基于MATLAB的大规模MIMO信道仿真

1. 系统模型与参数设置

以下是一个单小区大规模MIMO系统的参数配置示例,适用于多发多收和单发单收场景。

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% 参数配置
params.N_cell = 1;          % 小区数量(单小区仿真)
params.cell_radius = 500;   % 小区半径(米)
params.N_tx = 64;           % 基站发射天线数量
params.N_rx = 1;            % 用户接收天线数量(单发单收)
params.d2d_pairs = 3;       % D2D用户对数量(可选)
params.ptx_max = 30;        % 最大发射功率(dBm)
params.noise_power = -114;  % 噪声功率(dBm)
params.target_snr = 6;      % 目标SINR(dB)
params.path_loss_exp = 3.5; % 路径损耗指数
params.shadowing_std = 4;   % 阴影衰落标准差(dB)
params.fc = 2e9;            % 载波频率(Hz)
params.BW = 1e6;            % 带宽(Hz)
2. 信道模型

采用块衰落信道模型,信道在长度为T符号的相干间隔内保持静态。

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% 信道模型
function H = generate_channel(N_tx, N_rx, path_loss_exp, shadowing_std)
    % 生成瑞利衰落信道
    H = (randn(N_rx, N_tx) + 1j*randn(N_rx, N_tx)) / sqrt(2);
    % 应用路径损耗和阴影衰落
    path_loss = 10^(-path_loss_exp / 10);
    shadowing = 10^(shadowing_std * (randn(N_rx, 1) / sqrt(2)));
    H = H .* (path_loss * shadowing);
end
3. 功率控制算法

基于SINR的闭环功率控制算法。

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% 功率控制算法
function pwr = power_control(snr_current, pwr_prev, target_snr, max_pwr)
    if isempty(pwr_prev)
        pwr = min(max_pwr, 10^(target_snr/10)); % 初始功率设为目标SINR对应值
    else
        error = target_snr - snr_current;
        pwr = pwr_prev + 0.5 * error;
        pwr = max(min(pwr, max_pwr), 0); % 限制功率范围
    end
end
4. 仿真主循环

仿真大规模MIMO系统中的单播和多播传输。

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% 仿真主循环
snr_history = zeros(params.d2d_pairs, 100); % 记录SINR历史
power_history = zeros(params.d2d_pairs, 100);

for iter = 1:100
    for pair_idx = 1:params.d2d_pairs
        % 生成信道
        H = generate_channel(params.N_tx, params.N_rx, params.path_loss_exp, params.shadowing_std);
        % 计算当前SINR
        snr_current = calculate_snr(H, power_history(pair_idx, iter-1), params.noise_power);
        % 更新发射功率
        power_history(pair_idx, iter) = power_control(snr_current, power_history(pair_idx, iter-1), params.target_snr, params.ptx_max);
        % 记录SINR
        snr_history(pair_idx, iter) = snr_current;
    end
end
5. 性能分析

分析SINR收敛性和发射功率分布。

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% SINR收敛性
figure;
plot(snr_history');
xlabel('迭代次数');
ylabel('SINR (dB)');
title('D2D用户SINR收敛性');
legend(arrayfun(@(x) sprintf('D2D对%d', x), 1:params.d2d_pairs, 'UniformOutput', false));
grid on;

% 发射功率分布
figure;
histogram(power_history(:), 0:params.ptx_max/5:params.ptx_max);
xlabel('发射功率 (dBm)');
ylabel('样本数');
title('D2D用户发射功率分布');
xlim([0 params.ptx_max]);
6. 扩展方向
  • 多小区场景:扩展至多小区环境,研究跨小区干扰。

  • 开环功率控制:对比闭环与开环(固定功率)的性能差异。

  • 虚拟MIMO:在虚拟MIMO系统中,多个终端和基站构成多发多收模式。

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