面向多用户NOMA-IRS系统的公平性优化

多用户非正交多址接入-智能反射面系统，可通过多天线发射机与智能反射面间“发射-反射”联合波束成形，改善系统的用户接入能力。针对多用户非正交多址接入-智能反射面系统用户公平性问题，尝试在射频链路受限的实际场景中，最大限度提升用户最小接收信干噪比，从而无差别地保证各用户的通信质量。为此，根据射频链路数对用户进行分簇，构建了最大-最小接收信干噪比分式规划问题，此问题的发射波束矢量与反射阵元矩阵在接收信干噪比处高度耦合。因此，提出了一种基于半定松弛与算术几何平均算法，通过在每次迭代中交替优化发射波束矢量与反射阵元矩阵，实现各簇中最小信道容量的最大化。并进一步采用二分搜索算法求解簇内功率分配问题，以提升用户最小接收信干噪比。仿真结果表明，相对于迫零方案，提出方案能够以较低的计算复杂度提升用户最小接收信干噪比，从而改善各用户通信质量；且区别于最大比传输方案，提出方案中用户最小接收信干噪比不会随基站发射功率增加而呈现饱和现象，从而实现各用户通信质量的稳定增长。     

基于统计信道状态信息的多波束卫星系统安全波束成形设计

由于卫星通信的广域覆盖特性和信道的广播特性,使得通信过程存在被窃听的风险。为增强多窃听场景下多波束卫星通信系统的安全性,在已知统计信道状态信息条件下,本文分别针对总发射功率最小化和安全速率最大化问题,提出了相应的波束成形（Beamforming, BF）方案。首先,以安全速率为约束建立总发射功率最小化问题,通过拉格朗日乘子法推导出最优BF权矢量的解析表达式;然后,以安全速率最大化为准则,分别建立了以总发射功率受限和单波束发射功率受限的优化问题。针对总功率约束下的优化问题,根据广义瑞利商方法求出最优BF权矢量的解析表达式;针对单波束发射功率约束下的优化问题,通过引用辅助变量将非凸优化问题转换为凸优化问题,进而提出了一种基于黄金分割法的BF算法计算出最优BF权矢量。最后,通过计算机仿真验证了所提方案的有效性与正确性,并进一步分析了系统参数对安全性能的影响。与传统的BF方案相比,所提BF方案能更好地抑制窃听过程,从而获得更高的安全性能。     

基于用户分簇的物理层增强安全多播算法

物理层安全技术是无线网络技术中一项重要的关键技术。在大量多播用户和窃听用户共存的场景中,针对传统物理层安全技术中在波束赋形下增加人工噪声时不能很好地应用于多播传输的问题,提出了一种基于多播用户分簇策略下的物理层增强安全多播算法。首先,具有相近信道矢量的多播用户被分为同一个多播簇,不同的多播簇分配不同的子载波传输多播数据;其次,基于多播用户分簇策略的结果,提出了通过采用联合功率分配和波束赋形设计算法,最大化整个多播系统的安全多播速率;最后,为了降低算法的计算复杂度,提出了新的搜索算法处理联合功率分配和波束赋形设计算法。仿真结果显示：与传统安全多播算法相比,基于多播用户分簇策略的物理层增强安全多播算法不但能够获得更高的多播安全传输速率,而且其计算复杂度也大大低于采用遍历搜索的传统安全多播算法。     

双向多天线中继系统中安全速率受限的功率最小化

针对双向多天线中继系统中存在多个单天线窃听者的场景,在保证两个源节点安全速率情况下,提出了两种中继节点发送功率最小化方案：人工噪声辅助的波束成形（artificial noise aided beamforming, ANAB）方案和零空间波束成形（null space beamforming, NSB）方案。ANAB采用半定松弛（semidefinite relaxation, SDR）技术和连续的凸估计（successive convex approximation, SCA）算法,得到局部最优的波束成形和人工噪声协方差矩阵。考虑到中继节点的天线个数大于窃听节点个数,设计了低复杂度NSB方案,在等效窃听信道矩阵的零空间中发送保密信息,通过求解一个SDP问题得到波束成形解。仿真结果表明,所提的安全发送方法可以有效地降低中继节点的发送功率。     

联合协方差矩阵重构和ADMM的鲁棒波束形成

为解决传统波束形成器在干扰位置发生扰动和导向矢量失配时，造成自适应权重的不匹配，从而导致算法性能急剧下降，甚至期望信号相消的问题，提出一种联合协方差矩阵重构和交替方向乘子法(Alternating direction method of multipliers, ADMM)的鲁棒波束形成方法。对此，首先基于波束形成器最大输出功率准则，设计了求解最优导向矢量的优化模型。接着，根据Capon算法空间功率谱函数，利用定义的干扰范围对协方差矩阵进行重构，以展宽零陷并增强系统抗运动干扰能力。最后，关于导向矢量的二次不等式约束问题，本质为估计导向矢量和期望导向矢量间的差异，该方法利用ADMM对该二次规划问题进行迭代求解，并在每次迭代中获得导向矢量的具体解。另外，也分析了算法的复杂度。实验结果表明：对比现有的波束形成算法，在干扰处加宽了零陷，提高了波束的抗干扰性；结合复杂度也证明了其计算速度优于现有的算法，并且能够很好地校正失配导向矢量。本方法也为求解二次不等式约束问题和提高波束形成算法性能提供了一种思路和途径。     

基于特征投影矩阵和线性约束的水声阵列信号抗主瓣干扰方法

提出了基于特征投影矩阵和线性约束的水声阵列信号抗主瓣干扰方法。该方法首先改进重构了干扰噪声的协方差矩阵,消除预处理时期望信号对主瓣干扰特征矢量选择的影响;其次,添加线性约束,保证期望信号方向增益,约束旁瓣干扰子空间置零,同时使得自适应权矢量的模最小,消除噪声抖动;最后求取自适应权矢量进行波束形成。仿真实验结果表明,本工作算法不仅在旁瓣有更深零陷,还能使主波束保形,提高了系统的输出信干噪比。     

多用户MIMO信道下行链路预编码方案对比研究

研究了多用户MIMO系统中基于信漏噪声比(SLNR)的预编码算法,给出了求解方法,并分析了基于信干噪声比的迫零算法必须满足的天线约束条件。与迫零算法相比,基于信漏噪声比的预编码算法没有限制发送端和接收端天线数,同时由于考虑了噪声的影响,不会有噪声放大,可以得到闭合解。仿真部分对基于信漏噪声比的预编码算法与基于信干噪声比的迫零算法在不同情况下的性能进行了对比,突出了基于信漏噪声比的预编码算法在不满足天线约束条件时的优势。     

基于随机波束成型的MISO OFDMA物理层安全算法

在多用户非互易性信道场景下,基于信道状态信息的物理层安全算法需要接收端反馈大量的信道状态信息,导致系统保密吞吐量降低。针对这一问题,文章设计了一种基于随机波束成型的MISO-OFDMA物理层安全算法。在用户选择阶段,发送端依次发送随机生成的正交波束,每个接收用户反馈各个子载波上信干噪比（SINR）最大的波束索引,以减少反馈数据量;发送端将子载波分配给SINR最大的接收用户。在加密传输阶段,发送端在SINR最大的波束上发送有用信号,保证相应合法用户的正常通信;在其余波束上发送人工噪声,扰乱窃听者的监听。性能分析和仿真结果表明：当天线数为16,合法用户数为150时,相对于人工噪声方法,所提算法的保密吞吐量提高了2bit／s。     

分布式波束成形的迫零用户选择方案

为了实现在系统总人数大于基站发送天线数条件下,对多小区系统中小区间和小区内用户干扰同时抑制的目的,提出一种基于迫零算法的分布式波束成形的用户选择算法.算法将整体用户分为可一同参与迫零算法和不可一同参与的两类,并利用信道之间的弦距去选择可一同参与迫零算法的用户,实现波束成形向量与未参与迫零的本地信道之间的准正交,同时分析和证明了该算法的有效性.仿真结果表明,新算法在不同发送天线数和总用户数条件下,其吞吐率性能均优于传统算法.     

MIMO系统中连续博弈RRM算法

提出一种基于博弈论的连续博弈无线资源管理算法,将博弈论数学模型应用于多输入-多输出系统无线资源管理中,把其中的参数映射为博弈论数学模型中的“局中人”,将参数变化描述为“局中人”博弈过程.在仿真中,比较该算法与传统联合波束成形及功率控制算法.仿真结果表明,该算法在节省发射功率的同时,可提高输出信干噪比,达到两者最佳均衡.同时可有效克服期望的导引矢量和实际的导引矢量不匹配问题,使天线能准确对准期望用户方向,并能抑制干扰方向的信号,起到“零陷”作用.     

Study of game strategy between multiple targets and multistatics radars

Aiming at the conflict game between multistatic multiple-input multiple-output(MIMO) radars and multiple targets,a joint technology of power allocation and beamforming for a multistatic MIMO radar system is studied.The main purpose of the multistatic radar system is to minimize the total transmit power under a certain signal to interference noise ratio(SINR) constraint,and to suppress the cross-channel interference to improve the accuracy of target detection.Based on the strategic non-cooperative game between radars,the existence and uniqueness of the Nash equilibrium solution are proved.Then,according to the theoretical analysis,a joint beamforming and power allocation algorithm is proposed and converges to the Nash equilibrium.Meanwhile,the receive beamformers of multistatic radars are obtained by using the linearly constrained minimum variance(LCMV) criterion to suppress the mutual radar interference.Numerical results show that the proposed algorithm has a better interference suppression ability and less power consumption than the related game algorithm.     

能量协作网络中基于协作干扰的物理层安全方案

研究了由1个单天线的源节点、目的节点、窃听节点和1个多天线的中继节点组成的系统中,通过能量协作增强保密传输性能的问题。为提高保密速率,中继节点发送经过波束赋形的干扰信号来干扰窃听者。在中继能量供应受限的情况下,提出一种协作干扰与能量协作相结合的方案。源端在能量约束范围内采用能量转移的方式为中继提供用于发送干扰信号的能量。对能量转移量、能量转移时间和干扰信号波束赋形的优化问题进行了求解。仿真结果表明,在不消耗中继自身能量的条件下,与直接传输相比,能量协作和协作干扰方案能够显著提高系统的保密性能。     

A New Transmit Beamforming Method for Multi-User Communication in Dual-Function Radar-Communication

This paper develops a new transmit beamforming for an integrated mechanical and electrical scanning dual-function radar-communication(DFRC) system. Differing from the related some works using beampattern sidelobe level to communication, we exploit the fact that transmit beamforming weight vector u k in direction θ and weight vector u *k in direction-θ can achieve the same spatial power distribution, and formulate a new transmit beamforming vector design problem accounting for some extra sidelobe level constraints. By doing so, the number of the transmit beamforming weight vectors and the computing demand in the multi-user communication(MUC) scenario can be reduced. Finally, the numerical examples are designed to verify the effectiveness of the proposed design strategy in comparison with the existing method.     

可重构智能表面辅助的非正交多址接入系统的安全通信研究

可重构智能表面是一种可以通过控制反射元件改变反射信号来改善无线信号传播环境和提高通信安全的有效技术。从物理层安全的角度研究了可重构智能表面辅助的非正交多址接入系统的安全通信,其中多个用户在单天线窃听者存在的情况下,以非正交多址接入的方式同时向单天线基站发送机密信息。研究的目的是通过优化用户的发射功率和可重构智能表面反射元素的相移使系统的总保密率最大化,同时满足发射功率约束、用户服务质量约束和可重构智能表面的每个反射元素的模一约束。虽然涉及的优化问题是非凸的,难以求解,但是本文提出一种基于交替优化和半定松弛的算法求得次优解。仿真结果表明,与2种基准方案对比,所提出的算法一定程度上提高了系统的总保密率,为可重构智能表面辅助的非正交多址接入系统的安全通信研究提供参考。     

OFDMA波束赋形中继系统资源分配

针对采用波束赋形技术的正交频分多址接入放大转发中继系统,提出了一种以最大化比例公平因子为目标的资源分配算法. 该算法基于凸优化理论,对功率分配、子载波配对、中继选择和用户选择进行了联合优化. 理论分析和仿真验证结果表明,所提的资源分配算法能以较低的复杂度实现系统资源分配的公平性,并且可以有效利用波束赋形技术,提高系统容量.     

确定性MIMO信道在不同功率条件下的容量分析

对MIMO信道容量进行分析研究有助于未来4G网络的组建与优化.在假设信道系数不变的前提下,分别推导了发射端天线在等功率分配方案、波束成型条件及注水功率情况下的MI-MO信道容量.对以上三种功率分配方案在同一环境下通过计算机仿真进行了比较:在不额外增加发射功率的情况下,注水算法是最优的,但其运算复杂度较高;等功率分配方案信道容量在大信噪比的条件下比较理想.波束成型方案在低信噪比时接近最优情况.     

基于广义空移键控调制的物理层安全方案

提出一种基于广义空移键控调制的多输入单输出系统中的物理层安全传输方案。发射端利用合法接收者反馈的信道信息对发送信号进行预处理,使合法接收者接收的来自各发射天线信号的相位对齐;同时进行相位旋转来增加星座点间的距离,从而提高合法接收者的接收性能,降低误码率。而窃听者接收到的各信号的相位仍然为随机分布,接收性能明显低于合法接收者。对合法接收者和窃听者的误比特率和保密容量进行了理论和仿真分析。理论和仿真结果表明,所提方案能明显降低合法接收者的误比特率,即使在合法信道性能比窃听信道性能要差的情况下,系统仍然能实现保密传输。