IRS辅助的安全通信系统波束成形嵌套优化算法

智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）是一种通过重新配置无线传播环境,提高无线通信网络安全性的绿色通信新技术。该文针对IRS辅助的多输入单输出安全通信系统,考虑在合法用户保密率约束下,联合优化基站处的发射波束成形和IRS处无源移相器的反射波束成形,使基站的发射功率最小。为了求解多变量耦合的非凸优化问题,我们提出了拉格朗日函数和粒子群嵌套优化算法,使用粒子群算法搜索IRS的反射波束成形,拉格朗日函数求解对应的发射波束成形,获得非凸优化问题的次优解。论文仿真比较了不同算法下基站所需的发射功率,结果表明所提算法基站所需发射功率更低。     

基于智能反射面辅助的无人机中继系统安全通信方法

为了提高无人机中继系统的安全通信性能,解决无线信道受障碍物遮挡问题,该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无人机(UAV)中继系统安全通信方法。在所提方法中,通过联合优化UAV的位置、基站波束成形和IRS相移,最大化系统的最小保密速率。为了解决这个复杂的非凸优化问题,该文将原问题分解为UAV位置优化子问题、波束成形和IRS相移优化两个子问题。使用1阶泰勒展开处理优化问题中的非凸项,然后提出一种交替优化的算法进行求解。仿真结果表明该文提出的算法能提高系统的最小保密速率,并且具有良好的收敛性。     

基于IRS辅助的异构网络中超可靠低时延通信波束成形算法设计

为了增强微小区内超可靠低时延通信(URLLC)业务在异构网络场景下的传输性能,该文提出一种基于智能超表面(IRS)辅助通信网络下最大化用户和速率的波束成形算法。异构网络中微小区采用短包通信技术,在保证宏小区用户通信质量的前提下,使用IRS提高微小区用户在一定解码错误概率下的短数据包传输性能,建立一个联合优化波束向量和IRS相移向量的微小区用户和速率最大化问题模型。通过交替固定优化变量的方式,将该非凸优化问题拆分为两个子问题,利用逐次凸逼近(SCA)的方法将原问题转换成凸优化问题,并利用交替优化算法对该问题进行求解。仿真结果表明,该算法通过部署IRS可以有效减弱异构场景下对于微小区用户的干扰,同时由于IRS的部署能够有效优化波束成形向量进而提高微小区用户的短包传输性能,并且IRS的通信增强效果与微小区用户的解码错误概率以及IRS反射单元的数量有直接关系。     

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.     

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。     

IRS多分区辅助太赫兹多子阵列波束成形设计

在智能反射表面（IRS）辅助太赫兹（THz）通信系统中，为突破信道稀疏性对系统空间多路复用增益的限制，提出收发端采用宽间隔多子阵列混合波束成形架构，设计IRS多分区辅助THz多子阵列的传输方案。首先，基于频谱效率最大化原则，构建一个含有多变量耦合和非凸约束的非凸目标函数；然后，将优化问题解耦成2个易于求解的子问题，即IRS反射系数矩阵设计问题和收发端混合波束成形矩阵设计问题；最后，采用黎曼流形优化算法计算IRS反射系数矩阵，并通过数理推导得到混合波束成形矩阵的闭式解。仿真结果表明，与基准方案相比，所提方案可以获得更好的频谱效率。     

基于智能反射表面大规模MIMO-NOMA系统频谱效率分析

为了进一步提高频谱效率,在大规模多输入多输出(MIMO)系统中引入了非正交多址(NOMA),然而当基站与用户之间的信道较差时,这很难保证用户的频谱效率。为解决这一问题,探讨了基于智能反射表面(IRS)的大规模MIMO-NOMA系统,来保证用户的频谱效率。具体地,首先考虑了IRS辅助的大规模MIMO-NOMA系统模型。然后根据簇头选择算法,为每个波束选择一个簇头来设计模拟预编码。之后,根据等效信道的相关性对用户进行分组,选择在每个波束中等效信道增益最强的用户来设计数字预编码。最后联合优化基站的功率分配和IRS的相移矩阵,来保证用户频谱效率的公平性,即最大化最小频谱效率。仿真结果表明,与没采用IRS的大规模MIMO-NOMA系统相比,IRS辅助的大规模MIMO-NOMA系统可显著改善最弱用户的频谱效率。     

基于IRS辅助的SWIPT物联网系统安全波束成形设计

为满足绿色万物互联的智能信号处理部署和物理层安全的新要求,针对基于智能反射面辅助的无线携能通信物联网系统中可持续能量供应紧缺问题,提出了一种安全波束成形设计方法.考虑保密速率、发射功率和IRS反射相移约束,以最大化能量采集器采集功率为目标,联合优化基站发射波束成形矩阵和干扰机协方差矩阵以及IRS相移,将优化问题建模为具...     

多小区下行链路系统的资源效率最大化协同波束成形算法

本文研究了基于资源效率优化的多小区多用户协同波束成形算法设计。为了权衡系统频谱效率与能源效率,考虑在单基站发射功率约束以及达到用户服务质量需求条件下最大化系统资源效率,即系统能源效率与归一化系统频谱效率的加权和。由于优化变量之间的耦合性以及约束条件的非凸特性,该优化问题是一种非凸优化问题并且难以直接获得最优解。为了求解所考虑的优化问题,本文联合利用凸近似方法和分数规化理论,提出一种多小区下行链路系统中最大化资源效率的交替优化算法。所提算法的收敛性可以由凸近似方法和单调有界理论保证。同时,数值仿真验证了所提算法的有效性。      

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...     

基于不完美硬件系统的双智能反射面辅助波束赋形设计

在发射端具有不完美硬件的多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）系统中，存在失真噪声和干扰噪声，这导致用户侧接收信号受损，系统频谱效率低下。为解决此问题，考虑使用双智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）辅助，联合优化基站波束赋形矩阵和两个IRS的反射相移矩阵，最大化多用户和速率。目标函数是变量高度耦合、复杂的非凸优化问题，分别使用交替优化方法、半正定松弛（Semi-Definite Relaxation,SDR）算法和奇异值分解归一化的方法求解。仿真结果表明，在发射端具有不完美硬件的MIMO系统中，与单IRS辅助和无IRS方案相比，使用双IRS辅助通信能够获得更好的系统频谱效率。     

不准确CSI下智能反射表面辅助的多用户系统物理层安全方案设计

该文研究智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助的多用户下行系统中的物理层安全的优化问题。多个用户之间的信息需要相互保密,每个时隙,非信息传输的目标用户视为窃听者,因此这是一个多窃听者的安全传输系统。由于信道的时变性,基站拥有窃听信道的信道状态信息(Channel State Information,CSI)为与真实的CSI间存在误差的过时信息。在此条件下,以系统最坏情况下的保密速率最大化为目标,对基站发射信息信号和人工噪声波束成形矢量,以及IRS的相移矩阵进行联合优化。原始优化问题为非凸半正定规划问题,利用松弛变量、惩罚函数、Charnes-Cooper变换和交替迭代优化等方法将原问题转化为凸问题并求解。仿真结果显示,相较于基准方案,该文所提出的优化算法能有效提高系统的保密速率。     

智能反射面辅助多用户大规模MIMO系统的联合波束成形

智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）作为面向第6代通信的关键技术之一具有创新、高效、节能和成本效益高等特点,但其联合波束成形设计为非凸优化问题,仍然是具有挑战的难题。为此,提出了一种用于IRS辅助多用户大规模多输入多输出系统的联合波束成形设计方案,以实现系统数据速率最大化。该方案在基站端采用迫零波束成形以消除用户间干扰,同时在IRS端设计了近最优反射波束成形以实现系统和数据速率最大化。仿真结果表明,该方案可获得较高的系统和数据速率,也为IRS位置布局的选择提供了数据支持与参考准则。     

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。     

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。     

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...     

多波束小基站协作通信的资源分配和位置规划

针对小基站加载多波束阵列天线后协作提供通信覆盖的资源分配与位置规划问题,建立了以最小化基站总功耗以及基站间负载均衡为目标函数的多目标混合整数非凸优化模型;给出了一种迭代优化算法,将问题分为用户关联、功率分配和位置部署3个子问题,在固定基站位置和波束功率下通过改进的鲸鱼算法求解出用户与波束的关联关系,在此基础上利用连续凸逼近法和改进差分进化算法交替优化功率分配和基站位置部署。数值仿真表明,多波束小基站与所提迭代算法可灵活适应复杂业务需求分布,降低网络功耗和均衡基站间负载。可为小基站加载阵列天线增强通信覆盖提供参考。     

IRS辅助的SWIPT系统中基于能效优先的波束成形设计与优化

以智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS)辅助的无线携能通信(simultaneous wireless information and power transfer,SWIPT)系统为背景,研究了该系统中基于能效优先的多天线发送端有源波束成形与IRS无源波束成形联合设计与优化方法。以最大化接收端的最小能效为优化目标,构造在发送端功率、接收端能量阈值、IRS相移等多约束下的非线性优化问题,用交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers,ADMM)求解。采用Dinkelbach算法转化目标函数,通过奇异值分解(singular value decomposition,SVD)和半定松弛(semi-definite relaxation,SDR)得到发送端有源波束成形向量。采用SDR得到IRS相移矩阵与反射波束成形向量。结果表明,该系统显著降低了系统能量收集(energy harvesting,EH)接收端的能量阈值。当系统总电路功耗为?15 dBm时,所提方案的用户能效为300 KB/J。当IRS反射阵源数与发送天线数均为最大值时,系统可达最大能效。     

智能反射面协助下的通信感知一体化系统

路径衰弱问题严重制约城市密集区域通信感知一体化系统的性能的提升,为此提出了一种IRS协助下的通信感知一体化系统设计方法。该系统设计的目标是在用户所需SNR、一体化基站发射功率和IRS相位满足系统设计的需求下,通过设计一体化基站的波束成形矢量和IRS的相移矩阵来最大化雷达SNR。然而上述优化问题受IRS相移矩阵高次单位模的限制,要想获取该非凸优化问题的解非常困难,创新性地提出基于MM迭代优化算法,该算法首先利用MM算法对IRS相移矩阵进行降次,然后采用内点法来求解带单位模约束的QCQP问题。为了降低求解IRS相移矩阵子优化问题的复杂度,进一步提出了二分查找算法,来获取相移矩阵的闭式解,使其满足智能驾驶等应用对低时延的需求。实验结果表明相比于没有IRS的传统方法,IRS协助下的通信感知一体化系统可以提供间接的数据通信和目标探测路径,从而有效地提高通信数据传输和雷达目标探测的性能。     

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.