智能反射面增强的多无人机辅助语义通信资源优化

无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)为无线通信系统提供了具有高成本效益的解决方案。进一步地,提出了一种新颖的智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)增强多UAV语义通信系统。该系统包括配备IRS的UAV、移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)服务器和具有数据收集与局部语义特征提取功能的UAV。通过IRS优化信号反射显著改善了UAV与MEC服务器的通信质量。所构建的问题涉及多UAV轨迹、IRS反射系数和语义符号数量联合优化,以最大限度地减少传输延迟。为解决该非凸优化问题,本文引入了深度强化学习(Deep Reinforce Learning, DRL)算法,包括对偶双深度Q网络(Dueling Double Deep Q Network, D3QN)用于解决离散动作空间问题,如UAV轨迹优化和语义符号数量优化;深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient, DDPG)用于解决连续动作空间问题,如IRS反射系数优化,以实现高效决策。仿真结果表明...     

基于智能反射面的无线抗干扰通信方法

由于无线信道的开放性,当前无线通信系统愈发受到恶意干扰攻击. 为了提高无线通信干扰能力,提出了一种基于智能反射面（intelligent reflecting surface, IRS）的抗干扰通信方法. 针对IRS辅助的通信抗干扰系统,考虑在用户接收信干噪比约束和连续相移约束下,建立非线性、多变量耦合的功率最小化资源分配模型,以实现频谱和能量性能的双向提升. 利用交替优化和半正定松弛求解原变量耦合的非凸优化问题,以得到最优发射波束和IRS相移. 此外,针对模型求解复杂度高的问题,还提出了一种低复杂度算法以得到发射波束的低复杂度闭式解. 同时,进一步提出了一种实用且快速响应的经验算法,以应对时变高动态干扰. 仿真结果表明,与现有未引入IRS方案相比,所提算法在各种情况下收敛迅速,并且功率消耗和干扰容限都有约30 dB的性能提升.     

智能反射面辅助的无人机无线携能通信网络吞吐量最大化算法研究

为了解决城市场景中无人机(UAV)与地面终端设备(GUs)间易受到障碍物阻挡的问题,该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的UAV供能通信网络吞吐量最大化算法。首先,在满足能量因果、IRS相移、UAV移动性等约束条件下,建立了一个联合IRS相移设计、GU无线资源分配、UAV飞行轨迹设计的多变量耦合优化模型。其次,通过快坐标下降法(BCD)将原非凸问题转换为3个易于处理的子问题,并通过三角不等式、引入松弛变量、连续凸近似(SCA)等方法,对子问题进行转化求解。仿真结果表明,该文所提算法具有较好的收敛性,同时可有效提高系统总吞吐量。     

超大规模智能反射面辅助的近场移动通信研究

超大规模智能反射面(Extremely Large-scale Intelligent Reflecting Surface, XL-IRS)是未来6G通信系统的一个关键备选技术,其可以通过调节信号的反射来实现无线传播环境的智能可重构,从而大幅提升未来通信系统的性能。不同于现有研究工作主要关注于远场通信的小规模IRS,考虑建模更加准确的XL-IRS辅助近场通信场景。指出XL-IRS辅助通信系统中考虑近场信道模型的重要性,介绍XL-IRS系统中的近场信道建模,指出近场信道模型下的通信性能极限。从基站波束对准、XL-IRS波束训练以及波束跟踪三方面详细阐述XL-IRS辅助通信的波束管理设计方法,针对XL-IRS辅助的通信感知一体化(Integrated Sensing and Communicatioin, ISAC)的场景,详尽讨论其在近场通信的关键设计难题以及有前景的解决办法。     

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。     

智能反射面辅助的无线携能通信系统优化问题研究

本文针对智能反射面辅助的无线携能通信系统,提出了一种面向能量效率的信号传输方案,该方案在基站处发射信息与能量的混合信号,通过联合优化基站的信息信号波束、能量信号波束和智能反射面处的相移来实现系统能量效率的提升。由于优化问题非凸且三个优化变量相互耦合,难以直接获取最优解。因此本文采用交替优化将原问题转换为两个非凸子问题进行交替迭代求解,并借助Dinclebach与半正定松弛等方法将非凸子问题转化为凸问题解决,最终获得原问题的次优解。数值仿真结果表明,本文所提方案在能量效率方面优于现有方案。     

基于硬件损伤的智能反射面辅助安全通信系统能效优化算法

为了克服阴影衰落和障碍物阻挡的影响,智能反射面(IRS)已经成为一种提高无线通信系统能量效率(EE)和降低硬件成本的有效技术。然而,传统无线资源分配(RA)算法忽略了系统收发机硬件损伤(HIs)的影响,由于放大器非线性、相位噪声的影响使得接收信号失真,从而使得这类算法的系统性能下降。为解决该问题,通过考虑收发机的硬件损伤和网络窃听者的影响,该文研究基于硬件损伤的IRS辅助安全通信系统能效优化问题。首先,基于基站的最大发射功率约束和用户的最小安全速率约束,建立一个含硬件损伤的能效最大资源优化问题。其次,采用辅助变量替换、半正定松弛以及Dinkelbach等方法,将原非凸问题转化为凸问题进行求解。最后,数值仿真结果表明,该算法与传统资源分配算法相比,合法用户的平均中断概率降低了43.5%,该算法中系统的安全能效提高了8.3%,因此,该算法具有较好的抗硬件损伤性和安全性。     

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...     

智能反射面辅助的多天线通信系统鲁棒安全资源分配算法

为了解决蜂窝通信系统中因窃听者、障碍物阻挡和信道不确定性导致安全性低和传输质量差的问题,该文提出一种智能反射面(IRS)辅助的多天线通信系统鲁棒安全资源分配算法。首先,考虑合法用户的安全速率约束、最大发射功率约束和IRS相移约束,基于有界信道不确定性,建立了一个联合优化基站主动波束、IRS被动波束的鲁棒资源分配问题。然后,利用S-程序、连续凸近似、交替优化和罚函数等方法对含参数摄动的原非凸问题进行转换,得到可直接求解的确定性凸优化问题。最后,提出一种基于迭代的鲁棒能效最大化算法。仿真结果表明,该文算法具有较好的能效和较强的鲁棒性。     

智能反射表面辅助的全双工通信系统的物理层安全设计

带内全双工技术可以缓解无线通信系统中频谱资源紧张的问题。为有效保障全双工通信系统的信息安全,针对全双工接入点(FD-AP)与上行用户、下行用户同时同频通信的系统模型,该文提出一种智能反射表面(IRS)辅助的物理层安全方案。考虑以最大化下行用户的安全速率为目标,在满足AP发射功率、AP信干噪比(SINR)以及IRS反射相移单位模的约束下,构建一个AP发射波束赋型和IRS反射相移联合优化问题。针对该变量耦合的非凸优化问题,该文采用交替优化(AO)算法迭代优化AP发射波束赋型和IRS反射相移,并提出一种基于精确罚函数法的黎曼流形优化算法,将反射相移优化子问题转换成黎曼流形上的无约束最小化问题进行求解。仿真结果表明,所提方案可以明显提升全双工通信系统的安全性能;并且相较于当前常用的半正定松弛(SDR)算法,所提算法有更低的计算复杂度。     

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。     

基于分布式智能反射面的物理层安全通信研究

智能反射面(IRS)能够实时调整无线传输环境提高通信效率,在后5G和6G研究中得到广泛关注。该文研究分布式IRSs安全速率最大化问题：考虑功率和恒模约束以及IRS链路之间的相关性,以最大化安全传输速率为目标,构建基站波束成形和IRSs相移参数联合优化问题。采用分式规划和流形优化算法求解构建的非凸优化方程。仿真结果表明,相较于传统算法,该文算法具有较高处理效率有效提高系统安全性,也进一步表明分布式部署IRS比集中部署安全性能更优。     

智能反射面辅助的反向散射通信信道的传播模拟

为了解决引入智能反射面(IRS)后反向散射通信(BackCom)信道的传播模拟问题,该文提出一种基于抛物方程(PE)和矩量法(MoM)的高效混合数值方法。该方法将电大场景下IRS辅助信道的传播建模问题分解为电波传播与电磁散射两个子问题,分别采用PE和MoM进行求解。通过对视距和非视距场景下IRS辅助的信道进行模拟,探讨了PE-MoM混合求解技术的高效性。仿真结果表明,与MoM相比,所提算法的计算速度提升了6.46倍,计算资源消耗也下降了81%,且相对均方根误差仅为3.89%。对比结果表明所提出的PE-MoM方法能够在兼顾计算精度和计算效率的同时,实现IRS辅助的BackCom信道的传播模拟。     

IRS辅助的NOMA无人机网络安全速率最大化算法

该文研究了智能反射面(IRS)辅助基于非正交多址接入(NOMA)技术的无人机(UAV)网络中的安全传输。为了使系统安全速率最大化,该文提出联合优化无人机位置、串行干扰消除解码顺序、IRS反射矩阵和UAV发射功率的资源优化问题。由于优化问题是一个混合整数非凸优化问题,该文提出一种基于块坐标下降的迭代算法,将原问题分解为3个子问题,采用基于惩罚、半正定松弛和连续凸逼近的方法求解子问题。仿真表明,所提算法的系统安全速率优于没有IRS辅助的NOMA方案和没有IRS辅助的正交多址方案。     

智能反射表面辅助无线能量传输的保密率最大化算法

为了减少窃听者对合法接收者的信息接收影响和窃听者的有用信息接收量,该文研究利用智能反射表面(IRS)来实现无线供电通信网络(WPCN) 中窃听端处的波束抵消。首先在传输能量的同时进行窃听检测,IRS根据合法用户的能量状态选择是否采取防窃听模式,然后在存在窃听的情况下,研究了窃听信道完美和不完美状态下系统的保密率最大化问题。分析表明,这一最大化问题是相移、功率分配、时间分配的多变量耦合非凸问题,可以采用分步优化、变量替换和S-Lemma等方法进行求解。仿真结果表明,与基准算法相比,所提算法提升了保密率,当智能反射表面元件数为80时保密率提升了44%,发射功率为40 dBm时保密率提升了34%。     

基于矢量近似消息传递的智能反射面辅助毫米波信道估计

毫米波属于一种典型的视距传输方式,其受大气吸收影响严重。针对毫米波的非视距传播受限,该文通过智能反射面(IRS)辅助毫米波通信,提出结合Khatri-Rao积的矢量近似消息传递(KR-VAMP)算法来提高毫米波通信系统的信道估计质量。该算法基于Khatri-Rao积将级联信道问题转换为稀疏信号恢复问题,并结合VAMP的矢量和迭代阈值算法的优势,使得整个IRS辅助毫米波系统在减少训练迭代次数的同时,降低了整个系统的信道估计误差。最后通过仿真结果对比,分析了各变量对信道估计的均方误差(MMSE)的影响,以及MMSE随着迭代次数的收敛情况,验证了此算法对比其他近似消息传递(AMP)算法具有更好的性能。