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。      

基于部分中继选择的能量收集双跳网络信息年龄优化

针对传统中继协作网络传感器节点能量受限导致信息传输延迟较高的问题,将短包通信（SPC）和能量收集技术相结合,构建了一种双跳中继无线传感器网络模型。网络中源节点和中继均需从专用能量基站收集射频信号能量以保证信息的持续传输,中继采用半双工解码转发协议将源节点发送的状态更新信息以短包形式传递到目的节点,利用中继选择策略与最大比合并技术提出了基于时效性的最早部分中继选择方案。考虑该网络信息的新鲜度,首先,分析了SPC传输性能,推导了中继和目的节点处的平均包错误率。其次,利用顺序统计量描述了源节点到中继端数据包的重传次数,基于更新过程理论推导了网络的平均信息年龄（AoI）表达式,并采用梯度下降方法优化了影响网络平均AoI的部分参数。最后,仿真分析结果表明,优化中继数量和数据包长度可以有效提高网络信息新鲜度,同时,通过对比优化部分参数得到的最优值与贪婪方法得到的最小化平均AoI理论值,可以验证部分中继协作方案在双跳状态更新网络中的可行性。      

能量收集认知无线电网络下的多接入用户信息年龄研究

针对信道资源有限的多接入信道无线传感器网络场景,实时信息的传送需要考虑信道环境和信息新鲜度问题。该文基于认知无线电物联网（Cognitive Radio-Internet of Things, CR-IoT）系统,构建了一个具有频谱访问权限的主用户（Primary User, PU）和两个可共享PU频谱次用户（Secondary User, SU）的网络模型。在考虑PU工作状态和SU数据队列稳定的条件下,提出了一个以最小化节点平均AoI为目标的优化问题。其次使用两种策略进行优化,包括概率随机接入策略（Probabilistic Random Access Policy, PRA）,该策略下两个SU节点根据相应的概率分布做出独立的传输决策;以及基于李雅普诺夫优化框架优化时隙内调度决策的漂移加罚策略（Drift Plus Penalty Policy, DPP）。仿真结果可知,DPP策略下得到的平均AoI的值要明显低于PRA策略,表明使用DPP策略对平均AoI的优化更加显著,可以有效提升数据包的时效性和新鲜度。      

面向物联网的深度Q网络无人机路径规划

随着无人机技术的广泛应用,基于无人机辅助数据收集的物联网架构扩展了物联网的应用范围,尤其适用于军事战场、灾害救援等极端场景。针对上述场景,该文提出一种基于深度Q网络(Deep Q-Network, DQN)框架的无人机飞行路径规划算法。该算法以无人机飞行周期内收集信息的平均信息年龄(Age of Information, AoI)为优化目标,来保证无人机收集数据的时效性。仿真结果表明,所提算法可以有效降低无人机单个飞行周期内收集数据的平均AoI。与随机算法、基于最大AoI的贪心算法、最短路径算法以及基于AoI的路径规划算法(AoI-based Trajectory Planning, ATP)相比,平均AoI分别降低了约81%, 67%, 56%和39%。该研究实现了无人机辅助物联网系统中,数据的高效、低时延采集。     

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。     

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。     

不对称放大转发双向中继功率分配及中继位置选择

该文研究基于放大转发中继的不对称双向中继系统容量问题。首先,在瑞利衰落信道环境下,从双向通信的角度,通过理论分析得出其中断概率精确表达式和渐进表达式。理论分析发现节点发射功率和源节点目标速率共同决定系统中断概率,并且在大多数业务下系统中断性能仅取决于单向链路,而与另一链路无关。基于此,以优化系统中断性能为目标,提出一种基于业务知识的节点功率分配算法和中继位置选择算法。数值仿真实验结果表明,通过功率分配和中继位置选择可以显著提高不对称放大转发双向中继系统的中断性能。     

短包传输下缓冲区辅助的无线传感器状态更新系统的信息新鲜度研究

考虑到信息新鲜度对无线传感器状态更新系统设计和部署带来的影响,提出一个由两个传感器源节点和一个公共目的节点组成的状态更新系统。该系统中两个传感器源节点均配备一个单位大小的缓冲区,并根据伯努利过程在每个时隙感知对应物理过程的状态更新。随后传感器以有限块长度短包的形式将状态更新发送至目的节点。该文采用信息年龄（Age of Information,AoI）描述状态更新的新鲜度。首先,以传感器缓冲区状态组合为中心,该系统可建模为连续时间有限状态的马尔可夫过程,其中有限状态表示缓冲区的不同状态,连续时间表示与年龄相关过程的演进。因此,该系统平均AoI可采用随机混合系统（Stochastic Hybrid System,SHS）评估。最后仿真结果表明,当更新包的感知概率为0.2时,信噪比从0 dB增加至3 dB将导致平均AoI降低20.6%;当信噪比固定为4 dB时,状态更新包块长度从300 channel uses增长至400 channel uses会致使平均AoI降低8.8%。该研究可为缓冲区辅助的状态更新系统设计提供基本理论依据。     

面向调控信息新鲜度保障的电力至简物联网资源优化

信息新鲜度对分布式能源调控模型训练精度具有重要影响。信息新鲜度较差会导致训练模型损失值增加,降低调控可靠性与经济性,影响能量实时供需平衡。电力至简物联网能够为分布式能源调控提供即插即用、多模态融合的通信支撑,但仍面临跨域资源优化与模型训练适配性差、调控信息新鲜度难以保障等挑战。针对上述问题,提出基于调控信息新鲜度感知的通信与计算资源协同优化算法,通过赤字虚拟队列演进感知调控信息新鲜度偏差。在此基础上,利用深度Q网络学习信道分配与批量规模联合优化策略,最小化模型损失函数,保障调控信息新鲜度长期约束。仿真结果表明,相较于基于联邦深度强化学习的低时延资源分配算法与自适应联邦学习批量规模优化算法,所提算法使全局损失函数降低57.19%和24.60%,信息新鲜度提高35.34%和49.05%。     

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。     

智能反射面辅助及人工噪声增强的无线隐蔽通信

该文考虑一种智能反射面(IRS)辅助及人工噪声(AN)增强的无线隐蔽通信以提升隐蔽传输性能。首先,分析了Willie的探测性能并给出了总的最小探测错误概率下界表达式。在此基础之上,构建以最大化有效吞吐量为目标函数,以隐蔽需求和最大AN发射功率为约束的优化问题。该优化问题为非凸的,通常很难直接求解。该文提出基于Dinkelbach方法的交替迭代算法联合设计IRS的反射系数和Alice的发射功率及Bob的AN发射功率。为了降低计算复杂度,进一步提出一种低复杂度算法以获取相应优化变量的解析表达式。仿真结果表明：与无IRS及无AN方案相比,所提方案可以显著提升隐蔽传输性能。     

D2D辅助的窄带物联网中能耗和传输成功率的最优折中

在设备到设备(D2D)通信辅助的窄带物联网(NB-IoT)中,为了尽可能提高传输成功率,D2D接收端需要预留较多的通信时隙(可以允许多次重传)。然而,这显著地增加了用户设备(UE)的能耗,特别是在信道条件较差或者相邻D2D链路干扰较严重的情况下。该文基于中继和能耗模型构造了一个传输成功率和能耗折中的优化问题,进而提出一个基于二分法的通信时隙最优配置算法。数值结果表明较多的预留时隙数量极大地增加了UE的能耗,但是不会显著提高传输成功率,与多中继传输、随机中继传输和100%成功传输等其他算法相比,该文提出的预留时隙最优配置算法获得了最小的能耗和几乎最大的传输成功率(只比100%成功传输方案低)。     

面向无线传感器网络信息年龄的多无人机轨迹优化算法

由于无线传感器网络(WSN)中传感器的传输功率有限,同时可能与基站(BS)传输距离较远,造成无法及时交付数据,数据新鲜度过低,影响时延敏感型业务决策质量。因此,采用无人机(UAV)辅助收集传感器数据,成为提升无线传感器网络数据新鲜度的有效手段。该文通过信息年龄(AoI)性能指标评估无线传感器网络数据新鲜度,并基于集中式训练分布式执行框架的多智能体近端策略优化(MAPPO)方法研究了无人机轨迹优化算法。通过联合优化所有无人机的飞行轨迹,实现地面节点平均加权信息年龄的最小化。仿真结果验证了所提多无人机路径规划算法在降低无线传感器网络信息年龄方面的有效性。     

基于信息年龄的工业无线传感器网络混合数据调度方法

在工业无线传感器网络(IWSN)中，实时交付工业现场的周期性控制/传感数据流与非周期性事件数据流，是保障生产安全高效运行的关键。信息年龄(AoI)作为一种新兴的数据新鲜度衡量指标，能够从目标节点角度全面地度量网络数据交付的实时性。针对周期性和非周期性数据混合的工业无线传感器网络，该文在引入网络数据整体新鲜度指标的同时，考虑到周期性数据新鲜度在超过阈值后可能会对工业生产造成负面影响，建立了最小化系统平均AoI和周期性数据AoI逾期概率的联合优化模型，并将优化问题表述为马尔可夫决策过程(MDP)进行求解。由于传统基于相对值迭代的最优求解方法在大规模网络中因为维度灾难难以实施，因此采用深度强化学习(DRL)降低优化问题的状态空间维度，并改进决策探索机制以加快学习速度，提出了基于优化决策探索的深度强化学习(DRL-ODE)调度方法。仿真结果表明，所提方法能够提高网络数据交付的实时性，并有效减少周期性数据的AoI逾期概率。     

基于认知无线电系统的协作中继分布式功率分配算法

协作通信与直接通信相比能够显著地提高系统性能。协作通信中的一个关键问题是管理中继节点及有效地进行功率分配。尤其对于频谱共享的认知无线电(Cognitive Radio,CR)系统,协作方案的设计不仅要最大限度地提高认知网络协作的功率效率,而且需要最小化对主系统的干扰。该文针对认知无线电系统的协作通信问题,在多个中继节点与源节点协同通信的场景下,提出了一种基于放大转发(Amplify and Forward,AF)模式下的功率分配及联合优化算法,在保证主系统传输性能不受影响的前提下,提高认知系统的传输速率。仿真结果表明该文提出的自适应协作传输方案,和直接传输及等功率传输方案相比获得了进一步的性能增益,中断概率显著下降。     

数字用户环路通信系统的通用数据位加载算法

本文给出了双向对称比特率数据传输和双向不对称比特率数据传输两种传输模式数字用户环路通信系统的通用等效信道模型及其信噪比表达式，利用特定调制模式下的通信信道的误码率、比特位数与信噪比之间的关系构造了性能良好的通用数据位加载算法。对采用不同数据比特率传输模式的两种数字用户环路通信系统的仿真试验结果表明，本文算法比其他算法具有更好的性能。     

基于双向中继和网络编码的NOMA网络性能分析

针对实际场景中存在的具有上下行双向传输任务的通信系统,本文提出了一种双向中继协作非正交多址接入(NOMA, non-orthogonal multiple access)传输方案,基于解码转发(DF, Decode and Forward)协议研究信号的上行和下行双向传输技术,与现有NOMA方案不同,本方案为近端用户分配较大的功率,利用网络编码(NC, network coding)原理在两个时隙内实现基站和用户之间的双向信息交换。进一步考虑不完美信道状态信息(CSI, Channel State Information)条件,分析系统的传输性能并推导了系统中断概率以及遍历和速率闭合表达式。仿真结果表明,在完美CSI和不完美CSI条件下,相比于现有文献所提方案、单向中继(OWR,One-Way Relay)和正交多址(OMA, Orthogonal Multiple Access)网络,本文所提方案有效降低了系统的传输中断概率,提高了系统的遍历和速率以及系统吞吐量。      

Underlay协同频谱共享系统中基于SDF-DZFB的物理层安全传输

协同中继传输不仅能改善认知用户的传输可靠性,而且也能增强认知用户物理层安全性。针对Underlay模式下多中继协同频谱共享认知无线网络,本文设计了基于选择译码转发和分布式迫零波束成形（SDF-DZFB）的物理层安全传输方案,其中,假设存在单个被动窃听节点窃听中继节点的发送信号,在认知用户发送端同时考虑峰值干扰温度约束和最大发射功率约束,中继和认知用户目的端都受到主用户干扰。在此情况下,分析了认知用户发送端分别到目的端（称为主链路）和到窃听节点（称为窃听链路）的等效信干噪比的统计特性,进而推导出系统安全中断概率性能的闭式表达式。为了揭示所提物理层安全传输方案的安全分集度性能,本文进一步分析了高信噪比条件下安全中断概率的渐近表达式。计算机仿真验证了本文的理论分析结果。      

优化的最佳中继协作频谱感知

在基于中继的协作频谱感知中,尽管通过引入认知中继可有效提高协作频谱感知性能,然而认知中继的引入也会带来额外的系统开销及复杂度增加问题。为了节约系统开销,本文在前期取得研究成果的基础上,进一步提出了一种基于删余的最佳中继协作频谱感知方案,只有当次用户检测到主用户信号且目标次用户的报告信道衰落严重时,才申请认知中继的协作传输,同时目标次用户将其检测到的感知信息发送到认知中继;最后,分别从检测性能和次系统可获得的容量角度对所提方案下的协作频谱感知性能进行了理论分析。分析和仿真结果表明,所提方案可以有效提高检测性能,当确保主用户受到足够保护的前提下,利用所提方案可以获得更高的次系统容量。      

面向OFDM的同时同频全双工双向高谱效中继方案

针对同时同频全双工双向中继网络,该文提出一种对中继剩余自干扰信号具有鲁棒性的双向中继传输方案。该文首先对中继剩余自干扰信号进行分析,将无限迭代的剩余自干扰信号建模成等效多径信号,并利用OFDM的循环前缀对抗等效多径现象,以降低中继剩余自干扰信号对系统传输性能的影响。在等效多径方案的基础上,以系统信干噪比最大化为目标,推导出全双工双向中继传输的最佳放大因子求解方法。最后,通过仿真验证所提出的双向中继传输方案的有效性。