智能反射面实现空间调制的安全系统性能分析

为了解决安全空间调制系统中合法信道增益差的问题,提出了一种用智能反射面(Intelligent Reflective Surface,IRS)实现空间调制的物理层安全传输方案。IRS接收到发射端发射的幅相调制信号后,通过选择不同的IRS反射元件序号对空域部分信息进行映射,再将信号反射到接收端,以增大窃听端获取完整信息的难度。此外,在发射端采用波束赋形和天线分集技术,提高了系统有效性和可靠性。对系统的保密速率和误比特率进行的理论分析和仿真实验结果表明,所提方案不仅可以提高系统保密速率,还可以降低合法接收端的误比特率。     

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。     

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。     

有无源智能反射面辅助无线系统信道估计

毫米波在非视距链路传播中损耗严重,为了进一步提高信号的覆盖范围及传输准确性,提出了一种基于少量有源元件的智能反射面(intelligent reflecting surface, IRS)辅助无线通信的信道估计方案。考虑基于少量能够接收处理信号的有源元件辅助信道估计的模型,利用毫米波信道的稀疏性,通过原子范数最小化(atomic norm minimization, ANM)将信道的相关角度参数转化为空间频率,再通过多信号分类算法降维估计相关角度、深度神经网络简化获取信道状态信息(channel state information, CSI)过程、奇异值分解优化波束成形等方法的优势相结合来估计信道参数,最终获取UE-IRS、IRS-BS的单独信道状态信息。仿真结果表明,所提方案在较低的有源元件开销下,有效降低了信道估计的归一化均方误差。     

面向智能反射面辅助通信的深度学习信号检测

为了解决经典的信号检测方法在性能或复杂度方面存在的不足,根据智能反射面辅助通信的特点,利用深度学习方法设计了一种新型的面向智能反射面辅助通信的信号检测网络。根据梯度下降算法的展开思想,网络采用多个相似的单元结构级联,在每个单元中通过设计短路直连结构强化部分输入的影响,并通过单元权重系数对网络不同单元的重要性进行调节。仿真结果表明,提出的深度检测网络相较传统线性检测算法在多种规模的智能反射面辅助通信系统中均有较大的性能提升,并具有较低的复杂度。     

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。     

广义空间调制系统的低复杂度检测算法

针对广义空间调制( GSM)系统接收端最大似然( ML)检测算法计算复杂度极高的缺点,提出了一种基于压缩感知( CS)信号重构理论的低复杂度信号检测算法。首先,在多输入多输出( MI-MO)信道模型下,通过改进正交匹配追踪( OMP)算法,得到一个激活天线索引备选集;然后,利用ML算法在该备选集中进行遍历搜索,检测出激活天线索引和星座调制符号。仿真结果表明所提算法的检测性能接近于ML算法,且复杂度约为ML算法的2%。因此,所提算法在保证检测性能的同时也大大降低了计算复杂度,实现了检测性能与复杂度之间的平衡。     

广义空间调制中的高效天线选择算法

天线选择技术是一种能够提供高分集增益的有效手段。广义空间调制(GSM)系统可以与天线选择相结合使BER性能和系统容量得到提升。文中首先研究了GSM系统中基于欧氏距离的天线选择算法;然后提出一种低复杂度的基于模值排序准则的天线选择算法;为了取得复杂度和传输性能的折中,最后提出一种结合模值排序和欧氏距离的天线选择算法。仿真分析结果表明,提出的新型结合模值排序和欧氏距离的算法是一种更有效的系统优化算法。     

可重构智能反射面辅助认知无线电多天线安全传输方法

考虑一个可重构智能反射面(RIS)辅助的频谱共享认知无线电(CR)多输入多输出(MIMO)安全通信系统。在存在窃听者的情况下,配备有多根天线的次级发送机与次级用户进行通信。首先,利用统计信道状态信息,得到了系统遍历安全速率的确定性等价表达式。然后,在满足总发送功率约束和干扰功率约束的条件下,提出一种结合泰勒级数展开法和拉格朗日乘子法的交替优化算法,联合优化了发送协方差矩阵和RIS相移矩阵。最后,仿真结果验证了所提算法的有效性。     

智能反射面辅助的毫米波大规模MIMO技术综述

毫米波大规模MIMO能够在用户吞吐量和频谱效率等方面发挥巨大的优势,但高能耗和高硬件成本的问题阻碍了系统的实用化进程。智能反射面作为一种低能耗、易部署、可编程的新兴技术,可以有效改善上述问题。IRS与毫米波大规模MIMO的结合在满足6G的绿色通信理念的同时,又有助于实现高速率通信和低功耗通信的愿望。因此结合国内外的最新发展趋势,讨论了毫米波大规模MIMO以及IRS辅助的毫米波大规模MIMO的发展历程、关键技术的特点,并进一步讨论了未来的研究热点以及有待解决的问题。     

自适应映射广义空移健控调制(英文)

Generalized Space Shift Keying (GSSK) modulation is a low-complexity spatial multiplexing technique for multiple-antenna wireless systems. However, effective transmit antenna combinations have to be preselected, and there exist redundant antenna combinations which are not used in GSSK. In this paper, a novel adaptive mapping scheme for GSSK modulation, named as Adaptive Mapping Generalized Space Shift Keying (AMGSSK), is presented. Compared with GSSK, the antenna combinations are updated adaptively according to the Channel State Information (CSI) in the proposed AMGSSK system, and the performance of average Symbol Error Rate (SER) is reduced considerably. In the proposed scheme, two algorithms for selecting the optimum antenna combinations are described. The SER performance of AMGSSK is analyzed theoretically, and validated by Monte Carlo simulation. It is shown that the proposed AMGSSK scheme has good performance in SER and spectral efficiency.     

智能反射面辅助MU-MISO系统宽带信道估计算法

为适应移动通信系统的宽带化应用,针对智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）辅助多用户多输入单输出系统信道估计问题,提出了一种基于稀疏矩阵分解的改进正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit,OMP）算法。首先,考虑基站导频约束及IRS相移约束,建立一个压缩感知模型。然后,通过自适应地细化变换矩阵的分辨率,避免稀疏信号的细节丢失;再利用信道在不同子载波处共享的公共稀疏性,对多个子频带进行联合估计。最后利用级联信道的双结构稀疏性,将信道估计扩展至多用户场景。仿真结果表明,与传统压缩感知算法相比,所提算法能以较小的导频开销获得更高的准确性。     

能量效率优化的广义空域调制系统

为了提高能源使用效率,能量效率（EE）是绿色无线通信研究的主要内容。为了有效提高多天线传输系统的能源使用效率,提出了一种基于能量效率优化的广义空域调制（GSM）系统（EE-GSM）。该系统基于最大化能量效率准则,考虑发射天线数较多的情况,首先利用天线选择算法（AS）确定最佳发射天线子集,然后计算适合广义空域调制系统的有效射频通道(RFC)数,从而实现全局能量效率优化设计。仿真结果和分析表明,与传统的AS-MIMO、GSM及SM系统相比,新系统能有效地提高能量效率,并且改善了系统的误码率和容量性能,同时系统最终所需的有效射频通道数一般为2,3或4个,符合绿色通信系统设计原则。      

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。     

Novel Trellis‐Coded Spatial Modulation over Generalized Rician Fading Channels

In this paper, a novel trellis‐coded spatial modulation (TCSM) design method is presented and analyzed. Inspired by the key idea of trellis‐coded modulation (TCM), the detailed analysis is firstly provided on the unequal error protection performance of spatial modulation constellation. Subsequently, the Ungerboeck set partitioning rule is proposed and applied to develop a general method to design the novel TCSM schemes. Different from the conventional TCSM approaches, the novel one based on the Ungerboeck set partitioning rule has similar properties as the classic TCM, which has simple but effective code design criteria. Moreover, the novel designed schemes are robust and adaptive to the generalized Rician fading channels, which outperform the traditional TCSM ones. For examples, the novel 4‐, 8‐, and 16‐state TCSM schemes are constructed by employing different transmit antennas and different modulation schemes in different channel conditions. Simulation results clearly demonstrate the advantages of the novel TCSM schemes over the conventional ones.     

智能反射面辅助的反向散射通信信道的传播模拟

为了解决引入智能反射面(IRS)后反向散射通信(BackCom)信道的传播模拟问题,该文提出一种基于抛物方程(PE)和矩量法(MoM)的高效混合数值方法。该方法将电大场景下IRS辅助信道的传播建模问题分解为电波传播与电磁散射两个子问题,分别采用PE和MoM进行求解。通过对视距和非视距场景下IRS辅助的信道进行模拟,探讨了PE-MoM混合求解技术的高效性。仿真结果表明,与MoM相比,所提算法的计算速度提升了6.46倍,计算资源消耗也下降了81%,且相对均方根误差仅为3.89%。对比结果表明所提出的PE-MoM方法能够在兼顾计算精度和计算效率的同时,实现IRS辅助的BackCom信道的传播模拟。     

Performance analysis of intelligent reflecting surface-assisted mobile wireless networks subjected to generalized Gaussian noise

Different from the prior works, this paper presents the performance analysis of an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted communication link in a static and mobile scenario impaired by Rayleigh fading and additive white generalized Gaussian noise (AWGGN). Precisely, the IRS is configured as an intelligent access point, and the mobile behavior of the nodes is characterized by the random waypoint (RWP) model. To this end, closed-form expressions of average bit error rate (BER), average channel capacity (ACC), and outage probability (OP) in both static and mobile scenarios are obtained. To gain further insight into the system performance at high signal-to-noise ratio (SNR), asymptotic expressions are obtained. Moreover, the effect of the number of reflective elements ( $N$) and the shaping parameter ( $\lambda$) on the system performance is thoroughly studied. The results indicate that introduction of IRS leads to significant improvement in the overall system performance. The derived results are corroborated with Monte Carlo simulations.     

智能反射表面辅助无线能量传输的保密率最大化算法

为了减少窃听者对合法接收者的信息接收影响和窃听者的有用信息接收量,该文研究利用智能反射表面(IRS)来实现无线供电通信网络(WPCN) 中窃听端处的波束抵消。首先在传输能量的同时进行窃听检测,IRS根据合法用户的能量状态选择是否采取防窃听模式,然后在存在窃听的情况下,研究了窃听信道完美和不完美状态下系统的保密率最大化问题。分析表明,这一最大化问题是相移、功率分配、时间分配的多变量耦合非凸问题,可以采用分步优化、变量替换和S-Lemma等方法进行求解。仿真结果表明,与基准算法相比,所提算法提升了保密率,当智能反射表面元件数为80时保密率提升了44%,发射功率为40 dBm时保密率提升了34%。