基于matlab的D2D 功率控制仿真

news2025/5/21 2:23:30

基于MATLAB的D2D（Device-to-Device）功率控制仿真示例，包含系统建模、功率控制算法实现和性能分析。该仿真以蜂窝网络为背景，重点关注D2D用户间的干扰管理和功率优化。

1. 系统模型与参数设置

clc; clear; close all;

%% 参数配置
params = struct();
params.N_cell = 1;          % 小区数量（单小区仿真）
params.cell_radius = 500;   % 小区半径（米）
params.d2d_pairs = 3;       % D2D用户对数量
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）

% 频率与带宽
params.fc = 2e9;            % 载波频率（Hz）
params.BW = 1e6;            % 带宽（Hz）

2. 信道建模

2.1 路径损耗与阴影衰落

function h = get_channel_distance(tx, rx)
    % 计算距离（米）
    d = norm(rx.position - tx.position);
    % 路径损耗模型（3GPP TR 38.901 UMa）
    PL = 20*log10(4*pi*d*params.fc/3e8) + 20*log10(1.0); % 自由空间路径损耗
    PL = PL + 2.7 + 40*log10(d/1000) + 20*log10(params.fc/2e9); % UMa模型修正
    % 阴影衰落（正态分布）
    shadow = params.shadowing_std * randn();
    h = 10^((PL + shadow)/20); % 转换为线性值
end

2.2 生成D2D用户位置

% 基站位置（小区中心）
bs_pos = [0, 0];

% 生成蜂窝用户（均匀分布）
cell_users = cell(params.N_cell, 1);
for i = 1:params.N_cell
    cell_users{i}.position = bs_pos + params.cell_radius * (2*rand(1,2)-1);
end

% 生成D2D用户对（靠近蜂窝用户）
d2d_pairs = struct('tx', {}, 'rx', {});
for i = 1:params.d2d_pairs
    % D2D发射机靠近蜂窝用户
    d2d_tx = cell_users{1}.position + 10 * (2*rand(1,2)-1);
    % D2D接收机在附近
    d2d_rx = d2d_tx + 5 * (2*rand(1,2)-1);
    d2d_pairs(i).tx.position = d2d_tx;
    d2d_pairs(i).rx.position = d2d_rx;
end

3. 功率控制算法

3.1 基于SINR的闭环功率控制

function pwr = power_control(snr_current, pwr_prev, target_snr, max_pwr)
    % 闭环功率控制：调整发射功率以逼近目标SINR
    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
        % 比例积分控制器
        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

3.2 SINR计算

function sinr = calculate_snr(tx, rx, interferers, pwr_tx)
    % 计算链路增益
    h_d2d = get_channel_distance(tx, rx);

    % 干扰计算（蜂窝用户下行链路）
    interference = 0;
    for i = 1:length(interferers)
        h_interf = get_channel_distance(interferers(i).tx, rx);
        interference = interference + 10^(interferers(i).pwr/10) * h_interf^2;
    end

    % 接收信号功率（线性）
    signal_power = 10^(pwr_tx/10) * h_d2d^2;

    % 噪声功率（线性）
    noise = 10^(params.noise_power/10);

    % 计算SINR（线性）
    sinr_linear = signal_power / (interference + noise);
    sinr = 10*log10(sinr_linear); % 转换为dB
end

4. 仿真主循环

%% 初始化
snr_history = zeros(params.d2d_pairs, 100); % 记录SINR历史
power_history = zeros(params.d2d_pairs, 100);

%% 迭代功率控制（100次时隙）
for iter = 1:100
    % 每个D2D对的功率控制
    for pair_idx = 1:params.d2d_pairs
        tx = d2d_pairs(pair_idx).tx;
        rx = d2d_pairs(pair_idx).rx;

        % 获取干扰源（蜂窝用户）
        interferers = cell_users;

        % 计算当前SINR
        current_snr = calculate_snr(tx, rx, interferers, []);

        % 更新发射功率
        if iter == 1
            pwr = power_control(current_snr, [], params.target_snr, params.ptx_max);
        else
            pwr = power_control(current_snr, power_history(pair_idx, iter-1), ...
                                params.target_snr, params.ptx_max);
        end

        % 应用功率并记录
        power_history(pair_idx, iter) = pwr;
        snr_history(pair_idx, iter) = current_snr;
    end
end

5. 性能分析

5.1 SINR收敛性

figure;
for pair_idx = 1:params.d2d_pairs
    plot(1:100, snr_history(pair_idx,:), '-o');
    hold on;
end
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;

5.2 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]);