大规模MIMO多用户双向中继系统的物理层安全性能分析

对大规模多输入多输出(multiple input and multiple out,MIMO)多用户双向中继网络的物理层安全性能进行分析。系统模型中假设窃听节点可以获取第一跳用户发送信号和第二跳中继发送信号,分析大规模MIMO中继采用最大比合并和最大比传输信号处理时的系统保密速率,进一步推导出中继天线数趋于无穷时的系统渐近保密速率表达式,并进行仿真验证。理论分析和仿真结果显示,即使在不采用专门的物理层安全技术时,大规模MIMO双向中继系统也能获得可观的保密速率。证明即使当窃听节点具备多用户干扰消除能力时,通过设置合理的用户和中继发送信号功率,大规模MIMO双向中继系统仍然具有较好的物理层安全性能。     

大规模MIMO-NOMA双向中继认知系统物理层安全研究

针对基于中继辅助传输的认知无线电-非正交多址(CR-NOMA)系统中，频谱利用率低及安全性较差的缺点，提出将大规模多输入多输出(MIMO)技术应用到基于双向中继的CR-NOMA网络中，使两组认知非正交多址(NOMA)用户在双向中继的协助下交换信息.在不完全信道状态信息的约束下，推导出受发射功率、信道估计误差和天线数量影响的安全中断概率的闭合表达式.仿真结果表明，随着中继天线数量的增加，安全中断概率收敛到特定数值，同时可得到复杂度较低且安全性能最优天线数量.     

基于正交空间调制的多天线中继MIMO系统性能研究

为了在传统空间调制的基础上进一步提高无线中继MIMO通信系统的传输可靠性,本文设计了基于正交空间调制的多天线中继MIMO通信系统的传输方案,并对所设计的中继MIMO系统采用放大转发和译码转发两种中继传输协议.在系统的每个传输时隙,源节点与中继节点、中继节点与目的节点间均采用正交空间调制技术.仿真实验在瑞利平坦衰落信道下,以4QAM调制方式为例,结合不同协议下信号估计值表达式进行.实验结果表明:在系统天线配置相同时,基于正交空间调制的多天线中继MIMO系统比传统空间调制的中继MIMO系统的误码性能有明显的提高.     

混合RF/ FSO 中继系统中断性能研究

为准确评价混合射频/ 自由空间光通信(RF/ FSO: Radio鄄Frequency/ Free Space Optics) 中继系统性能,利用Meijer's G 函数推导得到混合RF/ FSO 中继系统端到端中断概率闭合解析表达式。该混合RF/ FSO 中继系统采用放大转发中继、RF(Radio Frequency)双天线发射技术。RF 信道衰落服从Rayleigh 分布, FSO(Free Space Optics)信道衰落服从M 分布。蒙特卡洛仿真验证了推导结果的准确性。     

大规模MIMO信号检测算法研究

大规模MIMO技术通过增加基站天线数大幅提高系统频谱效率和能量效率,是未来5G移动通信网络的关键技术。文中在大规模MIMO系统模型下,对多种信号检测算法进行仿真,研究其性能,对大规模MIMO技术的实际应用具有一定的指导意义。对仿真结果的分析表明,当基站天线数远远大于用户数时,简单的线性信号检测算法也能达到很好的系统性能。     

多天线中继协助的终端直连通信传输方案设计

为了提高蜂窝通信系统的传输效率,一种多天线中继协助的D2D通信链路(MIMO relay aided-D2D,MRA-D2D)的方案被提出。该项研究通过分析中继天线数目、干扰源、接收端之间的距离和功率等信息,设计了MIMO多天线中继协助D2D传输方案的能量效率与通信链路性能的关联表达式。研究结果表明:采用多天线中继辅助,不仅可以通过提高天线数目来提高MRA-D2D链路的接收信干噪比,还可有效提高系统的能量效率;并证明了单纯的提高发射功率并不能提高系统的能量效率。     

双向中继网络多对大规模MIMO系统安全性研究

在配备有大量天线的多对大规模多输入多输出(MIMO)系统中,研究了多个用户通过双向中继网络交换消息的安全问题.首先,推导出用户的安全容量表达式;然后,通过分析结果,讨论信道容量、天线数和用户对数之间的数学关系,得出系统安全容量的近似表达式.仿真结果表明:当中继的传输功率和用户发射功率远远大于噪声功率时,安全容量与天线数量成正比,与干扰用户对数成反比.     

两跳OSTBC传输的通信性能分析

考虑信源有多根天线、中继和终端均只有单根天线的两跳中继转发系统。为了获得空间分集,信源利用了正交空时分组编码的发射策略。为了尽可能简化中继配置的复杂度,中继采用固定增益放大转发的协议。导出了瑞利衰落下系统中断概率和误码率的封闭表达式,并通过计算机仿真和数值结果的比较,验证了理论导出表达式的精确性。     

大规模天线全双工双向中继系统的干扰分析

针对全双工中继的残留回路干扰(RLI)和大规模多输入多输出(Massive MIMO)的导频污染问题,研究了一个多对用户的全双工双向中继系统,其中用户均为单天线,中继对信号进行最大比合并/最大比发射波束赋形,信道估计阶段使用长度为τ的导频序列,且τ=K.理论分析得出,当中继的收发天线数均趋于无穷大时,全双工中继的RLI和导频污染同时趋于零,并且用户对之间干扰和噪声均被消除.仿真结果证实了上述理论分析,并且随着中继天线数的增大,系统的频谱效率和能量效率将逐渐提高.进一步仿真表明,当中继的收发天线数大于160时,全双工双向中继系统的频谱效率优于半双工双向中继系统,继而优于全双工单向中继系统,并且优势随着天线数的增大更为显著.因此,大规模天线的全双工双向中继相较传统的中继系统具有更好的通信效率.     

一种无线携能通信系统中的中继协议

无线携能通信技术的出现为解决节点能量受限问题提供了可能性。在无线携能通信系统中,中继节点通过无线射频(RF)信号获得能量,利用所获得的能量来转发信息。本文研究了基于放大转发(AF)中继的三节点无线携能通信系统,考虑中继端电路能耗的存在,在功率分配(PS)中继协议的基础上提出了开关型功率分配(OPS)中继协议,并推导了该协议下系统中断概率与吞吐量的表达式。仿真结果表明:在该协议下,系统的中断概率与中继端电路能耗无关,系统的吞吐量随着电路能耗的增大而降低。     

能量收集高斯窃听信道的安全速率与中断性能

针对无线网络存在安全威胁和能量受限的问题,讨论了基于ST协议的能量收集型高斯窃听信道的安全通信问题。首先,给出了ST协议的模型;其次,以最大化安全速率为目标函数,得到了最优的能量吸收速率和能量吸收比;最后,分析了系统安全速率大于零的概率和安全中断概率。仿真表明,与半能量吸收比方案相比,优化方案明显提高了系统的安全速率并降低了安全中断概率。     

MIMO系统发射端多天线选择保障物理层安全传输

针对MIMO系统信号传输策略中单天线选择方案在增大系统保密容量方面存在的局限性,本文提出发射端多天线选择方案以保障物理层安全通信。文中首先在已知全局信道状态信息的理想条件下讨论最优多天线选择方案;然后考虑较为实际的情况,即在未知窃听方信道状态信息条件下提出次优多天线选择方案;最后,为改进次优方案在低信噪比条件下系统保密容量较小的不足,提出次优多天线选择发射功率分配方案。通过理论推导保密容量表达式和数值分析,结果表明,与现有单天线选择方案相比,所提的多天线选择方案有效地提高了系统的保密容量。     

基于网络编码的双向中继系统中断性能分析

研究了频率非选择性瑞利衰落信道中,基于网络编码的双向中继系统的中断性能问题。基于放大重传(Amplify-and-Forward,AF)和联合解码重传(Joint Decode-and-Forward,JDF)机制,在瑞利衰落信道环境下,通过理论分析得出一般情况下的节点和系统中断概率解析式。在此基础上完成了数值仿真实验,结果表明在小信噪比情况下,JDF的中断性能优于AF系统;在大信噪比情况下,AF的中继性能将超过JDF系统的中断性能;随着信噪比以及信道不对称度的增加,AF和JDF系统的中断性能将趋于相同。此外,研究还发现,当速率大于0.5 bit/s.Hz时,JDF系统的中断性能急剧下降。     

非完美CSI下大规模MIMO DF中继多用户对全双工通信系统性能研究

通过解码转发（DF）协议中继,研究了在非完美信道状态信息（CSI）下,多用户对双向全双工通信系统的性能.通过配备大量天线,可以大大增加通信系统的频谱效率（SE）.对到达中继端的信号采用迫零（ZF）线性接收处理并预编码,推导了SE的近似表达式,提出了与天线数量相关的功率缩放定律,讨论了在导频功率固定和变化条件下缩放因子的取值.所提的功率缩放定律可以在保持稳定的频谱效率的同时,将发射功率降低.研究了在非完美信道状态信息下,经过解码转发协议中继的多用户对双向全双工通信系统的性能.     

多用户大规模 MIMO 系统中能效的研究

针对多用户下行大规模多输入多输出（multiple input multiple output ,MIMO）无线通信系统,提出一种基于能效的联合优化方案。该方案在采用同时考虑发射功耗和电路功耗的功耗模型以及迫零（zero forcing ,ZF）预编码的情况下,推导出天线数、天线子集以及发射功率与系统能效之间的关系式,从而建立联合优化天线数,天线子集和发射功率的能效优化模型,并提出一种新的迭代搜索算法来求解此模型。该迭代算法首先对天线数进行遍历,当天线数确定后,采用基于信道矩阵范数的天线选择算法进行天线子集的选取,随后利用凸优化理论来调整发射功率,不仅提高了系统能效而且降低了算法复杂度。仿真结果表明,与使用全部天线和只考虑天线数的方案相比,所提联合优化方案的能效有明显的提高。     

基于定向天线和机会中继的DF协作通信系统性能分析

定向天线(directional antenna,DA)的电磁波波束具有较小的成型角度,仅能覆盖某一方向上的通信节点,相比全向天线(omni-directional antenna, ODA),具有方向性好、功率增益大、传输距离远以及满足军事通信射频隐身等优点。协作通信技术通过节点间的相互辅助,对抗信道衰落,实现协作分集。为了实现有限节点间如车间、船间且需要采用定向天线的可靠通信,提出了将定向天线和采用解码转发型最佳中继选择的机会中继协作策略(opportunistic relaying,OR)相结合的解决方案,在此基础上推导出相应的通信系统中断概率理论公式,并对中断概率和信噪比、中继节点数、天线增益以及信道衰落系数之间的关系进行了数值仿真分析,以及和全向天线系统进行了比较分析。理论分析和仿真结果表明：在有限节点间定向通信中,采用定向天线的协作通信系统性能与各节点定向天线增益、信道质量和功率分配方式密切相关,适合在小信噪比及深衰落信道环境下采用。最后,进一步分析得出最优功率分配(Optimal power allocation, OPA)比平均功率分配(average power allocation,APA)性能更优。     

大规模 MIMO 蜂窝网与 D2D 混合网络物理层安全性能研究

随着量子计算机等计算设备的飞速发展,传统的加密技术正面临着挑战;由于物理层安全充分利用了无线信道的特性,其被认为是一种有效的解决方案.为此,提出了一种安全的混合网络模型,其中,端到端(device-to-de-vice,D2D)网络覆盖于大规模多入多出(multiple-input multiple-output,MIMO)宏蜂窝之上,被动的恶意窃听者(eavesdropper,Eve)能够窃听所有的无线信道;同时,为了提高能量效率,D2D发射机不仅可以从专用的PB(powerbeacon)收集能量,还可以从附近的射频干扰信号中收集能量.对此混合网络模型,假设所有网络元素的位置都服从独立泊松点过程,利用随机几何,得到了任一D2D发射机采集足够能量的概率;基于此概率,获得了蜂窝网用户和D2D用户的各态历经速率和安全中断概率.结果表明,由于D2D发射机可以从周围的射频干扰信号中采集能量,系统的能量效率得到显著提升,同时将专用PB的信号视作一种人工噪声,有效地提高了网络的安全性能.     

Impacts of feedback delay and estimation error on secrecy performance of MISO single eavesdropper cognitive radio networks

Due to the broadcast nature of wireless transmission medium,security threats may hinder propagation of cognitive radio systems for commercial and military data application. This paper sets a channel error analytical framework and studies the joint impact of estimation errors and feedback delay on secrecy performance in cognitive radio networks. Under the assumption that system applies beamforming and jamming scheme,a multi-antenna cognitive base station( CBS) sends confidential signals to a secondary user( SU) in the presence of M primary users( PUs) and an eavesdropper. Assuming only imperfect channel state information( CSI) about the receivers is available,secrecy rate,outage probability,secrecy throughput are deduced to obtain a closed-form expression. It is shown that while the transmit power increases,secrecy throughput would reach to a constant. Simulation results show that feedback delay adversely impacts on secrecy rate,connection outage probability and secrecy throughput,while estimation error causes more impact on secrecy outage probability. Furthermore,the secrecy rate could increase progressively with the transmit power only if there exists no feedback delay.     

基于非正交多址接入协作传输策略的安全性能分析

为了提升非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)协作传输系统的安全性能,本文研究了一种基于NOMA双用户协作传输策略的窃听系统模型,并分别推导了此模型下的遍历安全速率和安全中断概率的闭式表达式。仿真结果表明,当存在强解码能力的窃听节点时,本文提出的协作联合接收策略与传统NOMA协作传输策略以及直连策略相比,遍历安全速率最大提升了0.281 bps·Hz-1和0.937 bps·Hz-1,安全中断概率最大降低了2.53dB和3.08dB。