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畢業(yè)論文基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼協(xié)作分集技術(shù)研究-資料下載頁

2025-06-28 09:59本頁面
  

【正文】 法,并分析了影響中斷概率的因素。 第五章 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析 仿真平臺(tái)介紹MATLAB (matrix laboratory)語言是當(dāng)今國際上科學(xué)界最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運(yùn)算,并已經(jīng)發(fā)展成一種高度集成的計(jì)算機(jī)語言。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷的與其他程序和語言接口的功能。MATLAB 語言在各國高校與研究單位起著重大的作用。MATLAB是由美國Math Works公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境。它的第1版()發(fā)行于1984年,經(jīng)過10余年的不斷改進(jìn),現(xiàn)在已推出它的Windows 95版本()。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能,包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下,用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。MATLAB提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境,該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣,在生成矩陣對(duì)象時(shí),不要求明確的維數(shù)說明。與利用C語言或FORTRAN語言作數(shù)值計(jì)算的程序設(shè)計(jì)相比,利用MATLAB可以節(jié)省大量的編程時(shí)間。在美國的一些大學(xué)里,MATLAB正成為對(duì)數(shù)值線性代數(shù)以及其他一些高等應(yīng)用數(shù)學(xué)課程進(jìn)行輔助教學(xué)的有益工具。在工程技術(shù)界,MATLAB也被用來解決一些實(shí)際課題和數(shù)學(xué)模型問題。典型的應(yīng)用包括數(shù)值計(jì)算、算法預(yù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證,以及一些特殊的矩陣計(jì)算應(yīng)用,如自動(dòng)控制理論、統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理(時(shí)間序列分析)等。MATLAB系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成,下面分別加以介紹。(1)MATLAB語言體系MATLAB是高層次的矩陣/數(shù)組語言,具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程,完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù),也可以進(jìn)行大規(guī)模編程,開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。(2)MATLAB工作環(huán)境這是對(duì)MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱,包括管理工作空間的變量,數(shù)據(jù)輸入輸出的方式和方法,以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。(3)圖形句柄系統(tǒng)這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ),包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層次MATLAB命令,也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層次MATLAB命令,以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。(4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫這是對(duì)MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱,包括各種初等函數(shù)的算法,也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。(5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API)這是MATLAB為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫,使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用C程序或FORTRAN程序,包括從MATLAB中調(diào)用子程序(動(dòng)態(tài)鏈接),還有讀寫MAT文件的功能。綜上所述,可以看出MATLAB是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng),是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境。除此之外,MATLAB還具有很強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力,與它的主系統(tǒng)一起,可以配置各種各樣的工具箱,以完成一些特定的任務(wù)。目前,Math Works公司推出了18種工具箱。用戶可以根據(jù)自己的工作任務(wù),開發(fā)自己的工具箱。 系統(tǒng)容量仿真 兩用戶協(xié)作分集協(xié)作分集使單天線的用戶能夠互相協(xié)作,形成虛擬天線陣列,從而給傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)新的思路和研究方向。然而協(xié)作分集技術(shù)的引入會(huì)導(dǎo)致接收端復(fù)雜度提升,因此開展關(guān)于協(xié)作方案中的信道估計(jì)以及信號(hào)檢測等方面的研究很有必要。本節(jié)就是通過對(duì)直接傳輸情況下和DF協(xié)作傳輸情況下信道容量的仿真,來證明協(xié)作分集的優(yōu)越性。1. 仿真程序在上一章中我們已經(jīng)分析得出了,直接傳輸和DF協(xié)作傳輸?shù)男诺廊萘康挠?jì)算公式,下面我們就在具體情況下這兩種傳輸方式的信道容量做一計(jì)算。仿真中假設(shè)信道環(huán)境為準(zhǔn)靜態(tài)瑞利平坦衰落信道,信道衰落系數(shù)hij相互獨(dú)立,且服從均值為0,方差為的復(fù)高斯分布,信道噪聲vj[n]為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量,也服從均值為0,方差為N0的復(fù)高斯分布。同時(shí)假設(shè)信源、信宿和中繼之間的距離是相等的。下面我們就當(dāng)衰落因子取不同值時(shí),信道容量的取值做一比較。首先,當(dāng)衰落因子取值為E[hsd]=E[hsr]=E[hrd]=,根據(jù)信道容量的計(jì)算式得出此時(shí)信道容量。直接傳輸情況下信道容量為: 式()DF協(xié)作傳輸情況下信道容量為: 式()然后,我們討論當(dāng)用戶1到基站的信道衰落比較嚴(yán)重,而用戶1到用戶用戶2到基站的信道比較好時(shí)信道容量的取值,此時(shí)衰落因子的取值為:E[hsd]=,E[hsr]=,E[hrd]=。將其帶入信道容量的計(jì)算式得出此時(shí)信道容量。直接傳輸情況下的信道容量為: 式()DF協(xié)作傳輸情況下信道容量為: 式()由以上各式就不同衰落因子下直接傳輸和DF協(xié)作傳輸兩種情況下的信道容量計(jì)算公式可仿真出其信道容量,仿真程序如下:SNRdB=linspace(0,30)。SNR=10.^(SNRdB/10)。hsd1=。hsr1=。hrd1=。CDT1=(1/2)*log2(1+2*(hsd1^2)*SNR)。CDF1=(1/2)*log2(1+(hsr1^2)*SNR)。subplot(2,1,1)plot(SNRdB,CDT1,39。39。,SNRdB,CDF1,39。39。)。xlabel(39。SNR/dB39。)。ylabel(39。信道容量/Mbps39。)。title(39。E[hsd]=E[hsr]=E[hrd]=39。)。legend(39。直接傳輸39。,39。DF協(xié)作傳輸39。)。grid on。hsd2=。hsr2=。hrd2=。CDT2=(1/2)*log2(1+2*(hsd2^2)*SNR)。CDF2=(1/2)*log2(1+(hsd2^2)*SNR+(hrd2^2)*SNR)。subplot(2,1,2)plot(SNRdB,CDT2,39。39。,SNRdB,CDF2,39。39。)。xlabel(39。SNR/dB39。)。ylabel(39。信道容量/Mbps39。)。title(39。E[hsd]= E[hsr]= E[hrd]=39。)。legend(39。直接傳輸39。,39。DF協(xié)作傳輸39。)。grid on。2. 仿真結(jié)果及分析對(duì)上節(jié)給出的程序進(jìn)行MATLAB仿真,可得仿真結(jié)果如下:[hsd]=E[hsr]=E[hrd]=,直接傳輸與DF協(xié)作傳輸兩種情況下信道容量的比較;[hsd]=,E[hsr]=,E[hrd]=,直接傳輸與DF協(xié)作傳輸兩種情況下信道容量的比較。 不同衰落因子下直傳與協(xié)傳的信道容量比較由上面的仿真結(jié)果可得,當(dāng)用戶1到基站的信道和用戶1到用戶2再到基站的信道衰落情況差不多時(shí),直接傳輸比DF協(xié)作傳輸?shù)男诺廊萘看螅欢?dāng)用戶1到基站的信道發(fā)生明顯衰落,此時(shí)用戶1到用戶2再到基站的信道較好時(shí),選擇協(xié)作傳輸能有效的提高信道容量??偟膩碚f,在等距離的情況下,無論是直接傳輸還是DF協(xié)作傳輸,信道容量隨著SNR的增加而明顯增加,但當(dāng)SNR增加到一定成度時(shí),其對(duì)應(yīng)的信道容量曲線趨于水平。 多中繼協(xié)作分集1. 仿真程序目前,多中繼協(xié)作分集技術(shù)是協(xié)作分集技術(shù)研究的重點(diǎn)。由上一章中,多中繼情況下協(xié)作分集的信道容量的計(jì)算公式可以看出,影響信道容量的主要因素是中繼的個(gè)數(shù)和衰落因子的取值。在本節(jié)中,首先我們假設(shè)衰落因子為一定值,取值為E[hsd]=,E[hsr]=,E[hrd]=;然后,我們就在中繼個(gè)數(shù)分別取10和30兩種情況下,多中繼重復(fù)編碼和空時(shí)編碼這兩種編碼方式的信道容量做一比較。仿真程序如下:SNRdB=linspace(0,30)。SNR=10.^(SNRdB/10)。hsd=。hsr=。hrd=。m1=10。Crep1=(1/m1)*log2(1+(hsr^2)*SNR)。Cstc1=(1/2)*log2(1+(2/m1)*(hsr^2)*SNR)。subplot(2,1,1)plot(SNRdB,Crep1,39。39。,SNRdB,Cstc1,39。39。)xlabel(39。SNR/dB39。)。ylabel(39。信道容量/Mbps39。)。title(39。中繼個(gè)數(shù)m=1039。)。legend(39。重復(fù)編碼39。,39。空時(shí)編碼39。)。grid on。m2=30。Crep2=(1/m2)*log2(1+(hsr2^2)*SNR)。Cstc2=(1/2)*log2(1+(2/m2)*(hsr^2)*SNR)。subplot(2,1,2)plot(SNRdB,Crep2,39。39。,SNRdB,Cstc2,39。39。)。xlabel(39。SNR/dB39。)ylabel(39。信道容量/Mbps39。)。title(39。中繼個(gè)數(shù)m=3039。)。legend(39。重復(fù)編碼39。,39??諘r(shí)編碼39。)。grid on。2. 仿真結(jié)果及分析對(duì)上述MATLAB程序進(jìn)行仿真可得,在中繼個(gè)數(shù)取不同值時(shí)重復(fù)編碼和空時(shí)編碼兩種情況下的信道容量。=10時(shí)重復(fù)編碼和空時(shí)編碼的信道容量比較,=30時(shí)重復(fù)編碼和空時(shí)編碼的信道容量比較。 不同中繼個(gè)數(shù)下重復(fù)編碼和空時(shí)編碼的信道容量的比較由上圖可得出以下兩個(gè)結(jié)論:(1)當(dāng)信噪比和衰落因子一定的情況下,隨著中繼個(gè)數(shù)的增加信道容量有輕微的減小,這與理論結(jié)果相符。例如,當(dāng)SNR=15dB時(shí),中繼個(gè)數(shù)m=,而中繼個(gè)數(shù)m=。(2)當(dāng)中繼個(gè)數(shù)和衰落因子一定的情況下,隨著信噪比的增加信道容量有明顯的提高,但當(dāng)SNR增加到一定程度時(shí),信道容量曲線趨于水平。并且與重復(fù)編碼相比,空時(shí)編碼情況下的信道容量高的多,這說明空時(shí)編碼的性能比重復(fù)編碼的好,這也與理論結(jié)果相一致。 中斷概率仿真與信道容量一樣,中斷概率也是判斷數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的一個(gè)重要因素。本節(jié)就通過對(duì)兩用戶協(xié)作與多中繼協(xié)作傳輸兩種情況下中斷概率的仿真來說明協(xié)作傳輸對(duì)信道傳輸質(zhì)量的提高。 兩用戶協(xié)作分集1. 仿真程序與上節(jié)分析過程相似,首先我們假設(shè)信道環(huán)境為準(zhǔn)靜態(tài)瑞利平坦衰落信道,信道衰落系數(shù)hij相互獨(dú)立,且服從均值為0,方差為的復(fù)高斯分布,信道噪聲vj[n]為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量,且服從均值為0,方差為N0的復(fù)高斯分布。此時(shí),設(shè),系統(tǒng)的目標(biāo)速率R=1bit/s/Hz。將這些參數(shù)代入中斷概率計(jì)算公式中分別計(jì)算直接傳輸和DF協(xié)作傳輸情況下的中斷概率。直接傳輸情況下的中斷概率為: 式()DF協(xié)作傳輸情況下的中斷概率為: 式()根據(jù)以上兩式可得在直接傳輸和DF協(xié)作傳輸情況下的中斷概率,仿真程序如下:SNRdB=linspace(20,30)。SNR=10.^(SNRdB/10)。PDT=1./SNR。PDF=3./SNR。plot(SNRdB,PDT,39。39。,SNRdB,PDF,39。39。)。xlabel(39。SNR/dB39。)。ylabel(39。中斷概率39。)。legend(39。直接傳輸39。,39。DF協(xié)作傳輸39。)。grid on。2. 仿真結(jié)果及分析,系統(tǒng)的目標(biāo)速率R=1bit/s/Hz時(shí),直接傳輸與DF協(xié)作傳輸情況下中斷概率的仿真結(jié)果。從圖中可以看出,對(duì)于直接傳輸和DF協(xié)作傳輸,隨著SNR的增加,中斷概率有明顯的下降,而且DF協(xié)作傳輸比直接傳輸下降的更加明顯。當(dāng)SNR增加到足夠大時(shí),中斷概率接近于0。不過值得指出的是,DF協(xié)作傳輸性能比非協(xié)作的直傳模式還差,這是由DF協(xié)作傳輸?shù)闹欣^錯(cuò)誤傳播造成的。 直接傳輸與DF協(xié)作傳輸?shù)闹袛喔怕时容^ 多中繼協(xié)作分集1. 仿真程序?qū)τ诙嘀欣^協(xié)作分集中斷概率的研究與信道容量的研究過程相似,首先我們考慮影響中斷概率的因素有哪些。根據(jù)對(duì)重復(fù)編碼和空時(shí)編碼兩種情況下中斷概率的公式分析可得,其大小由信噪比、總的中繼個(gè)數(shù)、參與轉(zhuǎn)發(fā)的中繼個(gè)數(shù)和目標(biāo)速率等決定。我們假設(shè)系統(tǒng)的目標(biāo)速率R=1bit/s/Hz,并且假設(shè)每個(gè)中繼到信宿的信道參數(shù)都相等,其值定為=。本節(jié)我們主要研究當(dāng)總的中繼個(gè)數(shù)為5的情況下,參與轉(zhuǎn)發(fā)的中繼個(gè)數(shù)分別為3和2兩種情況下重復(fù)編碼和空時(shí)編碼的中斷概率的仿真,仿真程序如下:SNRdB=linspace(20,30)。SNR=10.^(SNRdB/10)。m=5。DS1=2。Prep1=((2^m1)./SNR).^(mDS11)*^(mDS1)。Pstc1=((2^21)./(2*SNR/m)).^(mDS11)*^(mDS1)。subplot(2,1,1)plot(SNRdB,Prep1,39。39。,SNRdB,Pstc1,39。39。)xlabel(39。SNR/dB39。)。ylabel(39。中斷概率39。)。title(39。參與轉(zhuǎn)發(fā)的中繼個(gè)數(shù)為2時(shí)39。)。legend(39。重復(fù)編碼39。,39??諘r(shí)編碼39。)。grid on。DS2=3。Prep2=((2^m1)./SNR).^(mDS21)*^(mDS2)。Pstc2=((2^21)./(2*SNR/m)).^(mDS21)*^(mDS2)。subplot(2,1,2)plot(SNRdB,Prep2,39。39。,SNRdB,Pstc2,39。39。)xlabel(39。SNR/dB39。)。ylabel(39。中斷概率39。)。title(39。參與轉(zhuǎn)發(fā)
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