基于认知无线电系统的协作中继分布式功率分配算法

协作通信与直接通信相比能够显著地提高系统性能。协作通信中的一个关键问题是管理中继节点及有效地进行功率分配。尤其对于频谱共享的认知无线电(Cognitive Radio,CR)系统,协作方案的设计不仅要最大限度地提高认知网络协作的功率效率,而且需要最小化对主系统的干扰。该文针对认知无线电系统的协作通信问题,在多个中继节点与源节点协同通信的场景下,提出了一种基于放大转发(Amplify and Forward,AF)模式下的功率分配及联合优化算法,在保证主系统传输性能不受影响的前提下,提高认知系统的传输速率。仿真结果表明该文提出的自适应协作传输方案,和直接传输及等功率传输方案相比获得了进一步的性能增益,中断概率显著下降。     

一种改进的中继节点选择方案

3GPP标准组织在2004年底启动了其长期演进(LTE)技术的标准化工作.上行传输方案采用带循环前缀的单载波频分多址接入(SC-FDMA)技术.对LTE上行链路进行仿真,实现无中继节点的直接传输.引入中继节点,通过传统最大路径损耗最小(LMP,least maximum pathloss)方案选取最优中继参与协作传输.重点分析并指出了传统LMP算法的缺点和不足,在此基础上提出了一种改进的中继节点选择算法,并结合考虑了源节点和中继节点的功率分配.从系统误码率和用户消耗功率两个方面对各传输方案进行了仿真分析.仿真结果表明LTE上行链路引入中继节点实现协作传输可明显提高系统的误码率性能.协作传输还节约了功率的使用,提高了用户的待机时间和功率效率.相比传统中继选择方案,改进后的LMP算法无论是从误码率还是功率消耗都得到明显改善.     

全双工中继协作下的认知MIMO系统吞吐量最大化研究

本文研究了全双工中继协作下的认知MIMO系统的平均吞吐量最大化问题。与传统的中继协作认知无线电系统不同的是,该系统模型中的双工中继节点既能协助认知用户源节点进行多天线频谱感知以提高频谱检测性能,也能解码转发认知用户源节点的发送信号以获得更大的系统吞吐量。为使系统平均吞吐量最大,首先,本文以认知用户能获得的最大平均频谱空洞被发现的概率为目标,对系统的帧结构进行优化以获得最佳的感知时间,接着对多个发送天线进行优化以选择出最佳的发送天线,并推导出了在总的发送功率和对主用户干扰受限条件下的认知用户源节点和双工中继节点的最佳功率分配方案。最后的仿真结果表明本文提出的系统模型和优化方案相比传统的双工等功率分配方案以及单工功率分配方案能够获得更大的系统平均吞吐量。      

认知无线网络中一种基于放大转发的协作传输策略

在不干扰主用户数据传输的条件下,通过次用户间的彼此协作传输,可以使认知无线网络获得明显的空间和时间分集增益,从而改善次用户传输性能。该文针对主次用户共存,主用户交替转移信道忙闲状态的网络环境下,提出了一种基于放大转发的协作传输方案,当主用户存在时机会的使用中继节点转发数据,并且对所提方案的无冲突传输时间进行了理论分析,给出了非协作传输和协作传输模式下的无冲突传输时间的解析表达式,理论分析和仿真结果表明,协作传输方案的无冲突传输时间明显优于非协作传输方案,次用户协作为认知无线网络带来可观的性能增益。     

多中继AF协作系统功率分配研究

功率分配是协作通信中一个重要的研究方向,文章分析了放大转发（AF）协作方式下,基于正交信道的多协作中继系统模型,在此基础上推导了系统中断概率。并以最小化系统中断概率为目标,给出系统功率分配约束表达式,进一步分析了功率分配与中继节点位置的关系,计算求得单中继和两中继情况系统最优功率分配系数。系统仿真表明最优功率分配相对常规的等功率分配,系统性能明显提升。     

两阶段中继选择策略下SWIPT-CR-NOMA网络的中断性能分析

针对采用无线携能传输(SWIPT)的多中继协作底层认知NOMA网络,提出一种基于NOMA和串行干扰消除协议的两阶段中继选择策略(TSRS),次级网络源节点和所选中继采用相同的功率分配生成多用户叠加信号,中继只利用采集能量提供解码转发服务。推导了用户中断概率的闭合表达式,进行了蒙特卡洛仿真验证,分析了功率分配因子、能量分裂参数、干扰温度限和中继数量等系统参数对中断性能的影响。仿真结果表明,所提方案可显著提升协作系统中断性能。      

基于萤火虫算法的多中继功率分配

为了充分实现中继协作,降低多中继协作通信系统功率分配优化问题的计算复杂度,提出了基于萤火虫算法的多中继功率分配方案。在一定的总功率和节点功率约束下,以最大化平均信噪比为优化目标函数,建立了多中继协作系统的功率分配最优化模型。选取该目标函数作为萤火虫的适应度函数,用向量表示萤火虫的状态,该向量的维数为待分配源节点和中继节点的个数,通过萤火虫聚集得到种群中最好的萤火虫,即可获得渐进最优功率分配。仿真结果表明,与平均功率分配相比,基于萤火虫算法的功率分配方案能降低2.44%~6.17%的比特差错率,提高了系统性能。     

两级中继选择的协作CR-NOMA网络性能分析

本文研究了中继选择方案对协作下认知非正交多址（CR-NOMA）网络中断性能的影响,提出了一种两级中继选择方案。第一时隙在保证主用户服务质量的基础上,次级网络源节点向认知中继集群广播叠加信号。第二时隙认知中继提供解码转发服务,协助源节点传输信息。基于上述假设,推导了次级用户中断概率的闭合表达式并给出了分析结果。证明相比于部分中继选择策略,两级中继选择策略可以达到更好的中断性能和更大的分集增益。同时本文的分析结果验证了备选中继节点数目和功率分配因子对系统中断性能的影响,蒙特卡罗仿真验证了理论结果。      

非对称信道下协作通信系统中断概率的研究

首先建立了非对称信道下协作系统的数学模型,考虑了源节点到目的节点的直通链路,利用特征函数法推导出协作系统的平均中断概率公式,通过仿真验证了该中断概率公式的精确性,理论和仿真都表明协作系统的中断概率和中继节点的个数、位置分布以及协作系统的功率分配因子有着密切关系,并且考虑源到目的节点的直通链路相对于不考虑直通链路的情况具有更高的性能增益;然后又在此公式基础卜就协作系统中继节点的位置分布对最优功率分配因子的影响进行了仿真分析,并指出协作系统的最优功率分配因子受制于中继节点的位置分布情况.     

功率约束条件不同时下行相干CoMP传输异构网的性能

本文研究在异构网中进行相干协作多点传输时低复杂度迫零（ZF）预编码的性能。我们考虑在同构网中常用的低复杂度ZF预编码结构,即先进行ZF波束形成再进行功率分配,分析在采用和功率约束及单基站功率约束下使和数据率最大的功率分配时协作传输的性能,并与实际系统中常用的等功率分配的性能进行比较。分析结果表明,在异构网多载波系统中进行下行相干协作传输时,与在同构网中的结果不同,协作传输后单基站功率约束的性能远优于其他功率约束下的性能。但是,当协作的宏基站与微基站最大功率差别较大时,宏用户的性能在协作后甚至不如不进行协作传输,而微用户的性能会有所提高。这意味着在异构网中设计协作预编码时必须考虑单基站功率约束,而且不能只对功率分配进行优化设计。      

基于认知无人机移动中继网络的物理层安全通信研究

针对无线频谱资源稀缺和空对地视距(Line of Sight,LoS)链路的安全隐患问题,提出了一种无人机.(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)中继辅助的认知无线电网络(Cognitive Radio Network,CRN)安全传输方案,研究了在主用户和窃听者存在的情况下,次用户发射机向次用户接...     

Distributed Adaptive Power Allocation for Wireless Relay Networks

In this paper, we consider a 2-hop wireless diversity relay network. We explore transmit power allocation among the source and relays to maximize the received signal to noise ratio (SNR) at the destination. We consider two relay protocols, "amplify and forward" (AAF) and "decode and forward" (DAF) and design the respective power allocations for both uneeded and coded systems. For a 2-hop relay system with one relay node, we derive a closed-form power allocation solution and, based on it, we propose a relay activation condition. If and only if the fading channel coefficients satisfy this condition, the relay transmits the signals to the destination; otherwise, the relay will stay in the idle state. For a system with more than one relay node, general closed-form power allocation solutions based on an exact SNR expression are difficult to derive; we hence, calculate a SNR upper bound and derive a sub-optimum power allocation solution based on this bound. The simulation results show that for a 2-hop diversity relay channel with one relay node the proposed adaptive power allocation (APA) scheme yields about 1- 2 dB SNR gains compared to the equal power allocation. This SNR gain increases monotonically as the number of relays increases     

Quasi‐optimal power allocation based on ergodic capacity for wireless relay networks

Half‐duplex amplify‐and‐forward (AF) transmissions may result in insufficient use of degrees of freedom if they always use the cooperative mode regardless of the fading states. In this paper, we investigate the conditions under which cooperation offers better performance and the corresponding optimal power allocation during cooperation. Specifically, we first derive an expression of ergodic capacity and its upper bound for an AF cooperative communication system with n relay nodes. Secondly, we propose a novel quasi‐optimal power allocation (QOPA) scheme to maximize the upper bound of the derived ergodic capacity. For the QOPA scheme, the cooperative mode is only adopted when the channel gain of source‐to‐destination is worse than that of relay‐to‐destination. Moreover, we analyze the performance of the system with QOPA scheme when the relay moves, which is based on the random direction model, in a single‐relay wireless network. For a multi‐relay AF network, we compare the ergodic capacity and symbol error rate, corresponding to the proposed QOPA and equal power allocation schemes, respectively. Extensive simulations were conducted to validate analytical results, showing that both ergodic capacity and symbol error rate of the system with QOPA scheme are better than those of the system with equal power allocation scheme in a multi‐relay AF network. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Nelder‐Mead–based power optimization for secrecy enhancement in amplify‐and‐forward cooperative relay networks

Cooperative communication based on relaying nodes has been considered as a promising technique to increase the physical layer security (PLS) performance in wireless communications. In this paper, an optimal power allocation (OPA) scheme based on Nelder‐Mead (NM) algorithm is proposed for improving the secrecy rate of amplify‐and‐forward (AF) cooperative relay networks employing cooperative jamming (CJ) scheme. The proposed hybrid jamming scheme allows the source and selected relay to transmit the jamming signal along with the information to confound the eavesdropper. The path selection probability of ant colony optimization (ACO) algorithm is used for selecting the relay for transmission. The performance based on secrecy rate is evaluated for “n” trusted relays distributed dispersedly between the source and destination. Gradient‐based optimization and three‐dimensional exhaustive search methods are used as benchmark schemes for comparison of the proposed power optimization algorithm. The secrecy performance is also compared with conventional AF scheme and CJ scheme without power optimization (EPA). The impact of single and multiple relays on secrecy performance is also evaluated. Numerical results reveal that, compared with the gradient method and exhaustive search algorithm, the proposed power allocation strategy achieves optimal performance. Also, the derived OPA results show a significantly higher secrecy rate than the EPA strategy for both CJ and AF schemes.     

基于中断概率的协作通信中继选择与功率分配算法

研究了功率受限情况下多中继协作通信网络的中继选择和功率优化问题。在AF网络中,提出了一种低复杂度中继选择与功率分配算法,其目标是在总功率一定的条件下使系统的中断概率最小。本算法对源节点和所有潜在中继节点进行功率分配,结合当前信噪比选择最优的中继集合,通过最速下降法求出使系统中断概率最低的功率分配因子。该算法不需要知道大量瞬时信道信息、不需要系统在等功率条件下进行中继选择,只需求得中继节点排列矩阵便可根据当前信噪比自适应获得最优中继节点集合。仿真结果表明,在相同条件下,该算法明显优于不同中继节点集合下几种算法的中断性能,并且与传统的SAF及AAF算法相比,有效降低了中断概率,提升了系统性能和功率效率。     

Two-way中继系统协作节点选择及功率分配策略

为了提高Two-way中继系统总速率,该文提出了一种Two-way AF中继系统的双向中继选择(BRS)策略,该策略通过联合考虑中继节点处的接收信噪比和中继节点到目的节点间的信道增益,实现了最优中继选择。进一步,在最优中继基础上提出了Two-way中继系统两种优化功率分配策略:(1)基于凸优化的功率分配策略(OPA-CO);(2)基于信道增益差异的优化功率分配策略(OPA-DCG)。方案(1)提出了总功率受限的条件下最大化Two-way中继系统总速率的优化模型;方案(2)通过考虑链路之间信道增益的不同,提出了一种速率增量最大化的数学优化模型,为降低求解凸优化模型的复杂度,采用一种迭代功率分配算法求解上述优化模型。仿真结果证明两种策略均能提高系统总速率。     

混合转发协作通信的功率分配方案

为了最大限度地利用移动终端的发射功率,提出了基于中断概率限制的混合转发协作通信功率分配方案。根据目的节点和中继节点的译码情况,选择合适的协作转发方式,充分利用了放大转发(AF)和译码转发(DF)方式的优点。在满足中断概率限制的条件下,采用图形和数值分析的方法,得到了源节点和中继节点的最优功率分配。仿真分析表明,在相同的中断概率限制下,采用的功率分配方案比等功率分配方案消耗的总功率少约2.8 dBm。     

Performance study of hybrid decode–amplify–forward (HDAF) relaying scheme for physical layer security in wireless cooperative network

In this paper, the secrecy performance and power allocation of the signal‐to‐noise ratio‐based hybrid decode–amplify–forward (HDAF) relaying protocol in wireless cooperative network are investigated to get security at physical layer. The performance metrics considered are secrecy rate and intercept probability. The Ergodic secrecy rate is approximated theoretically. The effect of relay and eavesdropper locations on the secrecy performance of the system is analyzed. It is found that maximum secrecy rate is obtained for the relay close‐to‐destination case and minimum for the relay close‐to‐eavesdropper case. Jamming schemes are superior in secrecy rate performance than without jamming schemes. To enhance the secrecy rate further with the optimized relay and jammer powers, invasive weed optimization (IWO) algorithm‐based power allocation is proposed. Here, maximizing the secrecy rate is defined as the cost function for the proposed IWO algorithm‐based power allocation. Comparative study is done over the conventional equal and proposed power allocation schemes for validation. The proposed power allocation scheme proved to be superior. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于信道统计特性的中继选择算法

该文提出了一种在非再生协作网络中,基于信道统计特性的最优中继选择方法。首先在等功率条件下,根据信道统计特性,定义一个等效信道增益的参数,该参数反映了中继节点在协作过程中两个阶段的信道特性。然后提出一种基于该参数的降序排列的中继选择方法。该方法在不同的信噪比范围内,选择不同的节点集合,使得系统的吞吐率中断概率最小。分析表明该选择方法的分集增益阶数能达到N+1,N为中继节点数目。仿真结果表明这种中继选择算法的中断概率性能优于其他算法。该方法进一步与功率分配相结合,构成了一种低复杂度的次优的中继选择方法。仿真结果表明这种次优算法能够取得和穷举算法相似的性能。