中断约束下的星空认知网络分布式鲁棒波束成形算法

针对卫星通信网和无人机通信网共享频谱资源构成的星空认知网络,提出了一种基于用户非完美信道状态信息的分布式鲁棒波束成形算法,以提升网络的频谱效率和传输可靠性.在所有信道误差均服从复高斯分布的条件下,建立以总的发射功率最小化为目标函数,以用户信干噪比中断概率约束满足要求为约束的联合优化问题.通过引入松弛变量,将非凸的联合优化问题转换成两个独立的分布式优化问题,并进一步提出利用舒尔补和拉格朗日对偶的迭代算法得到卫星和无人机网络的波束成形权矢量.计算机仿真验证了所提算法的有效性和优越性.     

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。     

智能反射面辅助的抗干扰安全通信系统鲁棒资源分配算法

为了解决恶意干扰攻击、窃听和不完美信道状态信息造成的通信质量降低和安全性差等问题,该文提出一种智能反射面(IRS)辅助的抗干扰安全通信系统鲁棒资源分配算法。首先,基于合法用户的最小安全速率约束、最大发射功率约束和IRS相移约束,在非法节点不完美信道状态信息、干扰器波束成形向量未知的情况下,构建了一个联合优化基站的波束成形向量、人工噪声的协方差矩阵和IRS的相移矩阵的鲁棒资源分配问题。其次,为了求解该非凸问题,利用交替优化、Cauchy-Schwarz不等式、连续凸逼近和泰勒级数展开等方法,将原问题转化为易于求解的凸优化问题。仿真结果表明,与传统算法相比所提算法能有效提高系统安全性、降低功率开销、提高抗干扰裕度,且在一定信道误差范围内能够减低约35%的保密中断概率,具有较强的鲁棒性。     

毫米波通信低复杂度波束选择和用户调度算法

针对毫米波混合波束成形系统中用户调度方案复杂度过高的问题,提出两种低复杂度的波束选择和用户调度联合优化算法。混合波束成形架构使得用户调度问题面临着新的挑战,变成了模拟波束选择和用户调度的联合优化问题。考虑发送端无法获得完美信道状态信息的实用场景,采用基于固定码本的波束训练方案获取等效信道状态信息,引入调用指示函数将联合优化问题建模成非凸组合优化规划,分别以粒子群优化和贪婪算法为核心,提出两种低复杂度的次优解决方法。仿真结果表明,相较穷举搜索,所提算法能在性能和复杂度之间取得很好的折中。      

智能反射面辅助的太赫兹卫星通信鲁棒安全波束成形算法

本文针对智能反射面辅助的太赫兹卫星通信系统，提出一种基于用户非完美信道状态信息的鲁棒安全波束成形算法，以提升系统的物理层安全性能.首先，在智能反射面辅助的太赫兹卫星系统采用多播传输技术向多个合法用户发送信号，并且在其覆盖区域内存在多个窃听者的场景下，建立以卫星发射功率最小化为目标函数，合法用户的可达速率和可达安全速率满足要求为约束的联合优化问题.其次，考虑到非完美信道状态信息导致可达速率和可达安全速率均为非凸的概率约束，提出采用二阶泰勒展开和S程序方法对其进行转化，并进一步通过半正定规划完成智能反射面的相移矩阵和卫星发射功率的联合优化设计.最后，计算机仿真验证了所提算法的有效性和优越性.     

大规模MIMO系统中基于溢出概率的鲁棒协作波束设计

大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术通过在基站端配置大规模天线能有效提升5G蜂窝系统容量。考虑信道估计误差对系统性能的影响,该文在多小区大规模MIMO系统中形成了用户信干噪比的非溢出概率约束下最小化系统功率的优化问题。针对非凸概率约束中下行波束难于求解的问题,该文根据矩阵迹的性质将优化问题中的非凸约束缩放,进而提出上下行对偶算法求解波束矢量。为进一步减少多小区系统中信令开销,基于大系统分析,提出了仅采用大尺度信息的分布式算法。仿真结果表明,所提的分布式算法与对偶算法相比,在保证用户信干噪比的概率约束时,降低了大规模MIMO系统中传输瞬时信道状态信息的开销,同时具有良好的鲁棒性。     

基于非正交多址接入的网络切片联合用户关联和功率分配算法

为了满足网络切片多样化需求,实现无线虚拟资源的动态分配,该文提出在C-RAN架构中基于非正交多址接入的联合用户关联和功率资源分配算法。首先,该算法考虑在不完美信道条件下,以切片和用户最小速率需求及时延QoS要求、系统中断概率、前传容量为约束,建立在C-RAN场景中最大化长时平均网络切片总吞吐量的联合用户关联和功率分配模型。其次,将概率混合优化问题转换为非概率优化问题,并利用Lyapunov优化理论设计一种基于当前时隙的联合用户调度和功率分配的算法。最后采用贪婪算法求得用户关联问题次优解;基于用户关联的策略,将功率分配的问题利用连续凸逼近方法将其转换为凸优化问题并采用拉格朗日对偶分解方法获得功率分配策略。仿真结果表明,该算法能满足各网络切片和用户需求的同时有效提升系统时间平均切片总吞吐量。     

多用户MISO干扰信道中的安全协同波束成形

针对多用户多输入单输出(MISO, multiple-input single-output)干扰信道中保密信息泄露问题,提出了理想信道状态信息(CSI, channel state information)下的安全协同波束成形(SCB, secure coordinated beamforming)方案和非理想CSI下的顽健安全协同波束成形(RSCB, robust secure coordinated beamforming)方案。对于理想CSI情况,联合设计最优的协同波束成形向量,最大化最小安全速率。采用半定松弛(SDR, semidefinite relaxation)技术和连续的凸估计(SCA, successive convex approximation)算法得到原始非凸问题的局部最优解。进一步,将该框架扩展到信道向量和信道协方差矩阵存在确定误差的情况,提出的RSCB方案能够最大化最差情况的安全速率。仿真结果验证了所提方案的有效性和顽健性。     

非理想CSIT下超密集分布式天线网络的高能效协同波束成形

针对超密集分布式天线网络(md-DAN)的下行场景,基于以用户为中心的虚拟小区模式,在非理想的发端信道状态信息(CSIT)条件下对系统的高能效协同波束成形问题进行研究。提出一种采用连续Taylor展开和Dinkelbach方法的迭代解决问题方案。仿真表明,该方案在不同网络部署密集程度下均可明显提高md-DAN系统能效。     

基于无人机中继的星地认知网络波束成形算法

针对基于无人机中继的星地认知网络,提出了两种波束成形（beamforming, BF）算法,通过对各种干扰进行抑制,实现系统间的频谱共享。具体而言,在基于无人机中继的卫星网络作为次级网络、地面网络作为主网络的情况下,以无人机最大发射功率和主用户所受干扰为约束条件,建立次级用户信干噪比最大化准则的优化问题;接下来在已知次级用户统计信道状态信息的条件下,提出一种基于迭代的BF算法对优化问题进行求解;更进一步,为了降低迭代算法的实现复杂度,提出了一种基于迫零的BF算法。最后,计算机仿真验证了所提两种波束成形方案的正确性与有效性。     

基于NOMA的无线携能D2D通信鲁棒能效优化算法

针对频谱短缺、基站负荷过高、通信系统功耗较大等问题,考虑不完美的信道状态信息,该文提出一种基于非正交多址接入的无线携能(SWIPT)D2D网络鲁棒能效(EE)最大化资源分配算法(SREA)。考虑用户的服务质量约束以及最大发射功率约束,基于随机信道不确定性建立鲁棒能效最大化资源分配模型。利用Dinkelbach和变量替换方法,将原NP-hard问题转换为确定性的凸优化问题,通过拉格朗日对偶理论求得解析解。仿真结果表明,所提算法在保证蜂窝用户通信质量的同时,能够有效提高D2D用户的能效性和鲁棒性能。     

基于NOMA的无线携能D2D通信鲁棒能效优化算法

针对频谱短缺、基站负荷过高、通信系统功耗较大等问题,考虑不完美的信道状态信息,该文提出一种基于非正交多址接入的无线携能(SWIPT)D2D网络鲁棒能效(EE)最大化资源分配算法(SREA).考虑用户的服务质量约束以及最大发射功率约束,基于随机信道不确定性建立鲁棒能效最大化资源分配模型.利用Dinkelbach和变量替换方法,将原NP-hard问题转换为确定性的凸优化问题,通过拉格朗日对偶理论求得解析解.仿真结果表明,所提算法在保证蜂窝用户通信质量的同时,能够有效提高D2D用户的能效性和鲁棒性能.     

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.     

IRS辅助的共生无线电系统鲁棒优化算法设计

共生无线电技术可用于提高频谱效率与能量效率,但其中物联网接收机的接收信号强度较弱,在共生无线电系统中部署智能反射表面是针对该问题的一种有效解决方案。首先,在完美信道状态信息可知时,考虑基站信息速率要求、反射单元相移的约束、反向散射设备的解码顺序与反射系数的约束,联合优化无源波束赋形与反向散射设备的反射系数来最大化所有反向散射设备中最小的吞吐量。然后,考虑到系统中的实时完美信道状态信息很难获得的问题,提出了针对不完美信道状态信息的鲁棒优化算法。仿真结果验证了智能反射表面可使共生无线电系统性能大幅提升,相较于保守方法,所提的鲁棒优化算法可降低不完美信道状态信息造成的性能下降。     

面向Massive MIMO低轨卫星通信系统的鲁棒高效波束成形设计

以低轨卫星通信系统能量效率最大化为优化目标,重点研究鲁棒波束成形设计。假设卫星侧配备大规模多输入多输出技术,综合考虑传播延迟和多普勒频移造成的信道状态信息误差影响,在发射功率受限和用户服务质量约束下,提出了一种鲁棒高效的波束成形方案。考虑到遍历用户速率和遍历信干噪比都没有闭合表达式,采用具备闭合表达式的近似值代替,同时,采用半正定规划算法将非凸二次约束二次规划形式问题进行等价转换,并提出了一种联合二次变换分式规划和凹凸过程的内外两层嵌套迭代算法。最后,采用一种惩罚函数算法解决半正定规划算法中存在的秩1约束问题。仿真结果表明,所提算法性能优于传统算法,且鲁棒性较高。     

可重构智能表面辅助的非正交多址接入网络鲁棒能量效率资源分配算法

为提高非正交多址接入(NOMA)网络的鲁棒性和系统能效(EE),考虑了不完美信道状态信息,该文提出一种可重构智能表面(RIS)辅助的NOMA网络鲁棒能效最大资源分配算法。考虑用户信干噪比(SINR)中断概率约束、基站的最大发射功率约束以及连续相移约束,建立了一个非线性的能效最大化资源分配模型。用Dinkelbach方法将分式形式的目标函数转换为线性的参数相减的形式,利用S-procedure方法将含有信道不确定性的SINR中断概率约束转换成确定性形式,利用交替优化算法将多变量耦合的非凸优化问题分解成多个凸优化子问题,最后用CVX对分解出的子问题进行求解。仿真结果表明,在EE方面,所提算法比无可重构智能表面(RIS)算法提高了7.4%。在SINR中断概率方面,所提算法比非鲁棒算法降低了85.5%。     

基于分布式天线的全双工中继系统最大化和速率波束成形设计

基于分布式天线的全双工中继系统结合了全双工中继两跳同时同频传输的能力和分布式天线高效覆盖的特性,为提升小区边缘和严重阴影衰落区域的频谱效率提供了一种有效途径。在自干扰抵消非理想的多用户场景下,利用分布式多天线波束成形可实现对系统中自干扰和多用户干扰的联合抑制。为此,该文首先建立了在各分布式天线节点独立发射功率约束下最大化多用户端到端和速率的最优化系统模型,进而提出一种双层迭代算法,解决原问题的非凸性求解难题。仿真结果验证了算法的有效性,表明在多用户分布式天线全双工中继系统中,所提波束成形设计能够有效抑制自干扰和多用户干扰,显著提高系统频谱效率。     

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。     

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...     

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。