OFDMA多用户资源联合分配与性能优化仿真系统

资 源 简 介

本项目主要针对OFDMA通信系统中的多维资源分配问题进行设计与仿真。其核心功能是实现跨层的无线资源管理，包括子载波分配、比特负载以及功率调节的联合优化。系统重点实现了两种主流的优化建模方式：第一种是边际自适应（MA）算法，在满足用户特定数据速率和误码率约束的基础上，通过搜索最优的比特分配和功率控制策略来最小化系统的总发射功率；第二种是速率自适应（RA）算法，在给定总功率预算的限制下，通过动态调度子载波和调整调制方式，使系统总频谱效率或用户加权和速率达到最大化。程序内置了拉格朗日对偶分解法、贪心迭代演算法以

详 情 说 明

OFDMA多用户资源联合分配与性能优化仿真系统

本系统是一个基于MATLAB开发的OFDMA（正交频分多址）无线资源管理仿真平台。它通过模拟复杂的无线信道环境，实现了多用户场景下的子载波分配、功率调节与比特负载优化。系统旨在平衡通信系统的频谱效率、发射功率以及用户间的公平性，为研究多用户无线资源分配策略提供直观的量化分析工具。

项目核心功能特性

1. 多维资源动态分配 系统能够针对频率选择性衰落信道，动态地在多个用户之间调度子载波资源。支持根据信道状态信息（CSI）实时调整每个子载波上的发射功率，实现资源的精细化管理。

2. 三大核心优化算法实现

• 速率自适应 (RA) 算法：以最大化系统总和速率为目标。系统首先通过信道增益最高准则分配子载波，随后利用经典的水位注水（Water-filling）算法在选定载波间分配总功率。
• 边际自适应 (MA) 算法：以最小化系统总功耗为目标。在满足各用户预设的最小数据速率和目标误码率（BER）约束下，通过贪心策略计算达成速率所需的最低功率支出。
• 比例公平 (PF) 调度算法：旨在兼顾吞吐量与公平性。系统利用滑动窗口维护用户的历史平均速率，通过瞬时速率与平均速率的比值作为调度优先级指标，防止信道条件较差的用户被边缘化。

3. 跨层参数建模 系统考虑了物理层与链路层的多个关键参数，包括目标误码率（BER）对应的SNR Gap建模、子载波带宽、噪声功率谱密度以及多径衰落模型。

4. 自动化性能评估与可视化 内置性能测试模块，可自动遍历不同信噪比（SNR）环境，并生成包含信道增益热力图、功率分布图、系统吞吐量曲线及功耗对比图在内的全方位分析结果。

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系统逻辑与实现细节

1. 仿真环境初始化 程序起始阶段设定了4个用户和64个子载波的典型配置。通过生成6径雷利衰落信道的时域脉冲响应，并进行FFT变换，构建出各用户的频域信道功率增益矩阵。

2. 速率自适应 (RA) 逻辑实现

• 载波分配阶段：遍历所有子载波，将其指派给在该子载波上信道增益最强的用户。
• 注水功率分配：计算等效信道增益（考虑SNR Gap和噪声），对所有选中的子载波进行迭代搜索，寻找最优注水线（Water Level），确保总功率预算得到最优化利用，从而最大化总速率。

3. 边际自适应 (MA) 逻辑实现 程序采用贪心迭代的简化思想，针对每个用户的最小速率需求，计算在当前信道条件下实现目标比特负载所需的最小发射功率。这种模式模拟了典型的高QoS约束场景，即在保证基本通信服务的前提下尽可能节约能源。

4. 比例公平 (PF) 逻辑实现 引入平滑因子和虚拟时间窗口。在分配子载波时，不仅参考当前时刻的信道优劣，还参考用户已获得的累计吞吐量。通过这种动态反馈机制，系统在不同信噪比水平下展现出比纯RA算法更好的用户间均衡性。

5. 性能循环分析逻辑 程序通过在循环中调节噪声功率来模拟0dB至30dB的SNR变化过程。在每个步长下，分别运行RA和PF算法，记录其系统总速率和功率效率数据，最终通过折线图展示不同算法对环境变化的敏感度。

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关键函数与算法说明

• 信道增益计算：利用快速傅里叶变换（FFT）将多径时域增益转化为各子载波的频域响应，为后续调度提供基础数据。
• 注水模型 (Water-filling)：在RA算法中，通过排序和判别准则确定受限功率在非均匀信道上的分布，确保信道条件好的载波获得更多资源。
• SNR Gap 映射：基于目标BER（$10^{-3}$），通过公式 $-log(5 cdot BER)/1.5$ 将复杂的QAM调制性能转化为可计算的信噪比间隔。
• 公平性评价指标：PF算法内部使用的瞬时速率与均值之比，是处理OFDMA系统中“效率-公平”折中的关键逻辑。

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使用方法

1. 启动 MATLAB 软件环境（建议版本为R2020a及以上）。
2. 将包含主程序的脚本文件设置为当前工作目录或添加到搜索路径中。
3. 在命令行窗口直接输入主程序名并回车。
4. 程序将自动执行完整的仿真流程，并弹出可视化窗口，展示四组关键性能图表。
5. 在命令行窗口可以查阅RA、PF算法的最终吞吐量统计数据以及MA算法的总功耗数值。

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系统要求

• 环境指标：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 工具箱依赖：基本系统功能仅需标准 MATLAB 运算功能，无需额外的通信工具箱（代码已手动实现FFT及算法模型）。
• 硬件建议：具备 4GB 以上内存的计算机，以便流畅运行可视化渲染。