一化。

1. 信道补偿与等化：

代码实现了频域零迫（Zero-Forcing）等化思想，在直接链路中利用已知的信道状态信息进行单点均衡。

1. 协作链路等效模型：

AF 模式下的第二链路被建模为级联信道。实现中考虑了中继节点对第一跳噪声的放大效应，计算出目的地端的有效噪声功率，这是实现精确 MRC 合并的前提。

1. 辅助数学函数：

代码内包含自定义的二进制转十进制（bi2de）及十进制转二进制（de2bi）函数，采用位权求和与字符残差法实现，确保了在没有通讯工具箱的环境下也能正常执行位操作。