基于用户协作干扰的IRS辅助安全传输方案

针对协作通信网络无线信道高度开放的信息安全问题,提出一种基于智能反射面(IRS)辅助通信与用户协作干扰的下行链路物理层安全传输方案,并给出了一种基于交替迭代的保密容量最大化算法.该方案中智能反射面通过调整反射相位辅助合法用户进行通信,并且全双工用户在接收有用信号的同时发射人工噪声,从而增强系统信息安全传输.为了求解系统保密容量的非凸优化问题,利用交替迭代算法将其分解为3个子问题,分别对基站波束成形矢量、系统功率分配系数及IRS相移矩阵进行优化.在求解的过程中推导了波束成形矢量和功率分配系数的闭式解,并分别利用连续凸近似和黎曼流形优化两种算法得到了IRS的最佳相移矩阵.分析与仿真结果表明：所提出的方案能够快速收敛,且基于黎曼流形的优化算法具有更低的复杂度.与随机相位或固定功率系数的方案相比,该方案能够显著提高系统安全性能.     

混合有-无源智能反射面辅助大规模MIMO安全传输

针对存在恶意窃听者的大规模MIMO网络安全传输问题,提出了一种混合有-无源智能反射面辅助的下行安全传输方法。受基站总发射功率、混合有-无源智能反射面功率和反射相位模量约束,讨论了最大化系统总保密速率的优化问题,该问题为多变量耦合的非凸优化。提出了基于逐次凸近似的主动波束成形和反射相位优化算法,首先利用交替优化算法将原始问题转变为两个单变量的子问题,然后采用逐次凸逼近或半定松弛算法分别求解每个子问题的最优主动波束成形和反射相位。仿真结果表明,相比传统的被动智能反射面辅助安全传输方案,提出的方案能够有效利用混合有-无源智能反射面高增益的技术优势,进一步提高级联链路的信道增益,获得更高的保密速率。     

有限反馈的联合波束成形和调度方案

提出一种基于有限反馈的联合波束成形和调度方案:用户利用一种结构化的码本对用户的信道方向信息(CDI)进行量化,采用一种低复杂度算法计算其最大的信号干扰信噪比(SINR),反馈给基站;基站根据接收到的反馈信息,按照和容量最大的准则选择出多个正交波束以及相应的多个用户.此方案不需考虑所有可能的用户子集,因此其复杂度仅随用户数呈线性增加.与Sharif等前人方案相比,该方案具有更高的吞吐量,避免了选择波束成形矢量时的用户冲突,基站不需要将波束成形矢量发给各个用户.     

基于智能反射面与用户关联的1比特反馈波束赋形算法

针对多智能反射面辅助的多接入点多用户系统中的智能反射面选择与主被动联合波束赋形问题,设计了不依赖瞬时信道状态信息的智能反射面-用户关联与波束赋形方案。首先基于大尺度衰落参数设计关联方案。之后提出了基于1比特反馈的被动波束赋形算法,利用接收信号强度调整反射单元的相位。仿真结果表明用户关联方案对平均信干噪比存在显著影响,收敛后的1比特反馈算法能够接近主被动波束赋形相位对齐时的性能。     

IRS辅助的MISO-SWIPT安全速率最大化算法

为增强系统的稳定性,基于智能反射面（intelligent reflection surface,IRS）辅助安全通信,为用户采用功率分配架构的无线携能传输（simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT）技术以提高用户安全速率并降低用户的能量消耗,建立了系统安全速率最大化的目标函数模型;考虑IRS相移约束、基站最大发射功率、功率分配比率约束和用户最低能量采集约束,提出了一种基于交替优化的安全速率最大化算法。利用连续凸近似算法,将目标函数转化为凸的形式;采用交替优化,对耦合变量进行解耦处理;提出一种波束赋形算法以实现安全速率最大化。仿真表明,提出的算法能够有效提升IRS辅助的SWIPT系统的安全速率,至少比其他算法提高了2.63bps/Hz。     

IRS辅助认知无线携能通信网络的发射功率最小化算法

智能反射平面（IRS）和认知无线携能通信技术被视为是提高能量效率和频谱利用率的潜在关键技术。文中研究了基于非线性能量采集模型的IRS辅助认知无线携能通信网络,其中次用户发射机同时给多个次用户接收机发送信息和能量,每个次用户接收机采用功率分割方式实现信息解码与能量采集,目的是通过联合优化次用户发射机的波束成形矢量、次用户接收机的功率分割系数以及IRS相移使次用户发射机的发射功率最小化。为了保证次用户发射机的信息与能量传输效率并限制次用户发射机对主用户接收机的同频干扰,考虑次用户接收机具有最小信干噪比约束、最小能量采集约束与功率分割系数约束,次用户发射机对主用户接收机有最大干扰功率值约束,以及IRS具有反射相移约束。所构建的问题属于非凸的二次约束二次规划问题,并且优化变量之间高度耦合,难以求解。文中提出一种基于半正定松弛法和连续秩一约束松弛法的交替优化算法进行高效求解。为了降低复杂度,进一步提出一种基于IRS分组的低复杂度优化算法。仿真结果表明,与几种基准算法相比,所提算法能够有效降低次用户发射机的发射功率。     

基于自供电智能反射面辅助的MISO系统无线安全传输

为增强无线通信的安全性,面向多输入单输出(Multiple Input Single Output, MISO)系统,提出了基于自供电智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助的物理层安全传输方案,其中IRS被用以协助基站到合法用户的信息传输,同时抑制传输给窃听者的信号,以此实现系统的安全传输。为保证IRS有足够的能量维持其运行,设计了基于时间切换(Time Switching, TS)的能量收集方案,即将传输块分为能量收集阶段和信息反射阶段。在能量收集阶段,IRS从基站发射的射频信号中收集能量;在信息反射阶段,IRS利用先前收集的能量辅助基站的信息传输。为了最大化系统安全传输速率,设计了关于基站波束成形向量、时间分配和IRS反射相位的联合优化问题。由于该问题为非凸优化问题,为此设计了基于两阶段的高效算法,并通过交替优化、半正定松弛(Semi-Definite Relaxation, SDR)、连续凸逼近(Successive Convex Approximation, SCA)等技术获得了次优解。仿真结果表明,所提出的方案可以有效地提升系...     

WPCN中下行链路能力扩展模型与最大化用户最小速率方法

针对无线供电通信网络的下行阶段缺乏信息传输功能等问题,提出一种基于无线携能通信技术的具有下行链路信息传输能力的网络模型。该模型将一个传输单位分为上、下行两个阶段,在上行阶段,用户发送射频信号进行信息传输,各小区基站完成信息解码任务;在下行阶段,基站通过波束成形技术和多载波技术向用户发送射频信号,各用户通过时分切换或功率分流方式完成信息解码与能量捕获。基于该模型,提出一种最大化最小速率的方法,通过最大化最小用户上行信息传输速率求解各小区内各用户的最优上行发送功率,通过最大化最小用户下行信息传输速率求解各个小区内的基站的最优下行波束成形矢量,实现网络中各用户相对公平的性能最优。仿真结果表明,本文方法提高了用户的最小传输速率。     

基于主动智能反射面和人工噪声辅助的MISO无线安全传输

为实现无线通信系统的安全传输,面向多输入单输出(Multiple Input Single Output, MISO)系统,提出了基于主动智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)和人工噪声辅助的安全传输方案。其中,主动IRS被放置在基站和合法用户之间,用以增强基站到合法用户的机密信息传输,同时抑制窃听者接收到的信号强度。基站通过构建波束成形和人工噪声,进一步改善了系统的安全传输性能。为最大化系统的安全传输速率,设计了关于基站发射波束成形、人工噪声、主动IRS反射相位、主动IRS放大系数的联合优化问题。由于所提问题为非凸优化问题,设计了基于交替优化、连续凸逼近(Successive Convex Approximation, SCA)、半正定松弛(Semi-Definite Relaxation, SDR)的高效算法,并获得高精度的次优解。仿真结果表明,相较于被动IRS、无IRS和IRS随机相位方案,主动IRS方案有更高的系统安全传输速率;相较于无人工噪声方案,引入人工噪声可以进一步提升系统的安全传输速率。     

多用户全双工无线携能系统中的波束赋形研究

针对多用户全双工蜂窝通信系统,提出了一种基于功耗最小及能量收获最大双目标准则的联合优化方案。该方案采用迫零消除上行链路中多用户干扰,在下行链路,为了实现信息和能量的有效传递,全双工基站分别采用信息波束赋形及能量波束赋形为用户提供通信服务,在保证用户的服务质量及功率约束的同时,实现了功率效率和频谱效率的同步改善。由于功率问题为非凸问题,通过半定松弛将其转化为凸优化问题。仿真结果表明,所提方案相比传统方案能够节约大量的功率,此外全双工基站通过能量波束赋形向下行用户传递能量,有效提高了系统的功率效率。     

多用户MIMO空分多址下行链路预编码算法研究

针对多输入多输出(MIMO)空分多址下行链路,每个接收天线看成独立的用户来分配波束,联合正交随机波束成形(ORBF)和迫零波束成形(ZFBF)实现了每用户配置多天线的预编码方法。为了降低计算复杂度,提出了联合线性结合技术的RBF-ZFBF的下行链路预编码方案。该方案利用ORBF确定初选用户,每个用户利用线性结合技术获得有效SINR,所选用户将使用线性结合方法获得的信道质量信息(CQI)和信道方向信息(CDI)反馈到基站,完成用户选择、波束选择和最终预编码。实验结果表明,该算法与每用户单天线方案相比,提高了系统吞吐量,证实了所提算法的有效性。     

一种水平和垂直联合优化的3D波束成形算法

与传统的无源天线阵列相比,基站端采用有源天线阵列,能够实现更加灵活和智能的波束成形,充分地利用三维空间信道特性,进而提高系统性能.本文研究了单小区多用户多输入多输出(MU-MIMO)下行广播信道场景中,基于面阵有源天线阵列的基站预编码3D波束成形设计问题.首先,将3D波束成形问题建模为对水平预编码和垂直预编码的联合设计问题,并引入一种最小化基站发射功率的最优化模型.然后,将原问题分解为关于水平预编码和垂直预编码的优化子问题,并通过半定松弛和交替优化迭代方法求解.仿真结果表明本文提出的算法能够很快收敛,并且能够获得明显优于对比方案的系统和速率性能.     

一种全双工物理层安全通信波束成形的低功耗方法

在保证物理层安全的前提下,为解决传统迫零成形算法在全双工通信功耗过高的问题,提出了一种适用于全双工通信的信息波束和噪声波束联合成形的低功耗方法。首先,在高斯信道模型下对全双工基站的传输信号进行信息波束成形,实现基站与接收端的信息传输;然后,在全双工基站发射天线中添加人工噪声,并将噪声波束成形保证全双工基站的接收信息和发送信息不被偷听者窃听;最后,经过凸优化求解,将NP难的信息和噪声波束联合成形问题转化为可高效求解的凸优化问题,最终得到最优的信息和噪声波束成形向量。仿真结果表明,在上下行安全速率均为3b/(s·Hz)时,该方法可以有效降低全双工基站的功耗,与经典的迫零波束成形算法相比,均值功耗降低约18%。     

联合随机波束成形与迫零预编码的多波束选择

随机波束成形(RBF)在系统用户足够多时,具有与最优预编码方案相同的容量尺度,当系统用户少时,性能却下降严重。针对该问题,提出了联合RBF和迫零波束成形(ZFBF)的广播信道预编码方案。该方案利用RBF实现用户的初步调度,然后要求初选用户附加反馈量化的信道方向信息(CDI)和信道质量信息(CQI),在基站根据CDI和CQI反馈完成最终波束选择和ZFBF预编码。仿真结果表明,所提出的预编码方案,与现有的增强型RBF相比,在基本不增加上行链路反馈量的前提下,可明显提高系统和容量。     

非完全信道下认知中继网络中断概率及功率分配

基于最大信道增益的中继选择方法,分析了在不完全信道状态信息（CSI,channel state information）和受主用户干扰情况下认知中继网络的中断概率;进一步提出了在主用户干扰约束和保证认知用户服务质量（QoS,quality of service）条件下最大化认知中继网络频谱效率的数学优化模型,利用拉格朗日对偶松弛法获得了该优化问题的解,在保证主用户传输性能不受影响的前提下,提高了认知中继网络的频谱效率。仿真结果表明该文提出的功率分配方案与等功率分配方案相比提高了性能增益。同时表明在非完全信道条件下获得的频谱效率与完全信道条件下的频谱效率近似,但减少了系统信息的反馈量和实现的复杂度,有利于该方案的工程应用。     

基于加权分数阶傅里叶变换的IRS安全通信

利用四阶加权分数傅里叶变换(4-WFRFT)和人工噪声(AN),提出了一种基于人工噪声和加权分数阶傅里叶变换的智能反射表面(IRS)辅助的多进多出(MIMO)无线通信系统.为了提高信道质量,在基站(BS)、合法接收者(LU)和窃听者(Eve)组成的通信系统中引入智能反射面;进一步,为了提高该系统的安全性能,引入人工噪声并使用加权阶傅里叶变换.以最大保密速率(SR)为目标,以发射功率限制和智能反射面相移单元模为约束,联合优化了基站的发射预编码(TPC)矩阵、AN的协方差矩阵和智能反射面相移.由于所提问题是一个非凸问题,因此利用块坐标下降(BCD)算法交替更新变量,同时保持安全速率不递减,最后通过仿真结果验证了该方法提高系统安全性的有效性.     

认知无线电网络中的非正交多址资源分配算法

随着物联网的发展和移动终端的普及,用户对数据速率需求快速增长,移动通信系统依然面临着频谱资源紧缺问题。针对认知无线电网络中的非正交多址接入(non-orthogonal multiple access, NOMA)技术,研究了认知无线电网络中非正交多址信道和功率联合优化问题。以主用户干扰功率和次用户最小吞吐量以及子信道最大复用用户数为约束条件,综合考虑信道状态信息和功率资源,以提高系统能效为目标,建立了信道和功率资源分配优化模型。为了避免信道状态相近的用户复用在同一子信道上,提出了一种次优公平性可调的信道分配算法,并基于连续凸近似和Dinkelbach模型,得到子信道复用用户间的最优功率分配。仿真结果表明,所提算法可以在提高用户公平性的同时,有效提高系统能效。     

一种无线认知网络中的自适应波束成型模式选择算法

为了能够在避免对主用户干扰的同时,进一步提高频谱的利用效率,提出了一种自适应的波束成型模式选择算法。针对当前的认知网络很少考虑在空间上将主从用户进行分离,将多天线技术引入无线认知网络,利用其提供的空间自由度,从用户基站在主用户信道的零空间内设计发射波束,这样可以使得2个网络共存时,主用户能够无干扰地进行数据传输。同时,随着发射信噪比的变化,从用户基站自适应地在机会式波束成型和正交空分多址2种模式间进行选择,从而最大化网络的容量。分析和仿真结果都表明,这是一种解决网络共存、提高频谱效率的有效方法。     

5G网络中基于波束成形和休眠机制的能量优化策略

为提高频谱利用率,5G毫米波通信采用的波束成形技术会对当前的不连续接收(discontinuous reception,DRX)机制产生不利的影响。提出一个基于信道质量提示(channel quality indication,CQI)反馈的不连续接收机制(C DRX),波束成形只在必要的时候进行。在此基础上,通过优化波速成形策略进一步降低波束成形时间,达到节省能量和降低时延的目的。采用半马尔科夫过程对波束失准事件下C-DRX的建模分析,仿真分析验证了所提方案的能量和时延的有效性。     

基于Dinkelbach算法的优化混合网络用户关联策略研究

在5G网络中,使用混合网络,引入一些低功率节点,提出基于TDMA系统的联合优化用户关联和功率控制的能效优化方案,通过优化用户关联和功率控制来提高网络能效。以系统能效最大化为目标,限制基站最大关联用户数,设计出用户关联算法。利用Dinkelbach算法优化功率控制,获得系统最大能效,并对提出的交替优化算法进行仿真验证。