安全能量效率优化的传感器网络传输研究

研究了射频无线充能传感器网络通信系统的安全传输及能量效率问题,针对传感器网络能量受限而无线通信容易被窃听的问题,利用物理层安全技术,提出了一种两阶段的安全传输协议。通过联合优化发送功率、射频能量协方差矩阵、敏感信息波束成型以及协作干扰协方差矩阵,使得传感器网络的安全能量效率达到最大。针对所提出的非凸问题,利用Dinkelbach方法将包含分式形式的目标函数简化,利用连续参数凸近似方法将非凸问题转化为可解形式,进而使用收敛迭代算法得到原问题的近似最优解。仿真结果表明,与对比方案相比,提出的传输方案可以在保证安全通信的基础上有效提高安全能量效率。     

无线携能通信系统中基于人工噪声的波束成形算法研究

在存在多天线窃听者的情况下,研究了无线携能通信系统的物理层安全传输问题。传统上,人工噪声方案是一种保证物理层安全通信的有效策略。因此,提出了一种人工噪声辅助的波束成形算法,以提高信息与能量联合传输的安全性。该算法在满足多项约束（接收端能量采集门限、信息泄漏控制指标和发送功率）的基础上,通过优化波束成形预编码矩阵和人工噪声实现无线携能通信系统的物理层安全通信。在数学上该算法是一个非凸优化问题,不易求解。为此,首先引入最小均方误差接收算法和连续凸近似方法将其转换为凸的二阶锥规划子问题,然后对该凸问题进行迭代求解。仿真结果表明,该算法能够在保证窃听者无法解码信息的同时,实现信息和能量的联合传输,并且算法收敛速度快。     

一种基于异构随机矢量的波束赋形方法

为克服迭代波束赋形方法在低信噪比下性能差的问题,针对毫米波MIMO系统提出一种基于异构随机矢量的波束赋形方法。通过在发射机和接收机之间来回发送异构随机矢量,所提出方法能在低复杂度下获得信道自相关矩阵的估计。进而基带处理器可通过奇异值分解的经典幂方法来快速获得近似最优的发送波束赋形矢量。而接收机可通过相同的过程获得对应的接收波束赋形矢量。所提出的方法采用高斯随机变量和正负随机变量所构成的异构随机矢量,能在理论上消除加性高斯白噪声的影响从而获得近似最优等效信道增益。仿真结果表明,所提出的方法有渐进最优的信道增益,在低信噪比下显著优于迭代方法。因此在保密通信等高功率波束训练不允许的场景下具有实用意义。     

基于磁谐振的无线信息和能量传输系统波束赋形策略

针对同步无线信息和能量传输系统,研究磁谐振波束赋形问题,考虑多个发射机、一个目标功率接收机、一个非目标功率接收机和一个目标信息接收机场景,通过引入一个传输控制器,可以使用相同的传输信号来传输信息和能量,将波束赋形问题建模成最优化问题,优化目标是最大化目标功率接收机功率,同时满足发射机功率、非目标功率接收机功率和目标信息接收机频谱效率的约束条件,采用半定松弛和高斯随机化相结合的方法,得到近似解。仿真结果表明,与等电流方案相比,本文提出的优化策略在目标功率接收机的预期功率和系统效率两方面都有一定程度上的提升。     

基于SRS遍历容量的下行波束赋形性能研究

波束赋形传输技术包括下行波束赋形和上行波束赋形。下行链路波束赋形是通过基于估算信道信息加权多天线的发射信号来实现的,从而增强在目标用户方向上的部分功率增益。上行链路波束赋形本质上是对来自不同天线单元信号进行加权和求和计算,以优化所需信号的质量并抵制干扰。简要描述下行链路波束赋形系统模型构建方案和最优获得空间相关矩阵值算法。在此基础上,详细阐述移动通信系统中下行链路波束赋形应用的基本原理,重点研究SRS遍历容量改进优势,分析波束赋形基准性能和多滴仿真性能的特点。结合链路层单一EBB衰落算法的结果,通过对短期和长期以及混合波束赋形技术的比较,得出了一些重要结论。     

鲁棒的双向多中继物理层安全传输方案

针对双向多中继系统物理层安全传输无法获取窃听者的精确信道状态信息（CSI）的问题,提出鲁棒的多中继协作波束形成和人工噪声联合物理层安全传输方案,以最大化系统总功率约束下信道状态"最差情况"时的安全总速率。在该方案中,待求解的问题是一个复杂的非凸优化问题。采用交替迭代和连续凸近似（SCA）方法,对波束形成向量、人工噪声协方差矩阵和源节点发射功率进行交替优化迭代,得到了问题的优化解。仿真实验验证了所提方案的有效性,并表明该方案具有更优的安全性能。     

基于能量收集的环境反向散射通信联合优化算法设计

针对环境反向散射通信系统,设计两跳无线信息和能量传输方案并基于能效最大化准则给出联合优化算法。源端配置多天线并采用最大比发送(Max Ratio Transmission,MRT)预编码方法,中继节点使用功率分流法以完成信息发送与能量收集。基于系统传输模型,对源端天线数和发送功率采用联合优化算法以得到系统最大能效。借助高信噪比近似法进行非凸向凸的转化以解决优化目标中非凸问题。此外,利用Lambert W函数得到源端天线数和发送功率联合优化的最优解。仿真结果验证了所提方案的有效性和正确性。     

TD-LTE系统中基于码本的快速波束赋形算法

为解决时分双工长期演进(TD-LTE)系统中下行单流波束赋形算法计算复杂度高的问题,在基于有效功率最大化准则和信道平均思想的基础上,提出了一种基于码本的波束赋形算法。该算法通过构建下行波束赋形权值码本,并根据信道估计信息对预设码进行搜索,从而实现快速单流波束赋形。仿真结果表明,该算法使单流波束赋形的复杂度大大降低,并且误块率性能较最优的奇异值分解算法损失不大。     

能效最优准则下的无人机中继系统的功率分配算法

由于无人机（Unmanned aerial vehicle,UAV）机动性好且部署简单,基于无人机中继的传输技术受到了广泛关注。功率作为通信系统的重要资源,其分配问题直接影响各条链路的性能和整个通信系统的能量效率。本文以莱斯衰落信道为背景,提出了一种在系统能效准则下的无人机中继通信系统的功率分配算法。首先在双跳放大转发（Amplify-and-forward,AF）中继传输模型的基础上建立功率分配的优化模型,将功率分配问题转化为求解最大系统能效的优化问题。在最优功率分配的求解过程中,先固定发射信号功率,获得波束形成优化方案;然后通过大信噪比区间近似,将非凸优化问题转化为凸优化问题;最后利用KKT（Karush-Kuhn-Tucker）条件,计算得出功率分配方案的闭式解。仿真实验表明,本文算法相对于迭代算法降低了算法复杂度。     

一种多小区多用户能效波束赋形分层优化算法

研究在用户服务质量需求和功率约束等条件下最大化系统能效的多小区多用户系统中的波束赋形技术。首先引入辅助变量将分式形式的非凸优化目标函数转化为凹凸分数形式的优化目标函数,并利用分式规划和低复杂度凸逼近法进行功率分配优化;然后将波束优化问题转化成满足一定约束条件的最小化发射功率优化问题,并利用二阶锥规划求解相应的波束赋形优化问题。仿真结果表明：所提的能效分层优化算法可以经过有限迭代次数逐渐收敛到稳定值;在低发射功率区域,所提算法能够同时获得最大频谱效率和能源效率;而在高发射功率区域,本文算法所获得的能效性能明显优于传统的频谱效率最大化算法。     

分布式双向中继系统的安全总速率优化

研究了分布式双向中继系统中的安全传输问题。为了优化系统总功率约束下的安全总速率,提出了基于人工噪声辅助的波束形成(Artificial-noise-aided beamforming,ANBF)发射方案。在ANBF方案中,待解决的问题是一个非凸的优化问题。为了求解该问题,分别采用连续参数凸近似算法(Sequential parametric convex approximation,SPCA)和牛顿迭代法,对波束形成向量,人工噪声的协方差矩阵和源节点发射功率进行交替优化迭代求解,最终得到局部最优解。可以证明,已有的未加人工噪声的常规波束形成(Beamforming,BF)方案和零空间波束形成(Null-space BF,NSBF)方案是ANBF方案的特例,后者使系统设计更具一般性。在仿真实验中,对比了ANBF方案与常规BF方案以及NSBF方案的安全性能,实验结果和性能分析验证了本文所提ANBF方案的有效性,并表明它具有最优的安全性能。     

基于二级码本的迫零波束成型自适应预编码方案

为了克服基于有限反馈的多用户多输入多输出(MIMO)系统中迫零波束成型(ZFBF)预编码方案反馈量小时性能较差的缺陷,提出一种基于二级码本的ZFBF自适应预编码方案。该方案的码本设计结合了酉矩阵和随机矢量码本,首先在一级码本中搜索最佳的波束成形矢量; 然后在扰动范围内计算最佳波束成形矢量对应的信干噪比(SINR),将其与系统设定的SINR门限值进行比较来决定用户的反馈信息; 最后基站根据用户的反馈信息自适应地改变码本,对用户进行ZFBF预编码。从而简化了用户端的码本搜索过程,并且在用户数较多的情况下用较少的反馈比特数达到较好的性能。仿真结果表明,该方案能够显著降低每用户的平均反馈比特数,以较低的反馈速率获得较好的和容量性能。     

最小化具有无线携能通信的全双工中继系统发射功率和

考虑在无线网络中采用信息与能量同步传输来提高无线中继系统的性能,提出了基于无线射频网络中采用无线携能通信（SWIPT）技术的具有自能量回收的双向传输全双工中继系统。SWIPT应用在双向全双工中继系统中是一个新的尝试,其中能量受限的目的节点使用从中继和环路信道捕获的能量来发送反馈信息,并给出了全双工中继系统工作的逻辑结构和能量受限的目的节点的物理结构。然后,以最小化系统发射功率和作为优化目标来描述系统的性能,采用功率分配方案进行信息解码和能量捕获,应用半定规划、秩松弛和拉格朗日方法将原始非凸优化方程转化为可解凸优化问题并求解,且联合优化了中继发射功率、发射波束成形向量和功率分配比率。最后,实验仿真对比了所提的新系统与传统双向传输中继系统,结果验证了利用自能量回收不仅可以消除自干扰,而且可以显著优化系统发射功率和,且由于SWIPT技术与全双工中继系统的结合,使得所提出的系统比传统的双向传输系统具有更高的性能增益。     

基于改进粒子群算法的毫米波大规模MIMO混合预编码方案

针对毫米波大规模多输入多输出（MIMO）系统中基于传统粒子群优化（PSO）算法的混合预编码方案,在迭代后期收敛速度较慢以及容易陷入局部最优值的问题,提出了一种基于改进PSO算法的混合预编码方案。首先,随机初始化粒子的位置矢量和速度矢量,并以最大化系统和速率为目标求解初始群体最优位置矢量;其次,更新位置矢量和速度矢量,并随机地选择更新后的两个粒子的个体历史最优位置矢量进行加权求和作为新的个体历史最优位置矢量,从中挑选出若干个使系统和速率最大的粒子,将其个体历史最优位置矢量的加权平均值作为新的群体最优位置矢量,并与之前的群体最优位置矢量比较,经过多次迭代形成最终的群体最优位置矢量即为所求的最佳混合预编码矢量,并对其进行归一化;最后,根据归一化后的混合预编码矢量设计最终的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵。仿真结果表明,与基于传统PSO算法的混合预编码方案相比,所提改进方案在收敛速度与和速率上都得到优化;其收敛速度提高约100%,且性能可以达到全数字预编码方案的90%,因此,该改进方案能够有效提升系统性能且加快收敛。     

中继协同无人机辅助的认知无线电网络安全通信

针对中继协同无人机（UAV）辅助的无线通信网络,提出一种基于认知无线电网络（CRN）的物理层安全通信方案。利用二次发射机协同解码转发中继向目的接收机发送机密消息,将UAV用作移动干扰器发送干扰噪声,以降低窃听者的解码能力。在不影响主用户通信的前提下,通过联合优化UAV的飞行轨迹和发射功率提高系统的平均保密率,采用基于连续凸逼近的算法求解近似凸规划的保密率最大化问题。仿真结果表明,相较于优化功率和优化轨迹这两种传统方案,该方案能够进一步提高CRN系统通信的安全性。     

协作认知无线网络中基于功率分配的安全波束成形

在协作认知网络中,针对次用户作为转发中继时主用户信息容易被窃听的问题,本文提出了一种基于功率分配的安全波束成形设计方法。首先,根据任意转发波束成形功率占比,以次用户的传输速率最大化为优化目标,构建安全波束成形设计联合优化问题。然后,将所述目标优化问题转换为凸优化问题;最后,通过一维搜索转发波束成形功率占比获得全局最优解,完成认知无线网络的安全波束成形设计。仿真分析表明,本文所提方法在保证主用户信息安全的同时可实现次用户的传输速率最大化。     

一种基于混合NOMA的IRS-MEC系统能量效率优化方案

在移动边缘计算系统（MEC）中结合智能反射面（IRS）和资源分配策略以提高系统能量效率是当前国内外研究的热点。基于混合非正交多址（NOMA）传输模式,通过对用户的本地运算频率、传输功率、传输时间和智能反射面离散相移的联合优化,实现智能反射面辅助的移动边缘计算系统能量效率最大化。由于优化过程涉及难以求解的非凸分式规划问题,提出了Dinkelbach-SCA的两步迭代算法：首先利用Dinkelbach方法将初始问题转换成易于求解的形式,通过分离变量对智能反射面离散相移进行优化;其次为了解耦传输功率与时间之间的耦合关系,引入辅助变量,并结合逐次凸逼近（SCA）方法将非凸问题转换成凸问题,求出优化解。仿真结果表明采用的系统方案的能量效率优于其他对比方案,并发现系统的能量效率随用户2的最小计算数据量减少而提升。     

认知网络中基于功率分配的收发联合迭代结构

在认知无线电网络中,为保证主用户的通信质量,解决认知网络和主网络之间的干扰问题,进一步提高认知网络性能,本文提出一种基于广义信泄噪比的功率分配方案。为了获取更高的和速度,在认知网络发射和接收端引入波束成形矩阵,在此基础上发展了一种联合交替迭代结构,该结构将发射波束成形、功率分配和接收波束成形串联成迭代环。仿真结果表明,该迭代环收 敛速度快,相比传统波束成形等功率分配方案的和速率和误码率均有明显提高。