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度达到较高的频谱效率性能。      

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.     

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。     

5G大规模波束赋形技术综述

大规模波束赋形技术是5G新空口(NR)满足增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延(URLLC)以及海量机器间通信(mMTC)三大场景性能指标的核心技术。从学术研究和产业发展两个角度回顾了大规模波束赋形技术的发展历史,探究了大规模波束赋形技术性能增益的理论源头,分析了验证和测试结果,进一步说明了理论的正确性和大规模波束赋形技术的可行性;针对大规模波束赋形的关键技术展开讨论,从信道建模、传输/接收方案、反馈方案、参考信号设计和天线阵列设计等角度分析大规模波束赋形的技术瓶颈和可能的解决方案;介绍了大规模波束赋形技术在5G NR中的标准化方案,包括传输方案、信道状态信息获取机制、参考信号设计、协作方案和波束管理等,剖析其设计机理并指出了设计上的一些缺陷。最后对大规模波束赋形技术的演进方向做了总结和展望,梳理了进一步增强的技术方向。从产学研用等多个角度解析大规模波束赋形技术的发展脉络,希望为相关研究提供有益的指导和借鉴。     

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。     

多用户间干扰下IRS辅助毫米波波束赋形研究

为解决IRS辅助毫米波通信系统中的干扰问题，提出了一种基于最大化系统总传输速率的联合波束赋形方案。该方案采用分数规划和二次型变换等技术，通过交替优化算法进行连续相移的联合波束赋形设计。针对实际硬件实现中的反射相移离散问题，进一步提出了一种离散相移的交替优化算法。仿真结果表明，该算法能够有效提高系统总传输速率，并且离散相移方案的总传输速率与连续相移方案趋近。     

基于MIMO系统最大合并机制的传输波束赋形

本文在充分考虑了算法复杂度和系统性能之间的折中关系后,提出一种在MIMO系统中基于MNC准则对信道矩阵的进行不断地合并得到一种近似于理想波束赋形的权向量的方法.仿真结果证明与信道矩阵单一值分解（SVD）的方法相比本文提出的波束赋形方法在保证传输性能趋于理想波束赋形性能的前提下大幅度减少算法复杂度.     

中继网络中不准确信道状态信息下抗多窃听者的物理层安全方案

该文研究存在多个相互勾结的单天线窃听者的多中继传输系统中,采用零空间人工噪声和放大转发的中继波束赋形的物理层安全传输方案。在中继窃听端的信道状态信息不准确的情况下,基于半定规划理论,对中继的波束赋形加权矩阵和人工噪声协方差矩阵进行联合优化,有效减少相互勾结的多个窃听者所获得的信息量,显著提高系统保密容量,是一种具有良好鲁棒性的物理层安全传输方案。仿真结果显示方案具有良好的性能。     

移动通信系统中基站天线波束赋形设计

摘 要：基站天线的波束赋形设计是提高移动通信系统信道性能的有效手段之一。本文基于移动通信系统，建立了基站天线赋形的优化模型，给出求解具有多个复杂约束条件的乘子罚函数的迭代算法。以八单元线阵为例，设计出压低上半空间所有副瓣峰值，填充下半空间零陷的基站天线，验证了本文方法的正确性和有效性。该方法对于波束赋形问题具有一定的借鉴意义。     

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。     

Hybrid beamforming with discrete phase shifters for millimeter wave backhaul networks

Hybrid beamforming (HBF) technology becomes one of the key technologies in the millimeter wave (mmWave) mobile backhaul systems, for its lower complexity and low power consumption compared to full digital beamforming (DBF). Two structures of HBF exist in the mmWave mobile backhaul system, namely, the fully connected structures (FCS) and partially connected structures (PCS). However, the existing methods cannot be applied to both structures. Moreover, the ideal phase shifter is considered in some current HBF methods, which is not realistic. In this paper, a HBF algorithm for both structures based on the discrete phase shifters is proposed in the mmWave mobile backhaul systems. By using the principle of alternating minimization, the optimization problem of HBF is decomposed into a DBF optimization problem and an analog beamforming (ABF) optimization problem. Then the least square (LS) method is enabled to solve the optimization model of DBF. In addition, the achievable data rate for both structures with closed-form expression which can be used to convert the optimization model into a single-stream beamforming optimization model with per antenna power constraint is derived. Therefore, the ABF is easily solved. Simulation results show that the performance of the proposed HBF method can approach the full DBF by using a lower resolution phase shifter.     

基于GSIC的上行链路毫米波大规模MIMO-NOMA系统低功耗传输方法

非正交多址接入（non-orthogonal multiple access,NOMA）和毫米波大规模多输入多输出（multiple-input multiple-output,MIMO）的结合能够支持未来无线通信网络的巨流量大连接需求。研究了上行链路毫米波大规模MIMO-NOMA系统中的功率最小化问题，提出了基于群体串行干扰消除（group-levelsuccessiveinterference cancellation,GSIC）的混合波束成形毫米波MIMO-NOMA上行传输系统新架构。具体来说，根据信道增益对用户进行群体划分，不同群体用户由NOMA服务，群体内用户采用空分多址区分。通过给不同群体设计模拟波束成形矩阵，对数字波束成形和功率控制进行联合优化，提出了一种并行迭代算法来解决优化问题。仿真结果表明，所提出的新架构在总功率方面优于传统的基于分簇和用户级串行干扰消除的毫米波大规模MIMO-NOMA。     

多小区大规模协同功率分配及波束成形算法

针对大规模多输入单输出的多点协作下行系统,本文主要研究协同波束成形和功率控制,以达到最大化最差用户信干噪比的目的。为了求解原始下行的非凸优化问题,首先将原始优化问题转化成等价的上行优化问题进行求解。尽管在有限系统里可通过迭代算法获得波束矢量和发射功率,但是该算法依赖于瞬时信道信息,功率也需要瞬时更新。为了减少功率更新计算复杂度,本文进一步利用随机矩阵理论,提出了只需要依赖统计信道信息的算法来获得发射功率。数值仿真验证了单基站功率约束下所提算法的有效性以及相对于最大比发送算法的优越性。      

FDD大规模MIMO系统速率最大化导频信号设计方法

该文针对FDD大规模MIMO下行系统,联合考虑信道空间相关性、信道估计精度和波束成型方案对导频信号设计的影响,以最大化下行遍历可达速率为目标,以系统总功耗为约束,建立关于导频信号矩阵的优化模型。由于原始优化问题的目标函数没有闭合形式表达式,利用大维矩阵理论中确定性等价原理可获得其近解析表达式,从而得到了遍历速率关于导频矩阵的显示表达式。基于此,利用主导理论,推导出了最优导频信号所具有的矩阵结构特征。进而,将原优化问题转换为等价的导频序列功率分配问题,再利用拉格朗日对偶法求解得到了最优导频信号的闭合形式解。通过分析,给出了最优导频序列长度的实际值与最大范围。数值仿真结果验证了所推导的遍历速率解析表达式的精确性和有效性,并对比了所提出的导频方案与传统基于最小均方误差准则导频方案在遍历速率方面的性能增益,以及所使用的导频序列长度差异,同时给出了两种方案在导频信号功率分配时的差异性。      

Transmit beamforming for space-frequency coded MIMO-OFDM systems with spatial correlation feedback

This paper addresses the problem of joint optimization of transmit beamforming and space-frequency (SF) coding for MIMO-OFDM systems with spatial correlation feedback in broadband communications. This problem is challenging in the sense that the transmitter should be designed to beamform across multiple eigenspaces associated with the multipath environment simultaneously. With arbitrary transmit spatial correlation, the performance analysis for SF-coded MIMO-OFDM systems with beamforming is provided, and a general optimization problem for the beamforming design is formulated. Three suboptimal approaches to design the beamformer based on the derived design criteria are proposed: i) eigenvalue selection scheme; ii) eigenspace selection scheme; and iii) per-subcarrier approach based on decoding at each subcarrier. The proposed schemes take into account the multiple eigenspace information associated with the multipath-delay channel. Improvement in the performance over SF coding without beamforming is shown through simulations in terms of bit error rate. The eigenvalue selection scheme provides the best performance among the proposed algorithms. This scheme locates the subspace associated with the largest eigenvalues in the eigenspace of the covariance matrices. With the eigenvalue selection scheme, the performance improvement is about 3 dB over the SF coding without beamforming for highly correlated channels as shown in our simulations.     

Joint Transmit Beamforming and Power Control for CDMA System

1　Introduction　Power control and beamforming are two main methods toreduce interference in CDMA cellular communication sys tem. In power control, the transmitters powers are constant ly adjusted when the instantaneous SIR is not equal to targetSIR, so that the quality of weak links is improved. Base sta tion equipped with antenna arrays may adjust their beam pat terns so that they have maximum gain towards the directionsof target mobiles and minimum gain towards the other direc tio…     

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。     

Artificial noise-aided robust secure information and power transmission scheme in heterogeneous networks with simultaneous wireless information and power transfer

A heterogeneous network with simultaneous wireless information and power transfer under the stochastic channel state information (CSI) error was considered.In this network,to guarantee the security and reliability of information and energy transmission,an artificial noise (AN)-aided robust secure information and power transmission scheme was proposed.By jointly designing the downlink information beamforming and AN matrix of macrocell base station and femtocell base stations,the eavesdroppers were jammed and the energy receiving performance of system was improved simultaneously.The problem of maximizing the energy receiving performance was modeled under the constraints on the base station power,the outage probability of information transfer and confidential information eavesdropped.Due to the probabilistic and rank-one constraints,this problem was non-convex.To obtain the solution,the original problem was first transformed into an equivalent form,which was easy to process.Then,the Bernstein-type inequality and the Large-deviation inequality was utilized to transform the outage probability limits into convex linear matrix inequalities,respectively.Finally,the rank-one beamforming constraints were processed with quadratic equality constraint procedure.Simulation results show that the proposed scheme has higher energy receiving performance and feasible performance in comparison with compared schemes,which validates the effectiveness and the robustness of our proposed scheme.     

非理想信道状态信息下RIS辅助的安全通信

利用可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)辅助无线发射机,可提高多用户无线网络的安全传输能力。在非理想信道状态信息(Channel State Information, CSI)下提出了鲁棒波束形成优化方法来提高系统对抗干扰和窃听攻击的能力。具体地,使用RIS辅助发射机,对RIS的相位波束形成和基站的传输功率进行联合优化,在分别满足有界CSI的最坏情况速率约束和统计CSI的速率中断概率约束来最小化系统的总传输功率。由于存在CSI误差,针对有界CSI和统计CSI误差约束,分别利用S-procedure来松弛保密速率约束和大偏差不等式(Large Deviation Inequality, LDI)来松弛保密速率中断概率约束。仿真结果表明,相比于无源反射法和传统波束形成方案,该方法可分别降低约88%和93%总传输功率,同时提高约15 dBm和12 dBm的干扰容限。     

毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法

毫米波混合波束成形结构受到日益广泛的认可,但缺乏以安全性为着眼点的混合波束成形算法研究,特别是当窃听者具有多用户译码能力时,系统安全性能无法得到保障。针对上述问题,该文基于人工噪声辅助的思想提出一种毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法。首先,将混合波束成形矩阵的模拟部分和数字部分解耦合独立求解,在充分考虑信道特性的基础上,通过最大化用户接收信号能量和迫零思想分别设计有用信号的模拟和数字波束成形矩阵;然后,通过SVD分解设计人工噪声的基带数字预编码矩阵,将人工噪声置于合法用户零空间。仿真结果表明,人工噪声辅助的安全混合波束成形算法有效解决了存在具有多用户译码能力窃听者时系统的安全问题。