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基于matlab的D2D 功率控制仿真

article 2025/9/13 21:00:42

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_cellcell_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SINRif 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_pairstx = 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SINRcurrent_snr = calculate_snr(tx, rx, interferers, []);% 更新发射功率if iter == 1pwr = power_control(current_snr, [], params.target_snr, params.ptx_max);elsepwr = 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_pairsplot(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]);