带中继节点的蜂窝小区通信系统matlab仿真,输出吞吐量,功耗以及能效等

1.算法仿真效果

matlab2022a仿真结果如下：

2.算法涉及理论知识概要

        早期的移动通信是大区制，也就是在一个区域内建一个基站，且尽可能地提高该基站的信号覆盖范围，这种方法的好处是实现容易，设备简单，但由于受功率和频谱资源限制，系统容量有限，而且扩大容量很困难。因此后来人们提出了小区的方法，即将一个区域划分成很多小的区域，即小区，每个小区用一个基站来进行信号覆盖，相邻的小区使用不同的频率避免干扰，而相隔较远的小区由于基站功率有限，可以使用相同的频率且干扰程度很低，不足以对两个小区用户的通信质量产生致命的影响，这样就实现了频谱复用，大大提高了频谱资源利用率，在相同的频谱和带宽资源下，相比较大区制的方法，由于频谱的复用，系统容量得到很大的提升。

        这种小区划分区域的方法使得整个区域看起来像由很多蜂巢组成，因此小区又被称之为蜂窝小区。为了实现在整个区域内各个小区之间的无缝覆盖，即用户在区域内所有地方的通信质量不受影响，各个基站之间用移动交换中心进行控制和联络，移动交换中心不仅必须确切的知道每个用户在区域中的位置，当用户从一个小区移动到另外一个小区后，移动交换中心还要实施位置切换，将用户的信息从一个小区切换到另外一个小区，当然移动交换中心还要根据业务需要，不断在各个基站之间发送控制指令和信息，由此可见小区制较之大区制在设备和技术上都要复杂得多，成本和投资也较大，但随着电子技术和计算机技术的发展，无论是硬件还是软件解决这些复杂问题都已日渐成熟，因此小区制的优点已远远胜过了它的缺点。

         目前由于业务的需要，对小区覆盖不到的地方人们又提出了微小区（微蜂窝小区）的技术，与之相比，通常的小区就称之为宏小区（宏蜂窝小区）。微小区的发射功率小，覆盖范围也小，一般用于如地下室、隧道等宏小区覆盖不到的地方，作为无线覆盖的一种补充，同样的思路，还有微微小区的技术，它的功率更小，通常用于覆盖会议室等通信“热点”区域。除此之外，目前智能小区的技术也已发展起来，它是指使用智能天线的基站所产生的信号小区。智能小区除了具有通常小区的优点之外，还具备智能天线所带来的优点，例如载荷均衡方面，它可以利用智能天线的自适应特性智能判定用户位置，根据实际情况调整发送给用户的信号功率大小，以及利用智能天线的定向波束确定用户信号方向，从而有效抑制干扰信号等功能。目前智能小区的技术已经在基于LTE技术的4G网络中得到应用和发展。

       为了使移动通信系统的业务容量最大，同时使移动台在各种速度时切换最少，除了最大限度地提高频谱效率外，对于移动台诸如移动特性、输出功率及所用业务类型等不同参数，使用不同类型的蜂窝可能是有利的。同一地理区域同时运用不同类型的蜂窝是可能的。

       根据小区覆盖的大小，蜂窝大体可分成巨区、宏区、微区及微微区，这些蜂窝类型的一些参数包括蜂窝小区半径、终端速度、安装地点、运行环境、业务量密度和适应系统。小区半径决定了无线电可靠的通信范围，它与输出功率、业务类型、接收灵敏度、编码及调制等有关，终端速度为基站与移动台的相对速度，与移动特性有关，其大小决定了区间切换的次数，基站的安装高度与蜂窝半径有关．半径越大安装高度也越大。

       蜂窝小区是GSM网获取位置信息来实现位置服务的主要定位技术。它是基于Cell-ID的定位技术，是美国E911无线定位呼叫的第一阶段采用的技术，也是在无线网络中应用最广泛的定位技术。这种技术不需要对手机或网络做较大的改动，因此能够在现有手机的基础上构造位置查找系统。它通过采集移动台所处的小区识别号（Cell-ID号）来确定用户的位置。只要系统能够采集到移动台所在小区基站在地图上的地理位置，以及小区的覆盖半径，则当移动台在所处小区注册后，系统就会知道移动台处于哪一小区。这种技术的定位精度取决于所在小区的半径，如在北京市区，基站密度较高，COO定位精度可以达到200米左右；而在郊区，基站密度较低，COO定位精度只能达到一两公里。

        针对单个D2D链路与单个蜂窝链路复用相同资源的情况，Doppler[9]等以最大化吞吐量的方式进行资源优化分配，并同时保证蜂窝用户QoS需求。对多个D2D链路与多个蜂窝链路进行资源复用，全網吞吐量最大的方法，为保障蜂窝用户和D2D用户的QoS需求，通过接入控制、功率分配及二部图的最大权值匹配三个步骤进行资源优化分配。上述文献及其发展方法虽能使得系统吞吐量达到最大，且满足D2D用户和蜂窝用户的QoS需求，但未考虑D2D链路复用蜂窝链路带来的容量变化，也未考虑复用D2D势必会导致蜂窝用户性能恶化的影响。

3.MATLAB核心程序

 
Max_People  = 10;
Step_People = 1;
Min_People  = 2;
pp          = 1; 
for nNumofUserPerSector = Min_People:Step_People:Max_People
    nNumofUserPerSector
    global testbler;
    RelayUser_Scheduled              = [];
    testbler                         = [];
    SS                               = [];
 %定义整个系统所涉及到的变量 
    dSimulationTime                  =             2;       % 仿真TTI数200
    dKmCiteToCiteDistance            =             0.5;     % 基站间距离 km
    dCellRadius                      =             dKmCiteToCiteDistance/sqrt(3);  % 小区半径
    dKmMinDistance                   =             0.035;   % 用户和基站间的最小距离 km
    nNumofCell                       =             19;      % 系统中的小区数19
    nNumofSector                     =             nNumofCell*3;  % 系统中的扇区数
       
    nTotalNumofUser                  =             nNumofSector*nNumofUserPerSector;   % 系统内总用户数
    dwBsTransmitPower                =             40;      % 基站总发送功率 W (46dBm)
    dwRNTransmitPower                =             2;       % 中继总发送功率 W (33dBm)
    dwMsTransmitPower                =             0.25;    % 移动台发送功率 W
    ddBBSNoisefigure                 =             5;       % 基站热噪声指数 dB
    ddBUENoisefigure                 =             7;       % 移动台热噪声指数 dB
    ddBRNNoisefigure                 =             6;       % 中继热噪声指数 dB
    ddBmThermalNoise                 =             -174;    % 热噪声指数 dBm/Hz
    dHzSubcarrierBandWidth           =             15000;   % 子载波带宽 Hz
    dMHzCarrierFrequency             =             2000;    % 载波频率 MHz
    dUserVelocity                    =             0;       % 用户移动速度 km/h
    ddBShadowFadingStdBS2UE          =             8;       % 阴影衰落标准差BS2UE dB
    ddBShadowFadingStdBS2RN          =             3.4;     % 阴影衰落标准差BS2RN dB (16j中为3.4dB,LTE-A中为6dB）
    ddBShadowFadingStdRN2UE          =             10;      % 阴影衰落标准差RN2UE dB
    dShadowFadowCorrelation          =             0.5;     % 阴影衰落相关系数
    ddBBSTransmitAntennaGain         =             14;      % BS发送天线增益 dB
    ddBRNCoverageAntennaGain         =             5;       % RN覆盖天线增益 dB
    ddBRNDonorAntennaGain            =             23;      % RN施主天线增益 dB
    ddBUEReceiveAntennaGain          =             0;       % UE接收天线增益 dB
    ddBPenetrationLoss2UE            =             20;      % 到UE的穿透损耗 dB
    ddBPenetrationLoss2RN            =             0;       % 到RN的穿透损耗 dB
    dwPerSubcarrierWhiteNoise        =             10^((ddBmThermalNoise-30)/10)*dHzSubcarrierBandWidth;   % 每个子载波上的白噪声 W
    dBER_Target                      =             10^(-1); % 目标误比特率
    dSNR_gap                         =             -log(5*dBER_Target)/1.5;                                                      % Tao
.......................................................................................
 
figure(4);
%计算平均用户吞吐量
MM = Min_People*nNumofSector:Step_People*nNumofSector:Max_People*nNumofSector;
plot(MM,Plot_AvrgThroughput2,'-bs',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',7,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.0,0.9,0.0]);