毫米波MIMO系统中迭代最小均方误差混合波束成形算法

混合波束成形结构能有效解决毫米波MIMO系统中射频链路受限的问题,但要设计性能较优的混合波束成形算法仍然存在困难.为了实现更高的频谱利用率,提出了一种性能较优的迭代最小均方误差(Alt-MMSE)混合波束成形算法.该算法利用数字矩阵的正交特性,首先进行初始数字矩阵设计,然后通过最小化发送信号与接收信号的均方误差不断迭代更新数字矩阵,在每一次迭代过程中,通过更新后的数字矩阵得到模拟矩阵的相位信息.仿真结果表明,与OMP混合波束成形算法和基于矩阵分解的混合处理方案相比,该算法具有更优的性能且更接近于纯数字波束成形.     

非联合多用户的物理层安全算法

为解决无线数字电视中多用户系统内部窃听者带来的安全威胁,提出针对多用户系统的接收非联合乘性干扰物理层安全算法。其思路是首先保证接收多用户处在非联合状态,提高用户接收的便利性。然后在对内部窃听者的接收信号进行抵消削弱的同时,引入乘性干扰对其接收质量进一步恶化。通过对接收端符号判决前后的安全性分析及仿真可知,提出的算法可以有效地提高系统安全传输速率,并且其安全性高于现有加性人工噪声方法。     

人工噪声辅助MIMO系统下数据信号功率占比的误码率研究

针对多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）无线通信系统传输过程中的安全问题,提出了一种基于人工噪声辅助的安全传输方法。首先,建立人工噪声辅助MIMO系统的信道状态矩阵;其次,将信道状态矩阵进行奇异值分解,设计合理的预编码和人工噪声矩阵,从而显著提升MIMO系统的安全性。对于窃听节点的译码采用最大似然检测译码。仿真结果表明,利用MIMO系统信道信息的零空间矩阵,采用人工噪声进行信号加密,有效提高了潜在窃听节点的误码率,当合法信道质量降低时,通过降低分配数据信号功率系数来提高MIMO无线系统的窃听误码率。     

多用户大规模MIMO自适应安全传输策略

大规模MIMO系统采用空分多址可以提高系统吞吐量,同时利用多用户下行信号的相互协作可以对窃听者造成叠加干扰,带来了天然的安全增益。但目前该系统的物理层安全研究仍采用传统的人工噪声方案,忽略了多用户信号干扰带来的安全增益,造成严重的功率浪费。针对这一问题,该文分析了多用户信号干扰对系统可达平均安全速率和平均安全能效的影响,给出了系统的最佳接入用户区间。研究发现,在系统接入用户数较少和用户数较多时,系统安全能力较弱,针对此分别提出了N波束加扰和基于用户位置的用户调度的自适应安全传输策略。最后通过仿真验证了理论推导和所提策略的有效性,利用该文所提策略,能够保证系统天然安全能力不足时的安全通信。     

基于GSIC的上行链路毫米波大规模MIMO-NOMA系统低功耗传输方法

非正交多址接入（non-orthogonal multiple access,NOMA）和毫米波大规模多输入多输出（multiple-input multiple-output,MIMO）的结合能够支持未来无线通信网络的巨流量大连接需求。研究了上行链路毫米波大规模MIMO-NOMA系统中的功率最小化问题，提出了基于群体串行干扰消除（group-levelsuccessiveinterference cancellation,GSIC）的混合波束成形毫米波MIMO-NOMA上行传输系统新架构。具体来说，根据信道增益对用户进行群体划分，不同群体用户由NOMA服务，群体内用户采用空分多址区分。通过给不同群体设计模拟波束成形矩阵，对数字波束成形和功率控制进行联合优化，提出了一种并行迭代算法来解决优化问题。仿真结果表明，所提出的新架构在总功率方面优于传统的基于分簇和用户级串行干扰消除的毫米波大规模MIMO-NOMA。     

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。     

MIMO异构网络中一种基于人工噪声的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方案

为保证MIMO异构网络面临多天线主动窃听时的安全性,该文提出一种基于人工噪声的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方案。首先,考虑窃听者发送上行导频干扰的情形,研究了其发送的上行导频干扰对合法用户信道估计的影响。随后,基于信道估计结果对宏基站、微基站的下行数据与噪声信号的预编码矩阵进行设计,并推导了此种情形下系统安全速率的表达式。然后,以系统安全速率最大化为目标对基站的下行数据与噪声信号的发送功率进行优化设计,并提出一种基于1维线性搜索的求解方法。进一步地,考虑窃听者在发送上行导频干扰后,继而发送噪声干扰用户下行通信的情形,提出一种基于离散零和博弈方法来获取最优的发送功率设计。仿真结果验证了所提方案的安全性和鲁棒性。     

窃听CSI未知场景下基于可重构智能表面的物理层安全传输方案

近些年来,人们一直在开发可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS),它是一种由许多无源反射器组成的低成本结构,可以自由地改变每个元素的反射系数,并重新配置无线传输环境以改变入射信号的传播。由于具有若干新型和独特的优势,RIS应用场景广泛,关于其在物理层安全中应用的研究蓬勃发展。与此同时,物理层安全研究中窃听者的信道状态信息(Channel State Information,CSI)一直是人们讨论的热点,实际通信场景中窃听CSI通常是不易获取或未知的。因此本文考虑了一个更接近现实的情况,即针对窃听CSI未知的场景,考虑存在一个合法接收者以及多个非法窃听者,从功率分配的角度出发,结合波束成形,设计一种多RIS辅助的人工噪声与功率分配方案,通过对基站波束成形矩阵和RIS反射系数的交替优化,并应用二分法,使得在合法接收用户信号质量不变的前提下,降低基站处发送保密信息至合法用户所需的功率,降低其接收信号的信干噪比,进而提高系统的保密容量。同时考虑到了多个RIS协作辅助保密通信不一定最优,并可能增加系统优化的复杂度,设计了多个RIS的选择方案,...     

大规模天线SWIPT的安全速率性能分析

多入单出广播系统中,现有研究均是在完整信道状态信息下来优化单用户安全速率,而实际上,系统中不可能只存在一个用户,基站往往接收到的也是不完整信道状态信息.针对此问题,提出了一种顽健性波束成形方案.在多用户情况下,考虑信道估计误差对系统安全速率的影响,采用粒子群算法来联合优化发射波束成形矢量、人工噪声协方差和功率分流比,从而在确保用户收集一定能量的同时最大化安全传输速率.仿真结果表明,所提方案相对于理想情况下的安全速率略微降低,但考虑到存在窃听用户和估计误差的情况,对实际系统具有指导意义.     

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。     

Joint hybrid beamforming and power splitting design in millimeter-wave simultaneous wireless information and power transfer system

A joint hybrid beamforming and power splitting(JHBPS) design problem for simultaneous wireless information and power transfer(SWIPT) in millimeter-wave(mmWave) system is studied.The considered scenario is a multi-antenna base station(BS) transfers information and energy simultaneously to multiple single-antenna receivers.BS adopts hybrid digital and analog beamforming architecture to reduce hardware costs.Receivers separate acquired signals with power splitters either for information decoding(ID) or energy harvesting(EH).The aim is minimizing total transmission power by joint design of hybrid beamforming and PS under ID and EH requirements.It is difficult to obtain the optimal hybrid beamformer directly since the analog beamformer and digital beamformer are multiplied.Therefore,a two-stage algorithm is proposed to solve the problem.In the first stage,the optimal beamformer and PS ratios are obtained by solving the joint transmission beamforming and PS design problem.In the second stage,the optimal beamformer is approximated with the product of analog beamformer and digital beamformer.The superiority of proposed algorithm over the existing algorithms is demonstrated through simulations.Moreover,the effectiveness of approximation algorithm is testified.     

毫米波大规模MIMO系统基于等效信道的全连接混合预编码设计

为了提升毫米波大规模MIMO系统中基于全连接结构的混合预编码性能,提出一种基于等效信道两步设计法的混合预编码方案。首先结合发送端模拟预编码矩阵、接收端模拟组合矩阵和信道矩阵构造等效信道,以最大化等效信道增益为目标设计出收发端的模拟部分,之后对数字预编码矩阵与数字组合矩阵逐列应用最小二乘准则进行求解,设计出收发端数字部分。仿真结果表明,所提算法能够逼近最优全数字预编码方案且具有较低的复杂度,并具有较强的容错性。     

混合动态连接结构的多用户多流混合预编码

混合预编码对于提高多用户毫米波大规模多输入多输出(MIMO)系统的性能至关重要,但目前基于全连接结构与子连接结构的混合预编码分别存在高能耗与性能损失严重的问题。该文综合考虑系统的频谱效率与能量效率,提出混合动态连接结构,并设计该结构下的混合预编码算法。该算法通过最大化信干噪比(SINR)的增量来设计混合动态连接结构的模拟域预编码,然后基于等效信道运用块对角化(BD)设计数字域预编码抑制多用户多流干扰。仿真实验表明,该文所提出的混合动态连接结构的频谱效率介于全连接结构与混合固定连接结构之间且获得的能量效率最高。     

智能反射面辅助的毫米波MIMO系统波束成形设计

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS),也被称为可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)或大型智能表面(Large Intelligent Surface, LIS),通过重新配置无线通信传输环境,可以有效提高通信质量。考虑IRS辅助的毫米波多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)下行系统,通过采用流形优化(Manifold Optimization, MO)技术处理,协同优化IRS的无源波束成形、功率分配、预编码矩阵以及合并矩阵,以最大化多用户和速率。由于利用流形优化算法设计的最佳目标函数是非凸的,因此利用毫米波级联信道的内在结构,将非凸问题转换为更加容易处理的问题。仿真结果表明,所采用的MO方案能获得比最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)方案以及随机相位方案更好的和速率性能。     

基于连续干扰消除的毫米波MIMO系统混合预编码算法

该文研究多用户毫米波MIMO系统的混合模数预编码器和合并器设计。针对因信号传播漫散射造成的多用户间信号干扰问题,提出一种基于连续干扰消除(SIC)的鲁棒混合预编码算法。首先对信道矩阵进行正交分解,以消除来自已知用户信号的干扰,从而将含有非凸约束的多用户链路优化问题分解为多个单用户链路优化问题。然后采用相位提取算法逐个求解每个用户的最优传输链路,并结合最小均方误差(MMSE)准则求得多用户混合预编码矩阵。仿真结果表明,与现有的混合预编码算法相比,所提算法在强干扰环境下具有显著的性能优势。     

一种针对基于人工噪声的MU-MISOME保密通信系统的全新优化方案（英文）

This study investigates artificial noise aided Multiuser Multiple-Input Single-Output(MU-MISO) broadcast wiretap system designs in slow fading channel environment. We adopt a beamforming technique with artificial noise to achieve secure multiuser communication and optimize system performance. To overcome the complexity of this model, a novel optimization scheme using semiclosed-form expressions and Monte Carlo method is employed to derive the relationship between transmission parameters and secu...     

一种基于SIC-CDM的低复杂度混合波束赋形方案

为了平衡毫米波大规模多输入多输出系统的性能和硬件开销,降低系统功耗,以频谱效率为优化目标,在部分连接结构下提出了一种收发端联合设计的低复杂度混合波束赋形方案。首先,基于连续干扰消除将原始优化问题转化为多个子阵的速率优化问题;然后,利用坐标下降法完成模拟波束赋形矩阵设计;最后,引入等效信道矩阵大幅降低矩阵维度,再对其进行奇异值分解获得数字波束赋形矩阵。仿真结果表明,与其他算法相比,所提算法在系统功耗降低的同时保持了较优的性能,且性能逼近部分连接结构的最优方案。