全双工主动窃听非正交多址接入系统智能超表面辅助物理层安全传输技术

针对全双工被动窃听和主动干扰攻击下的多用户非正交多址接入(NOMA)系统,该文提出一种智能超表面(RIS)辅助的鲁棒波束赋形方案以实现物理层安全通信。考虑在仅已知窃听者统计信道状态信息的条件下,以系统传输中断概率和保密中断概率作为约束,通过联合优化基站发射波束赋形、RIS相移矩阵、传输速率和冗余速率,来最大化系统的保密速率。为解决上述多变量耦合非凸优化问题,提出一种有效的交替优化算法得到联合优化问题的次优解。仿真结果表明,所提方案可实现较高的保密速率,且通过增加RIS反射单元数,系统保密性能更佳。     

一种基于SIC-CDM的低复杂度混合波束赋形方案

为了平衡毫米波大规模多输入多输出系统的性能和硬件开销,降低系统功耗,以频谱效率为优化目标,在部分连接结构下提出了一种收发端联合设计的低复杂度混合波束赋形方案。首先,基于连续干扰消除将原始优化问题转化为多个子阵的速率优化问题;然后,利用坐标下降法完成模拟波束赋形矩阵设计;最后,引入等效信道矩阵大幅降低矩阵维度,再对其进行奇异值分解获得数字波束赋形矩阵。仿真结果表明,与其他算法相比,所提算法在系统功耗降低的同时保持了较优的性能,且性能逼近部分连接结构的最优方案。     

IRS辅助毫米波MIMO系统波束赋形优化的低复杂度方案

智能反射表面(intelligent reflective surface,IRS)被认为是无线通信网络的前景技术之一。然而由于IRS无源波束赋形优化受到本身所具有的非凸恒模约束,现有工作在IRS辅助的多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统中的研究只能得到次优解且具有较高的复杂度。本文考虑一个单用户IRS辅助通信的毫米波MIMO系统,为了最大化频谱效率,优化通信接入点AP(access point)端有源和IRS端无源波束赋形矩阵。首先将有源和无源波束赋形矩阵解耦,得到AP的最优有源波束赋形解,将IRS无源波束赋形设计问题推导为一个非凸二次约束二次规划(quadratically constrained quadratic programming,QCQP)问题;采用低复杂度的连续闭式解(successive closed form,SCF)算法求解IRS无源波束赋形矩阵,为了衡量SCF算法性能,分析对比了现有的最优分支界定(branch and bound,BnB)算法。仿真结果验证了SCF算法在IRS相移连续和离散时均能在较低复杂...     

通信感知一体化混合波束赋形技术

为解决无线通信与感知的性能日益强大而带来的频谱资源紧缺的问题，通信感知一体化(Integrated Sensing and Communication, ISAC)技术逐渐开始受到重视。在目前最有发展潜力的毫米波(millimeter Wave, mmWave)多输入输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)混合波束赋形系统基础上，提出了一种通信感知一体化的波束赋形算法。使用均方误差(Mean Square Error, MSE)衡量该系统的通信和雷达的性能，通过引入权重因子将通信与雷达的性能指标综合考虑，得到通感一体化波束赋形系统的最优解。针对求解过程中的非凸优化问题，提出了基于坐标迭代的交替优化算法对问题进行求解。针对不同权重因子，对通信的频谱效率和雷达的波束方向图进行了仿真，仿真结果验证了所提方案可以实现通信感知一体化系统下通信与感知性能的折中。     

面向窃听用户的RIS-MISO系统鲁棒资源分配算法

针对信道不确定性影响、用户信息泄露和能效提升等问题,该文提出一种基于不完美信道状态信息的可重构智能反射面(RIS)多输入单输出系统鲁棒资源分配算法。首先,考虑能量收集最小接收功率约束、合法用户最小保密速率约束、基站最大发射功率约束及RIS相移约束,基于有界信道不确定性,建立一个联合优化基站主动波束、能量波束、RIS相移矩阵的多变量耦合非线性资源分配问题。然后,利用Dinkelbach,S-procedure和交替优化方法,将原非凸问题转换成确定性凸优化问题,并提出一种基于连续凸近似的交替优化算法。仿真结果表明,与传统非鲁棒算法对比,所提算法具有较低的中断概率。     

多用户MISO场景的3D波束赋形和IRS反射优化设计

针对无线信号易受信道影响的难题，将智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）被动波束赋形和基站（Base Station,BS）3D波束赋形进行联合设计。为最大化加权和速率，首先基于投影梯度下降法和加权均方误差等效原理，提出了一种多用户交替优化算法（Multi-User Alternative Optimization,MU-AO），其具有普适性。其次，基于高信噪比（Signal-to-Noise Ratio,SNR）近似原理，提出了一种多用户三级优化算法（Multi-User Three Stage Optimization,MUTSO），通过计算次优组合解来降低计算复杂度。最后，基于BS天线下倾角预定义策略，提出了一种多用户基于直射链路优化算法（Multi-User Direct-Link Based Optimization,MU-DLBO），能够实现复杂度与性能的均衡。实验表明，所提算法均能有效提升系统加权和速率，体现了联合波束赋形的有效性。     

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。     

基于智能反射面辅助的无人机中继系统安全通信方法

为了提高无人机中继系统的安全通信性能,解决无线信道受障碍物遮挡问题,该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无人机(UAV)中继系统安全通信方法。在所提方法中,通过联合优化UAV的位置、基站波束成形和IRS相移,最大化系统的最小保密速率。为了解决这个复杂的非凸优化问题,该文将原问题分解为UAV位置优化子问题、波束成形和IRS相移优化两个子问题。使用1阶泰勒展开处理优化问题中的非凸项,然后提出一种交替优化的算法进行求解。仿真结果表明该文提出的算法能提高系统的最小保密速率,并且具有良好的收敛性。     

双智能反射平面辅助无线携能通信系统的安全通信优化

研究采用两个智能反射平面保障无线携能通信系统信息传输的物理层安全。通过联合优化两个智能反射平面的反射波束成形和基站的发射波束成形以最大化系统的总信息传输速率,同时满足基站的发射功率约束、能量收集用户的最小能量收集约束与最大窃听速率约束,以及智能反射平面反射系数的模一约束。由于存在两个智能反射平面之间的反射链路,所构建优化问题的优化变量高度耦合,难以直接求解。提出一种基于交替优化、半正定松弛和连续凸逼近的算法求问题的次优解。仿真结果表明,与现有的基准方案相比,所提算法能在保证信息传输安全和满足能量传输要求的情况下大幅提高系统的总数据速率。     

智能反射面辅助的MU-MISO车联网毫米波通信联合波束赋形

近年来,车联网通信系统提出了大规模数据传输,通信连接稳定等需求。高频段通信凭借超高传输速率,低时延的特点被引入了该系统,但是,高频段通信仍面临着阻塞问题的挑战。因此,智能反射面作为一种可解决高频段通信阻塞问题的技术,成为车联网高频通信的热点议题。智能反射面由超材料构成,其表面的多个无源反射单元均匀排布形成阵列,所有反射单元的反射系数均可通过智能控制器实时调节,控制反射波束的方向和形状,来实现对无线传输环境的智能调控,提供增强视距通信、扩展通信覆盖范围等服务。针对MU-MISO车联网毫米波通信场景下,基站与车辆用户视线通信链路因遮蔽,车辆高速移动等因素,面临随机中断的问题,将智能反射面引入该系统,并结合该系统提出了基于半定松弛问题的交替迭代优化算法,以提高通信稳定性。该方法将系统中基站波束赋形矩阵优化和智能反射面相移矩阵优化分解为两个子问题,通过定义半定矩阵变量并适当放松特定的约束条件将两个子问题近似成为半定松弛问题,随后,使用交替优化技术对其进行迭代求解以实现联合优化,通过最大化同时刻通信车辆中的最小信干噪比来确保通信稳定性。仿真结果表明,该方法显著提高了车辆用户的信干噪比和基站的总频...     

全息通感一体化：高能效的波束赋形设计

通信感知一体化是解决频谱拥塞问题的重要手段。现有的通感一体化系统依赖高功耗的相控阵，限制了其在功率受限场景中的应用。作为一种低功耗天线，可重构全息超表面可以用于替代相控阵，从而形成全息通感一体化这一新范式。在该范式中，利用可重构全息超表面作为发射天线，可以同时实现高空间自由度与低功耗，进而提升通感一体化系统的整体性能。研究了全息通感一体化系统的能效，通过联合设计基站和全息超表面的波束赋形提升系统能效。然而，由于基站的数字波束赋形和可重构全息超表面的模拟波束赋形相互耦合，使得波束赋形的联合设计具有挑战性。为了应对这一挑战，首先构建了最大化能量效率的优化问题，并提出了全息波束赋形优化算法来解决这一问题。仿真结果显示，与传统基于相控阵的通感一体化系统相比，全息通感一体化系统可以在相同发射功率和天线尺寸的条件下实现更高的能效。     

接收矢量估计辅助的协调波束赋形算法简

针对下行蜂窝无线通信系统,提出了一种基于接收矢量估计辅助优化的分布式协调波束赋形方案。该方案通过在发射端间共享少量信息,并基于MVDR准则对接收端的接收矢量进行估计,从而优化发送波束赋形矢量设计。仿真结果和分析表明,该分布式方案能以较低的开销和算法复杂度获得接近于集中式方案的性能。此外,还提出了一种简化方案,该方案可进一步降低系统开销。     

智能反射面辅助的无线携能通信系统优化问题研究

本文针对智能反射面辅助的无线携能通信系统，提出了一种面向能量效率的信号传输方案，该方案在基站处发射信息与能量的混合信号，通过联合优化基站的信息信号波束、能量信号波束和智能反射面处的相移来实现系统能量效率的提升。由于优化问题非凸且三个优化变量相互耦合，难以直接获取最优解。因此本文采用交替优化将原问题转换为两个非凸子问题进行交替迭代求解，并借助Dinclebach与半正定松弛等方法将非凸子问题转化为凸问题解决，最终获得原问题的次优解。数值仿真结果表明，本文所提方案在能量效率方面优于现有方案。     

多波束赋形在非正交多址接入技术中的应用研究

为解决非正交多址接入(NOMA)技术在毫米波Massive MIMO系统中用户的分组受限于基站波束宽度的问题,提出了一种能够产生指向多个方向的波束的波束赋形方案.基于该多波束波束赋形方案,建立了多小区多用户场景下的用户资源分配的数学模型.为降低计算的复杂性,采用两阶段的资源分配算法.在第一阶段中,在给定的功率分配条件下将模型转化为联盟博弈中联盟的生成问题,并提出一种通过迭代确定用户分组和天线单元分配的算法;在第二阶段中,通过将非凸的数学优化问题转化为DC规划问题,提出用户功率分配的算法.仿真结果表明,本文所提多波束波束赋形方案能够有效产生指向多个方向的波束,且所提资源分配算法能够有效提高系统的性能.     

智能反射面辅助NOMA系统上行链路速率优化算法

为了优化非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)系统上行链路速率，文中利用智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)可以改变入射信号相移的特性对NOMA系统上行传输速率进行研究。为了最大化和速率，提出联合优化用户发射功率和IRS的相位偏移的问题，首先采用低复杂度的块坐标下降(Block Coordinate Descent, BCD)算法将原始优化问题分解成两个简化的子问题，再通过交替优化算法求解简化后的两个子问题。实验仿真结果证明该优化方案可以显著提升系统和速率。     

任务驱动的自组织蜂群柔性阵列波束赋形算法研究

根据无人机蜂群构型自组织调整位置和权向量能够实现波束指向特定方向的任务需求，该文提出了一种新颖的任务驱动的自组织蜂群柔性阵列波束赋形算法。首先，建立以无人机蜂群距离为约束、以无人机机载天线坐标位置及权向量为优化变量的波束赋形数学模型。接着，应用Lawson准则简化目标函数，将天线坐标位置及权向量的两类变量优化问题简化为天线坐标位置的单类变量优化，解决了波束赋形模型优化变量耦合带来的求解难题。同时，引入辅助变量，进行约束和复杂目标函数的分离，并通过交替方向乘子法进行求解，降低了包含约束的高度非线性优化问题的求解难度。此外，该文将上述算法扩展至目标方向不精确的应用场景。仿真结果表明，该方法可有效降低波束赋形峰值旁边电平。      

一种基于特征值分布的波束赋形方案

该文分析了在不同角度扩展和DOA情况下的特征值分布,研究了在不同角度扩展环境下不同波束赋形算法的性能。在此基础上,提出了一种基于特征值分布的波束赋形方案。该方案根据信道的特征值分布自适应地采用不同波束赋形算法。仿真表明,该方案与PPPW(Per-Path Per-Weight)波束赋形算法性能相近,同时大大降低计算复杂度。     

基于非稳态MAB的LEO卫星跳波束时隙分配算法

针对低地球轨道（LEO）卫星系统中的跳波束资源分配算法不能适应小区业务动态变化等问题，提出了一种基于非稳态多臂赌博机（MAB）的LEO卫星跳波束时隙分配算法。首先，以系统二阶差分容量最小化为优化目标，建立了时隙分配和波束等级匹配的联合优化问题。其次，由于该问题非凸且难以直接求解，基于有效小区和有效关键小区的概念提出波束等级组合方案生成算法，从而生成所有可能的波束等级组合方案。接下来，提出了基于非稳态MAB模型的动态时隙分配方案，在最优波束等级组合方案下完成时隙分配与波束等级匹配的联合优化。最后，计算机仿真结果表明，所提算法在多种小区业务分布的情况下，系统平均冗余度均不超过20%；相比于其他对比方案，所提算法在保持较高的系统吞吐量的同时，还可以将波束平均重访时间控制在300 ms左右。     

基于IRS辅助的SWIPT物联网系统安全波束成形设计

为满足绿色万物互联的智能信号处理部署和物理层安全的新要求,针对基于智能反射面辅助的无线携能通信物联网系统中可持续能量供应紧缺问题,提出了一种安全波束成形设计方法。考虑保密速率、发射功率和IRS反射相移约束,以最大化能量采集器采集功率为目标,联合优化基站发射波束成形矩阵和干扰机协方差矩阵以及IRS相移,将优化问题建模为具有二次型约束的非凸二次型规划问题。利用松弛变量、半定松弛法、辅助变量和序列参数凸逼近法将非凸的二次型问题转化为等价的凸问题,并提出一种交替迭代优化算法获取原问题的可行解。仿真结果表明,所提算法能够快速收敛,且与基准方案相比能有效地提升性能。     

阵列天线波束赋形的混合遗传算法优化

本文提出了一种应用于阵列天线波束赋形优化的混合遗传算法.该算法将简化的步长加速法作为一个局部搜索算子,融入到基于实数编码的遗传算法中.局部搜索算子的引入,使得新算法同时具有了传统遗传算法在全局搜索时的鲁棒性和步长加速法在局部搜索中搜索较快的优点.文中分别利用该算法对16元直线阵列进行了平顶波束和余割平方波束赋形优化,仿真结果表明了该算法在阵列天线波束赋形优化问题上的应用是有效的.