有源智能反射面辅助大规模MIMO波束成形方案

针对智能反射表面（Intelligent Reflective Surfaces,IRS）引入的“双重衰落”问题,提出了利用有源IRS辅助大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）进行通信传输的方法。在功率和IRS相位的约束下,通过调整基站和IRS处的波束成形,利用连续凸逼近算法和交替迭代算法,得到了最大化用户和速率的最优解。结果表明,用户可在有源IRS的帮助下实现比传统IRS更高的增益。     

IRS和人工噪声辅助的MIMO-SWIPT系统安全传输方案设计

针对多天线无线携能通信系统中能量收集节点作为潜在窃听者的信息安全问题，提出了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)和人工噪声辅助的物理层安全传输方案。首先考虑发射功率、能量收集门限以及IRS单位模约束，以最大化系统安全速率为优化目标，在合法用户直射链路不可用的情况下，联合设计发射端波束赋形矩阵、人工噪声协方差矩阵以及IRS相移矩阵，建模一非线性多变量耦合的非凸优化问题；接着利用均方误差准则等价转换非凸目标函数，并利用连续凸逼近方法(Successive Convex Approximation, SCA)处理非凸的能量收集约束；最后基于交替优化框架，分别用拉格朗日对偶方法和基于价格机制的优化最小化(Majorization-Minimization, MM)算法求解发射端变量和IRS端变量。仿真结果表明，与现有方案相比，所提算法能够在保障能量收集需求的同时大幅度提升系统的安全性能。     

基于不完美硬件系统的双智能反射面辅助波束赋形设计

在发射端具有不完美硬件的多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）系统中，存在失真噪声和干扰噪声，这导致用户侧接收信号受损，系统频谱效率低下。为解决此问题，考虑使用双智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）辅助，联合优化基站波束赋形矩阵和两个IRS的反射相移矩阵，最大化多用户和速率。目标函数是变量高度耦合、复杂的非凸优化问题，分别使用交替优化方法、半正定松弛（Semi-Definite Relaxation,SDR）算法和奇异值分解归一化的方法求解。仿真结果表明，在发射端具有不完美硬件的MIMO系统中，与单IRS辅助和无IRS方案相比，使用双IRS辅助通信能够获得更好的系统频谱效率。     

基于智能反射面的无线抗干扰通信方法

由于无线信道的开放性,当前无线通信系统愈发受到恶意干扰攻击. 为了提高无线通信干扰能力,提出了一种基于智能反射面（intelligent reflecting surface, IRS）的抗干扰通信方法. 针对IRS辅助的通信抗干扰系统,考虑在用户接收信干噪比约束和连续相移约束下,建立非线性、多变量耦合的功率最小化资源分配模型,以实现频谱和能量性能的双向提升. 利用交替优化和半正定松弛求解原变量耦合的非凸优化问题,以得到最优发射波束和IRS相移. 此外,针对模型求解复杂度高的问题,还提出了一种低复杂度算法以得到发射波束的低复杂度闭式解. 同时,进一步提出了一种实用且快速响应的经验算法,以应对时变高动态干扰. 仿真结果表明,与现有未引入IRS方案相比,所提算法在各种情况下收敛迅速,并且功率消耗和干扰容限都有约30 dB的性能提升.     

分布式IRS辅助毫米波MU-MISO系统联合波束成形设计

为解决非视距场景下毫米波多用户多输入单输出(MU-MISO)系统下行链路的可靠性通信问题,提出一种分布式智能反射表面(IRS)辅助多用户通信的联合波束成形设计方案.考虑功率和恒模约束,以用户加权和速率最大为目标,将基站有源波束成形和多个IRS无源波束成形联合建模为非凸优化问题.利用闭式分式规划技术解耦该联合优化问题为易...     

IRS辅助的SWIPT系统中基于能效优先的波束成形设计与优化

以智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS)辅助的无线携能通信(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)系统为背景,研究了该系统中基于能效优先的多天线发送端有源波束成形与IRS无源波束成形联合设计与优化方法。以最大化接收端的最小能效为优化目标,构造在发送端功率、接收端能量阈值、IRS相移等多约束下的非线性优化问题,用交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers,ADMM)求解。采用Dinkelbach算法转化目标函数,通过奇异值分解(singular value decomposition,SVD)和半定松弛(semi-definite relaxation,SDR)得到发送端有源波束成形向量。采用SDR得到IRS相移矩阵与反射波束成形向量。结果表明,该系统显著降低了系统能量收集(energy harvesting,EH)接收端的能量阈值。当系统总电路功耗为?15 dBm时,所提方案的用户能效为300 KB/J。当IRS反射阵源数与发送天线数均为最大值时,系统可达最大能效。     

IRS多分区辅助太赫兹多子阵列波束成形设计

在智能反射表面（IRS）辅助太赫兹（THz）通信系统中，为突破信道稀疏性对系统空间多路复用增益的限制，提出收发端采用宽间隔多子阵列混合波束成形架构，设计IRS多分区辅助THz多子阵列的传输方案。首先，基于频谱效率最大化原则，构建一个含有多变量耦合和非凸约束的非凸目标函数；然后，将优化问题解耦成2个易于求解的子问题，即IRS反射系数矩阵设计问题和收发端混合波束成形矩阵设计问题；最后，采用黎曼流形优化算法计算IRS反射系数矩阵，并通过数理推导得到混合波束成形矩阵的闭式解。仿真结果表明，与基准方案相比，所提方案可以获得更好的频谱效率。     

IRS辅助的安全通信系统波束成形嵌套优化算法

智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）是一种通过重新配置无线传播环境,提高无线通信网络安全性的绿色通信新技术。该文针对IRS辅助的多输入单输出安全通信系统,考虑在合法用户保密率约束下,联合优化基站处的发射波束成形和IRS处无源移相器的反射波束成形,使基站的发射功率最小。为了求解多变量耦合的非凸优化问题,我们提出了拉格朗日函数和粒子群嵌套优化算法,使用粒子群算法搜索IRS的反射波束成形,拉格朗日函数求解对应的发射波束成形,获得非凸优化问题的次优解。论文仿真比较了不同算法下基站所需的发射功率,结果表明所提算法基站所需发射功率更低。     

基于深度学习的多用户Massive MIMO预编码方法

在下行链路传输场景中,发射机处的功率分配和波束赋形设计至关重要。考虑一个多用户Massive MIMO系统中总功率约束下最大化加权和速率问题,经典的WMMSE算法可以获取次优解,但计算复杂度过高。为了降低计算复杂度,提出了一种基于深度学习的快速波束赋形设计方法,该方法可以离线训练深度神经网络,利用训练后的神经网络求解最优波束赋形解,只需要简单的线性和非线性操作即可完成。实验结果显示,该方法可以逼近WMMSE算法精度的90%以上,同时计算复杂度和时延也大大降低。     

基于统计信道信息的智能反射面辅助物理层广播算法设计

智能反射面(Intelligent Reflective Surface,IRS)作为一种非常有前景的新型无线中继技术,可以改变无线传输环境,有效提升无线系统的频谱和能量效率.提出了一种基于统计信道的IRS辅助物理层广播系统的传输方案,在仅已知统计信道时,联合设计基站波束成形和IRS反射相位,最大化最小用户的各态历经容量.目标函数非连续,IRS的模一约束导致对应的优化问题非凸,对此首先得到了近似问题目标函数的闭式表达式,随后将其解耦为两个子问题:子问题1对应基站波束成形设计,可直接求得闭式解;子问题2对应IRS反射相位设计,该问题依然非凸,采用基于软件无线电的方法获得了该问题的近似最优解.仿真结果表明,基于统计信道信息的传输方案在降低系统开销和算法复杂度的同时能够有效提升IRS辅助的物理层广播系统性能.     

智能反射面辅助的毫米波MIMO系统波束成形设计

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS),也被称为可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)或大型智能表面(Large Intelligent Surface, LIS),通过重新配置无线通信传输环境,可以有效提高通信质量。考虑IRS辅助的毫米波多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)下行系统,通过采用流形优化(Manifold Optimization, MO)技术处理,协同优化IRS的无源波束成形、功率分配、预编码矩阵以及合并矩阵,以最大化多用户和速率。由于利用流形优化算法设计的最佳目标函数是非凸的,因此利用毫米波级联信道的内在结构,将非凸问题转换为更加容易处理的问题。仿真结果表明,所采用的MO方案能获得比最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)方案以及随机相位方案更好的和速率性能。     

基于智能反射表面大规模MIMO-NOMA系统频谱效率分析

为了进一步提高频谱效率,在大规模多输入多输出(MIMO)系统中引入了非正交多址(NOMA),然而当基站与用户之间的信道较差时,这很难保证用户的频谱效率。为解决这一问题,探讨了基于智能反射表面(IRS)的大规模MIMO-NOMA系统,来保证用户的频谱效率。具体地,首先考虑了IRS辅助的大规模MIMO-NOMA系统模型。然后根据簇头选择算法,为每个波束选择一个簇头来设计模拟预编码。之后,根据等效信道的相关性对用户进行分组,选择在每个波束中等效信道增益最强的用户来设计数字预编码。最后联合优化基站的功率分配和IRS的相移矩阵,来保证用户频谱效率的公平性,即最大化最小频谱效率。仿真结果表明,与没采用IRS的大规模MIMO-NOMA系统相比,IRS辅助的大规模MIMO-NOMA系统可显著改善最弱用户的频谱效率。     

窃听CSI未知场景下基于可重构智能表面的物理层安全传输方案

近些年来,人们一直在开发可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS),它是一种由许多无源反射器组成的低成本结构,可以自由地改变每个元素的反射系数,并重新配置无线传输环境以改变入射信号的传播。由于具有若干新型和独特的优势,RIS应用场景广泛,关于其在物理层安全中应用的研究蓬勃发展。与此同时,物理层安全研究中窃听者的信道状态信息(Channel State Information,CSI)一直是人们讨论的热点,实际通信场景中窃听CSI通常是不易获取或未知的。因此本文考虑了一个更接近现实的情况,即针对窃听CSI未知的场景,考虑存在一个合法接收者以及多个非法窃听者,从功率分配的角度出发,结合波束成形,设计一种多RIS辅助的人工噪声与功率分配方案,通过对基站波束成形矩阵和RIS反射系数的交替优化,并应用二分法,使得在合法接收用户信号质量不变的前提下,降低基站处发送保密信息至合法用户所需的功率,降低其接收信号的信干噪比,进而提高系统的保密容量。同时考虑到了多个RIS协作辅助保密通信不一定最优,并可能增加系统优化的复杂度,设计了多个RIS的选择方案,...     

Hybrid Beamforming for Massive MIMO Using Rectangular Antenna Array Model in 5G Wireless Networks

Fifth and future generation (5G and B5G) wireless networks aim to serve users with higher data rates and lower latency. Data traffic due to the rapid growth in communication has motivated the study of Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems. They utilize multiple antennas in both transmitter and receiver sides. It is necessary to improve the existing technology to achieve fast and reliable communication. In this research work, a rectangular array antenna based hybrid beamforming in a massive MIMO model has been proposed to improve the spectral efficiency of the system. Thus channel capacity with small RF chains is used. To achieve the high signal strength in the main lobe, Chebyshev tapering has been used to suppress the side lobes signals. In this manner, the proposed Hybrid Beamforming for Massive Output MIMO has been realized with a small complexity and higher spectral efficiency. In this research work, the spectral efficiency of both proposed Hybrid and fully-digital beamforming with a different number of RF chains for a various number of antennas at the transmitter, the receiver side has been analyzed. From the simulation results, it has been observed that the proposed rectangular array antenna based Hybrid beamforming in a massive MIMO system reduces the computational complexity up to 99% as compared with conventional fully digital beamforming to achieve the same spectral efficiencies, which is a productive model for 5G wireless networks.

     

智能反射面辅助雷达通信双功能系统的多载波波形优化方法

雷达通信一体化是解决频谱资源拥挤问题的有效途径之一,而共享波形设计是同时实现雷达与通信功能的关键技术,该文旨在解决智能反射面(IRS)辅助雷达通信双功能(DRC)系统的多载波波形优化问题.首先,通过最大化传输功率、通信码字错误率(WEP)、旁瓣幅度与IRS反射系数约束下的雷达互信息(RMI),构建了双功能发射波形、IR...     

莱斯信道下低精度ADC去蜂窝大规模MIMO系统的性能分析

去蜂窝大规模多输入多输出(MIMO)系统被认为是未来6G通信的关键技术之一。然而,随着接入点(APs)和用户数量的激增,硬件成本问题成为了限制系统发展的重要因素。为了有效地降低硬件成本,可以考虑在AP和用户端配置低精度的模数转换器(ADCs)。基于上述原因,本文针对莱斯衰落信道下低精度ADC去蜂窝大规模MIMO系统展开研究。通过利用加性量化噪声模型,推导了该系统使用共轭转置预编码时的可达速率闭合表达式,并且该闭合表达式有助于研究AP的数量、ADC的精度以及莱斯K-因子对于可达速率的影响。此外,在保证每个用户的服务质量和每个AP的功率约束前提下,提出了一种能够最大化总速率的功率控制算法。最后,仿真结果表明了,相较不使用功率控制算法的情况,所提的算法能够带来更大的性能增益。     

Asymptotic RZF cooperative beamforming algorithm based on energy efficiency

A low complexity asymptotic regularized zero forcing cooperative beamforming algorithm based on energy efficiency in heterogeneous massive MIMO system was proposed,aiming at the problem that the current multi-flow regularization zero forcing beamforming algorithm sets the power constraint of each antenna in the regularization term as a fixed value and ignores the influences of factors such as the number of antennas,the number of users and QoS.The algorithm selects the optimal antenna power constraint set through the optimization method,and the optimal beamforming was asymptotically ob-tained to balance the interference among users to achieve the optimal energy efficiency,considering the impact of the number of antennas and users with the constraints of the antenna power and QoS.In view of the importance of backhaul in massive MIMO system,a backhaul power consumption model and the impact of backhaul power consumption on system performance was analyzed.Analysis and simulation results show that the proposed algorithm has great improvement of the performance,especially when the number of antennas is large.The algorithm is close to optimal performance,especially suitable for massive MIMO system of next generation communication.     

智能反射面辅助多用户大规模MIMO系统的联合波束成形

智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）作为面向第6代通信的关键技术之一具有创新、高效、节能和成本效益高等特点,但其联合波束成形设计为非凸优化问题,仍然是具有挑战的难题。为此,提出了一种用于IRS辅助多用户大规模多输入多输出系统的联合波束成形设计方案,以实现系统数据速率最大化。该方案在基站端采用迫零波束成形以消除用户间干扰,同时在IRS端设计了近最优反射波束成形以实现系统和数据速率最大化。仿真结果表明,该方案可获得较高的系统和数据速率,也为IRS位置布局的选择提供了数据支持与参考准则。