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。

% 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。

% 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。

% 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。

% 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。

% 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。