认知双向中继网络的功率分配优化算法研究

相对于传统的认知单向中继系统,认知双向中继网络由于引入了网络编码技术,减少了传输时隙,能获得更高的频谱效率．对采用时分广播(Time Division Broadcast,TDBC)传输协议的译码转发(Decode-and-Forward,DF)认知双向中继网络的和速率进行了分析,提出了一种功率分配的优化算法,能在满足次用户(Secondary Users,SUs)总功率约束以及对主用户(Primary Users,PUs)最大干扰功率(Maximum Tolerable Interference Power,MTIP)约束的前提下,最大限度提高次用户网络的和速率．并推导了不同情况下,次用户网络功率分配的最优解．数值仿真结果验证了该理论分析的正确性,同时表明,次用户的总功率以及主用户的干扰功率限制,对次用户网络的和速率有较大影响．     

机会频谱接入系统中基于次用户容量分析的检测参数设计

该文对认知网络中基于机会频谱接入(OSA)技术的认知用户的信道容量表达式及其检测参数进行了研究。首先讨论了次用户信号干扰噪声比(SINR)的特性,得到存在干扰和不存在干扰两种状况下的SINR的均值表达式,探讨SINR对次用户信道容量的影响, 以及次用户的信道容量在OSA方式下的变化。并在此基础上,结合信道统计特性,运用跨层设计思想,设计次用户的发送数据帧长和检测频率。从分析结果可以看出,主用户对授权信道的占用模型影响次用户的SINR,进而影响到次用户检测频率和传输帧长的设计,结果表明从次用户物理层特性和主用户业务特性结合角度设计次用户检测参数的方案,在保证次用户吞吐量要求的同时,降低了主次用户之间的干扰,同时提高了系统对频谱的利用率。     

认知无线电中多址接入的随机延时边界分析

认知无线电(CR)系统中,次用户通过机会调度和多址方式接入主用户信道进行传输。为分析延时性能,该文采用随机网络演算方法,将非竞争接入(CF)和竞争接入(CB)两种主要的多址接入方式,以及机会调度建模为次用户得到的随机服务。然后推导出相应的随机服务曲线,及次用户的延时边界。通过分析比较不同网络参数下的数值计算结果,证明了延时边界的正确性,并为次用户多址接入方式的改进提供了重要的参考。     

认知无线电PUE攻击下次用户性能分析

随着认知无线电网络(CRN)技术的不断发展,安全问题日益受到重视.模仿主用户(PUE)是一种典型的易于实现且对 CRN 影响巨大的攻击行为,根据产生原因、目的和过程的差异,可以分为恶意不端次用户PUE和自私不端次用户PUE两类攻击.已有文献大多针对前者进行了分析,而对后者分析极少.这里重点对两者进行了区分,提出了四维连续时间马尔科夫链分析模型,详细分析了自私不端次用户 PUE攻击对正常次用户通信性能的影响,并对比了几类典型的PUE攻击检测技术.通过仿真结果可以看出:PUE攻击检测技术引入自私不端次用户检测机制极为必要,可以有效改进检测效果.     

感知无线电ad hoc网络基于干扰的路由

感知无线电技术作为一种新兴技术,通过时间和空间维度上的频谱空洞的利用能很好地提高频谱利用率。感知无线电的路由不同于传统的路由度量,因为次用户从时间和空间上都不能对主用户造成干扰。在感知无线电ad hoc网络环境下,选取了干扰作为路由的度量,并将干扰分为系统内干扰(次用户自身之间的干扰)和系统间干扰(次用户对主用户的干扰)。在已有的ad hoc网络干扰路由协议的基础上对干扰权重做出改进,并提出新的基于系统间路由干扰(对主用户干扰最小化)和基于联合系统内和系统间干扰的路由协议。仿真结果表明,该干扰模型符合感知无线电移动ad hoc网络的特性。     

考虑业务优先级的多信道CRANET合作动态功率控制

针对多信道认知自组织网络(CRANET)中不同业务接人类型的优先级对次用户(SU)发射功率的影响,设计了次用户间业务传输的优先级感知因子,考虑到对主用户系统产生的累积干扰量约束,采用微分博弈建立了合作动态功率控制模型(CoDPCM),获得在总联盟下的合作动态功率控制最优解,同时,考虑到自私次用户的非合作性,建立了非合作动态功率控制模型(NoCoDPCM),获得了反馈Nash(纳什)均衡解,并从理论上进行了性能比较.仿真结果表明,与非合作动态功率控制模型相比,合作动态功率控制模型在发射功率、支付量和系统总体吞吐量等方面表现出较好性能.     

一种支持服务区分的动态频谱接入机制

动态频谱接入技术是实现认知无线电(CR)网络的重要技术之一,其可以灵活地对频谱空洞加以利用并能够有效地缓解频谱紧缺的窘境。文章设计了一种支持服务区分的动态频谱接入机制,将次用户分为高优先级次用户和低优先级次用户;然后利用强制优先排队理论对认知无线电网络中有服务区分的动态频谱接入过程进行模拟建模,并对高优先级次用户和低优先级次用户的切换率、接入失败率进行了仿真分析,这些因子对于用户的接入性能起着关键性作用。     

无线认知传感器网络协同频谱感知安全模型和攻击模型研究

无线认知传感器网络(WCSN)中的协同频谱感知技术能够大大提高检测主用户传输的概率.但是,在当前的协同频语感知方案中,通常假定所有协同次用户都是诚信可靠的,因而恶意次用户可能会通过报告错误检测结果来攻击网络.本文分析了无线认知传感器网络(WCSN )的基本概念和优势,给出了无线认知传感器网络体系结构,提出了协同频谱感知...     

Ad Hoc网络中基于距离的机会频谱接入方案

本论文研究ad hoc网络中的机会频谱接入(OSA)技术,建立一种既能够抑制次用户对主用户的干扰,又能够在非合作次用户间进行公平、无冲突的资源共享的接入机制.解决了在自组织的多用户ad hoc网络中,主次用户以及次用户之间共享频谱资源,次用户选择最佳频谱接入,并确保抑制对主用户的干扰以及自身性能优化的问题.为此,建立次...     

认知无线网络中基于Stackelberg博弈的功率控制新算法

针对认知无线网络中存在的干扰问题和功率消耗过大问题,提出了一种新的基于斯坦克尔伯格(Stackelberg)博弈的功率控制算法。建立了主次用户双层网络模型,将主用户设置为领导者,次用户设置为追随者,并对次用户产生的总干扰进行定量分析。在次用户多次博弈的过程中,动态地调整主用户单位干扰价格,在保证主用户自身正常通信前提下,尽量使得收益最大化,提高主用户的参与积极性。仿真实验表明,该算法在保证主次用户的服务质量（QoS）前提下,有效地减小了次用户的发射功率,而且能获得更高的系统容量。     

基于无人机辅助的认知无线电网络信息年龄研究

考虑到信息时效性和数据新鲜度对各类实时状态更新系统带来的挑战,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）信息年龄（Age of Information, AoI）最小化方案。为了降低CRN中次用户接收机处的AoI,在不影响主用户正常通信的前提下,利用UAV作为移动中继来辅助次用户发射机将数据包传输到对应的接收机。通过联合优化UAV的飞行轨迹和资源分配来确保信息新鲜度。由于联合设计问题是非凸的,故采用连续凸逼近的高效迭代算法得出问题的最优解。仿真结果表明,所提方案可以有效提高信息新鲜度,并获得峰值AoI的最小值。同时,数据包的大小和数量与AoI呈线性关系,对UAV的飞行轨迹也有影响。      

无人机交替中继通信及其轨迹优化和功率分配研究

为了提高无人机中继通信系统的频谱利用率,该文提出一种交替中继方法,通过两个无人机中继交替工作,轮流将信息从源端转发到目的端。研究联合优化无人机中继的飞行轨迹和各发射端的发射功率,协调两条中继链路的相互干扰,实现端到端的吞吐量最大化。涉及的优化问题受限于无人机的高度约束、机动约束、防碰撞约束以及各发射端的平均与峰值发射功率约束,是难以求得最优解的非凸优化问题。该文提出一种基于交替最大化和连续凸优化技术的高效迭代算法求解次优解,并用计算机仿真验证了所提算法的有效性。     

认知无线电中基于中继位置和主用户位置的功率分配

针对认知无线电网络,提出了一种基于组间协作的联合直接传输和协作传输的传输机制,在满足干扰约束和峰值功率约束的情况下,通过分析瑞利衰落环境下放大转发协作单中继系统的性能,研究了中继位置和主用户位置对于系统的最优功率分配和系统吞吐量的影响,并对最优功率分配方案和等功率分配方案的性能进行了比较。仿真结果表明,中继位置和主用户的位置对于系统性能起着关键的作用,最优功率分配方案取得相对于等功率分配方案更优的性能,采用最优功率分配方案时,中继节点位于源节点和目的节点连线的中点且靠近认知用户时的系统性能最优。     

无人机辅助传感器网络中吞吐量与节点能量优化方法

无人机凭借其高机动性可以对传感节点进行无线数据采集和无线供能,然而无线数据采集与无线供能是相互耦合的,如何对两者的资源分配和无人机飞行轨迹进行优化是无人机辅助无线供能传感器网络性能的关键。为此,提出了一种联合优化方案,通过交替优化节点接入、无人机三维飞行轨迹和能量数据传输时间分配,最大化最小节点效用。针对无线供能传感器网络模型中最大化最小节点效用问题提出了一个联合优化方案。由于该问题为非凸问题,提出了一个最大化最小节点效用算法(Maximized the Minimum Node Utility Algorithm,MMNUA),采用块坐标下降法将原始问题转化成4个子问题,并利用连续凸近似技术在每次迭代时依次优化4个子问题,使最大化最小节点效用逐渐收敛。与基础无人机方案相比,MMNUA使系统性能分别提升了14.1%、567.5%和177.0%,有效提高了无人机的工作效率,同时所提算法具有良好的收敛性和较小的复杂度。     

无人机短包通信中基于NOMA传输的安全性能分析

针对物联网（IoT）通信的低延时需求,为了保证数据传输的灵活性,本文构建一种基于短包传输的无人机（UAV）通信网络。由于非正交多址接入（NOMA）技术能够增加可服务的地面用户数量,故将该技术应用到无人机短包通信（UAV-SPC）系统中可以解决多用户的安全传输问题。与正交多址（OMA）技术相比,NOMA可有效提高用户接入公平性和频谱利用率,因此被广泛用于下行链路的通信传输。为解决复杂的安全传输问题,首先证明在功率和译码错误率约束的条件下,分别存在最优的功率分配,数据传输包长和系统传输比特数使目标用户的平均安全吞吐量最大。在此基础上,通过本文所提算法得到安全传输问题的优化解。实验结果验证了该算法的稳定性和可行性。此外,与基准方案相比,本文所提方案可有效降低短包传输的通信时延,提高系统中目标用户的平均安全吞吐量。     

面向大规模物联网的无人机通信感知一体化能效优化算法

针对大规模物联网场景下无人机通信感知一体化系统存在的重复感知和能量受限等问题,提出了一种基于聚类算法的能效优化方案。该方案在满足无人机的移动性和感知能力约束下,通过联合设计无人机的三维轨迹和发射功率来最大化系统能效。由于该问题是非凸的,首先将其解耦为两个子问题,然后利用模拟退火算法和标准凸优化技术来求解无人机的悬停位置和飞行速度以获取最优轨迹,最后根据最优轨迹推导发射功率的闭合表达式,求得每个悬停位置的最优发射功率。与传统的二维和三维方案相比,所提基于聚类的能效优化方案在收敛速度提高4倍的基础上能提升20%~30%系统能效。     

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。     

Research on energy-efficient physical-layer secure transmission mechanism in decode-and-forward cooperative networks

The maximization problem of secure energy efficiency (EE) in decode-and-forward relay networks was investigated considering the power and energy constraints in physical-layer secure transmission.An iterative algorithm for power allocation was proposed based on fractional programming and DC (difference of convex functions) programming.This algorithm jointly allocated power for source and relay nodes to achieve energy-efficient secure transmission,subject to the peak power constraint of each node and the minimum secrecy rate requirement of the system.Simulation results demonstrate that the propose algorithm can improve the secure EE significantly compared with the conventional secrecy rate maximization strategy.     

多源多中继无线网络中基于随机线性网络编码的调度方案

现有多中继无线网络中传输调度方案主要针对单信源且转发链路状态相同的情况,多采用顺序转发的调度方式,传输效率较低。针对此问题,该文提出一种基于随机线性网络编码的优先级调度方案。该方案在不同的传输阶段,利用信息包接收状态或编码向量之间的线性关系生成反馈信息,计算中继节点的有效信息包数。在转发链路状态不同的情况下,综合考虑各中继节点的有效信息与链路传输可靠性,确定优先级,从而完成调度。该方案实现了多中继对多信源信息的协同转发,在转发链路状态差异较大时,能自适应地选择最优转发节点和路径,提高信息包的传输成功率。仿真结果表明,相比传统基于单信源或顺序调度的方案,该方案能有效提高网络吞吐量,减少重传次数。     

Optimal simultaneous wireless information and energy transfer in OFDMA decode-and-forward relay networks

In this paper, we consider simultaneous wireless information and energy transfer in an orthogonal-frequency-division-multiple-access decode-and-forward relay network, in which an energy-constrained relay node harvests energy from a source node and uses the harvested energy to forward information to multiple destination nodes. Our objective is to maximize the end-to-end sum rate by resource allocation, subject to transmit power constraint at the source and energy-harvesting (EH) constraint at the relay. A non-convex and mixed-integer programming (MIP) problem is formulated to optimize time-switching (TS) ratios of EH and information decoding at the relay, TS ratio of information transmission from relay to destinations, subcarrier allocation as well as power allocation (PA) over all subcarriers at source and relay. We propose to decouple this problem into a convex problem and an MIP problem in fractional form. To solve the MIP problem, we transform it into an equivalent optimization problem in subtractive form which has a tractable solution. As a result, we propose a novel scheme to achieve jointly optimal TS ratios, subcarrier allocation and PA. Simulation results verify the optimality of our proposed resource allocation scheme.