针对非理想定时同步的多模协作多点传输

针对非理想定时同步对协作多点传输的负面影响,提出了多模协作多点传输算法。通过推导协作波束成形模式和联合处理模式在非理想定时同步条件下的平均可达速率,得到模式选择变量和模式选择门限。在多模协作多点传输算法中,用户首先对定时同步误差进行估计,并计算其模式选择变量和模式选择门限。然后用户选择协作多点传输的下行传输模式,并将其选择结果反馈给协作基站。最后,根据各用户的反馈,协作基站以最大化平均可达传输速率为准则,自适应地在协作波束成形模式和联合处理模式之间切换。仿真结果表明多模协作多点传输算法在定时同步误差较小时,采用联合处理模式,以保持空间复用增益,在定时同步误差较大时,采用协作波束成形模式,以避免用户间的额外干扰。因此,在非理想定时同步误差条件下,多模协作多点传输算法比仅采用协作波束成形模式或联合处理模式的传统协作多点传输算法具有更好的性能。     

协同系统鲁棒波束成形算法研究

由于实际很难获得理想信道状态信息(CSI),传统协同波束成形算法性能严重下降。设计对信道误差具有鲁棒性的波束成形算法具有重要的实际意义。针对放大转发协同系统最大化目的节点信噪比(SNR)准则下的波束成形设计,提出对应鲁棒算法。该算法从最坏情况鲁棒设计思想出发,建立保证鲁棒性的最优化问题,应用扩展S引理和Schur补定理将该问题由初始不可解转化为可解的准凸问题,进而求解出保证鲁棒性的波束成形因子。仿真表明:同等CSI偏差下,所提鲁棒算法的中断概率性能优于传统波束成形算法。     

一种干扰最小化协作波束形成节点选择方法

针对无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）对周围无关基站造成干扰的问题，提出了一种基于禁忌搜索的协作波束形成节点选择方法。该方法以协作节点的组合方式为优化变量,以降低无关基站方向的波束能量增益为优化目标,能够在约束节点个数的条件下优化协作节点集，减小WSN对无关基站的干扰。仿真结果表明，所提方法能够有效降低协作波束形成在无关基站方向上的能量增益，与随机搜索算法、遗传算法和免疫算法相比,参数设置简单,寻优效率更高。     

基于MSMSE的MIMO放大转发双向中继信道中波束成形设计

本文主要研究了基于最小化均方误差和准则的MIMO放大转发双向中继信道中的波束成形向量(矩阵)的设计.我们分别在集中式与分布式两种应用环境中提出了一套解决方案.在集中式方案中,多个中继之间完全协作,因此将多个单天线中继等效成一个多天线的中继节点,设计了基于所有中继天线的总功率控制的波束成形向量(矩阵).在分布式方案中,中继节点之间无协作,分别设计了基于所有中继总功率控制波束成形向量(矩阵)和基于单个中继功率控制的波束成形向量(矩阵).仿真表明,通过波束成形设计,可以显著提高通信节点平均误码率.由于中继节点之间的完全协作,集中式方案要优于分布式方案.但是,由于中继结构简单,分布式方案更易于在实践中应用.     

可变速率预编码BLAST与特征波束形成组合方案

传统的基于迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)算法的分层空时码(BLAST)接收机由于其较大的复杂度不适合在移动终端使用。该文的发射方案将传输预编码BLAST与特征波束成形相结合,利用信道协方差矩阵特征值分解得到的特征波束来承载空时分层码,并在目标BER约束下自适应调整速率。在下行链路发送端使用可变速率预编码BLAST与特征波束形成组合方案,大大简化了移动终端的接收机算法。     

基于协作非正交多址的无人机辅助卫星通信系统中断性能分析

针对无人机(UAV)辅助的卫星通信系统下行链路,该文研究了基于多天线波束成形和协作非正交多址(NOMA)技术相结合的多用户传输系统。首先,在UAV采用多天线和NOMA技术服务多个用户的情况下,基于用户平均信干噪比最大化准则,提出一种利用角度信息的波束成形方案。其次,在卫星-UAV链路服从相关阴影莱斯分布,而UAV-地面用户链路服从Nakagami-m分布的条件下,推导出系统的中断概率闭合表达式。然后,为了进一步分析系统性能,还推导了高信噪比条件下系统的中断概率近似表达式。最后,计算机仿真验证了理论分析的正确性和所提方案的优越性。     

基于OFDM调制的发射端宽带频域波束成形

本文基于OFDM调制系统,提出一种应用于宽带多天线场景下的发射端频域波束成形算法.首先仿真验证传统的窄带波束成形算法应用于宽带通信系统时,由于频率不匹配而造成的波束方向图失配,从而导致通信系统性能下降的问题.然后从发射端的角度考量,以预补偿的方式对OFDM调制的星座图映射之后,IFFT之前的频域信号进行宽带波束成形处理,仿真了在莱斯信道环境下的系统模型,并以误码率为衡量标准对提出的算法进行性能评估.结果表明,发射端应用频域宽带波束成形算法能够有效的降低接收端的误码率,改善通信系统性能.     

协作网络中基于中继选择的协作波束赋形算法

针对多中继网络中所有中继节点都参与协作的协作波束赋形方法,提出了一种基于选择的协作波束赋形算法。该方法将最小化系统中断概率作为目标,得到一个次优的中继节点选择门限,小于门限的中继节点被逐一剔除,从而保证了网络中的资源只分配给有用的中继节点,获得了分集增益。该选择方法需搜索次数和中继节点的个数相等,因此大幅降低了选择过程的复杂度。蒙特卡洛仿真表明,选择波束赋形算法可有效提高系统中断概率性能和网络能量效率。     

一种分布式多点协同波束成形和用户调度算法

为了高效实现多点协同下行链路的协同传输,该文基于最大化最小信干噪比准则提出了一种单层迭代分布式协同波束成形算法,并且证明了该算法的全局收敛性;利用该算法中优化波束的特征,进而提出了一种分布式协同用户调度算法。仿真结果表明,所提分布式协同波束成形和用户调度算法可获得明显优于已有算法的最小信干噪比性能,且只需要很少量的基站间信息交互。     

基于信道相关统计及有限反馈的多基站协作波束成型

为减少多基站协作波束成形系统中基站间的信息交换量和用户信道信息反馈量,提出一种基站联合利用有限反馈信道参数和信道空间相关矩阵估计信道矢量函数的方法;基于所估计的信道矢量函数,提出一种多基站协作扩展迫零波束成形算法。相比已有的多基站协作波束成形方案,所提算法能在反馈/回程开销和系统性能之间取得更合理的折中,计算仿真验证了所提算法的有效性。     

分布式无线Ad Hoc传感器网络中的合成式波束形成

分布式无线Ad Hoc传感器网络中的合作式波束形成的性能分析是建立在随机阵理论和移动通信波束形成的基础上的。在分布式Ad Hoc传感器网络中,每个传感器节点有一个全向天线,且在簇中的节点传输同一信号,使信号在远区场的目标方向上叠加。波束的方向的随机性是由无线Ad Hoc网络结构决定的。介绍了随机阵理论和移动通信波束形成,接着介绍了系统模型,分析了波束的方向特性,着重讨论了平均方向性增益,推导出平均方向性增益的近似公式。     

Collaborative beamforming for wireless sensor networks with Gaussian distributed sensor nodes

Collaborative beamforming has been recently introduced in the context of wireless sensor networks (WSNs) to increase the transmission range of individual sensor nodes. The challenge in using collaborative beamforming in WSNs is the uncertainty regarding the sensor node locations. However, the actual sensor node spatial distribution can be modeled by a properly selected probability density function (pdf). In this paper, we model the spatial distribution of sensor nodes in a cluster of WSN using Gaussian pdf. Gaussian pdf is more suitable in many WSN applications than, for example, uniform pdf which is commonly used for flat ad hoc networks. The average beampattern and its characteristics, the distribution of the beampattern level in the sidelobe region, and the distribution of the maximum sidelobe peak are derived using the theory of random arrays. We show that both the uniform and Gaussian sensor node deployments behave qualitatively in a similar way with respect to the beamwidths and sidelobe levels, while the Gaussian deployment gives wider mainlobe and has lower chance of large sidelobes.     

Collaborative beamforming for distributed wireless ad hoc sensor networks

The performance of collaborative beamforming is analyzed using the theory of random arrays. The statistical average and distribution of the beampattern of randomly generated phased arrays is derived in the framework of wireless ad hoc sensor networks. Each sensor node is assumed to have a single isotropic antenna and nodes in the cluster collaboratively transmit the signal such that the signal in the target direction is coherently added in the far-field region. It is shown that with N sensor nodes uniformly distributed over a disk, the directivity can approach N, provided that the nodes are located sparsely enough. The distribution of the maximum sidelobe peak is also studied. With the application to ad hoc networks in mind, two scenarios (closed-loop and open-loop) are considered. Associated with these scenarios, the effects of phase jitter and location estimation errors on the average beampattern are also analyzed.     

一种基于误差距离加权与跳段算法选择的遗传优化DV-Hop定位算法

针对Distance Vector-Hop (DV-Hop) 定位算法存在较大定位误差的问题,该文提出了一种基于误差距离加权与跳段算法选择的遗传优化DV-Hop定位算法,即WSGDV-Hop定位算法。改进算法用基于误差与距离的权值处理锚节点的平均每跳距离;根据判断的位置关系选择适合的跳段距离计算方法;用改进的遗传算法优化未知节点坐标。仿真结果表明,WSGDV-Hop定位算法的性能明显优于Distance Vector-Hop (DV-Hop) 定位算法,减小了节点定位误差、提高了算法定位精度。     

LEO星座中基于不完全信息的路由联盟博弈策略

针对LEO卫星网络在多跳转发数据包时流量分布不均问题,提出了一种基于不完全信息的最优收益路由联盟博弈算法.各节点协同联盟邻居节点,共同确定数据报文当前最优转发路径,从而分配和平衡节点间流量负载.仿真结果表明,与最短路径卫星路由DSP或智能路由TLR相比,本文算法的平均数据传输延迟降低了18.5%,节点流量负载均衡度提高了65.6%.     

Optimal designs of collaborative relay‐assisted multiuser beamforming for cellular systems

With careful calculation of signal forwarding weights, relay nodes can be used to work collaboratively to enhance downlink transmission performance by forming a virtual multiple‐input multiple‐output beamforming system. Although collaborative relay beamforming schemes for single user have been widely investigated for cellular systems in previous literatures, there are few studies on the relay beamforming for multiusers. In this paper, we study the collaborative downlink signal transmission with multiple amplify‐and‐forward relay nodes for multiusers in cellular systems. We propose two new algorithms to determine the beamforming weights with the same objective of minimizing power consumption of the relay nodes. In the first algorithm, we aim to guarantee the received signal‐to‐noise ratio at multiusers for the relay beamforming with orthogonal channels. We prove that the solution obtained by a semidefinite relaxation technology is optimal. In the second algorithm, we propose an iterative algorithm that jointly selects the base station antennas and optimizes the relay beamforming weights to reach the target signal‐to‐interference‐and‐noise ratio at multiusers with nonorthogonal channels. Numerical results validate our theoretical analysis and demonstrate that the proposed optimal schemes can effectively reduce the relay power consumption compared with several other beamforming approaches. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Least-Square Collaborative Beamforming Linear Array for Steering Capability in Green Wireless Sensor Networks

This paper presents a collaborative beamforming (CB) technique to organize the sensor node's location in a linear array for green wireless sensor network (WSN) applications. In this method, only selected clusters and active CB nodes are needed each time to perform CB in WSNs. The proposed least-square linear array (LSLA) manages to select nodes to perform as a linear antenna array (LAA), which is similar to and as outstanding as the conventional uniform linear array (ULA). The LSLA technique is also able to solve positioning error problems that exist in the random nodes deployment. The beampattern fluctuations have been analyzed due to the random positions of sensor nodes. Performances in terms of normalized power gains are given. It is demonstrated by a simulation that the proposed technique gives similar performances to the conventional ULA and at the same time exhibits lower complexity.     

基于半正定秩松弛方法的稳健波束形成

现有的向量加权稳健波束形成方法只有在指向误差较小的情况下才能有效估计目标的信号功率;矩阵加权波束形成方法在指向误差较大时,虽然可以估计目标的信号功率,但是它的系统实现复杂度与向量加权稳健波束形成方法相比较大。针对以上问题,该文提出基于半正定秩松弛(SDR)方法的稳健波束形成,该方法优化模型中的目标函数与Capon算法的目标函数相同,优化变量为加权向量的协方差矩阵,并约束方向图的主瓣幅度波动范围、旁瓣电平,协方差矩阵的秩为1。应用SDR方法求得加权向量的协方差矩阵,将该矩阵中的每一行(列)转化为加权向量,然后选择使得方向图主瓣与0 dB之间失真最大值最小的一个加权向量。该方法的系统实现复杂度与传统向量加权方法一致,对信号功率的估计性能与矩阵加权方法相当。仿真实验验证了该文方法可以得到理想的方向图形状,并且可以在大指向误差条件下有效估计信号功率。     

基于D2D通信系统中的一种跨层中继选择算法

在D2D通信系统与蜂窝网络共存的场景下,引入中继节点可有效提高D2D链路的吞吐量和D2D用户对蜂窝用户的干扰。文中基于译码转发模式,结合跨层协作通信的思想,提出了一种基于物理层和数据链路层的跨层中继选择算法。该算法结合物理层的信道状态信息和数据链路层的队列状态信息,两个参数进行最优中继节点的选择。并最终通过仿真验证表明,基于跨层中继选择算法可提高通信系统的吞吐量,同时降低了通信系统的平均时延和数据包错误率。