基于IRS-NOMA辅助的短包通信系统性能分析

为了揭示短包数据在智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS)和非正交多址接入(non-orthgonal multiple access,NOMA)技术辅助的通信系统中的传输性能,对短包通信系统性能进行深入研究.针对IRS具有理想相移和存在1 bit相位误差两种情况,借助短包通信相关理论和一阶黎曼积分法,获得近用户和远用户处平均误块率(block error rate,BLER)的解析结果;基于BLER的表达式,进一步分析系统吞吐量性能;利用蒙特卡洛仿真实验验证理论分析的正确性.结果表明:增加反射单元数目或增大信噪比都可显著改善短包传输的可靠性;相位误差对BLER和吞吐量的影响不容忽视.

超可靠低时延短包通信:重新探索差分调制

6G应用场景之一的URLLC采用短包结构来传输信息。然而,用于获取准确信道状态信息的导频开销将在短包中占据相对较大的比例。因此重新探索使用差分调制,以减少短包传输中信道估计所带来的信令、功率和带宽开销。具体地,考虑一个采用差分调制的多连接方案来实现短包URLLC并采用选择性合成方案来获得多连接分集增益。进一步使用非渐近信息理论界推导了基于差分调制和多连接方案的短包传输的误块率。仿真结果验证了分析的正确性,并表明在短包传输中,差分调制比常规的基于导频的相干检测方案具有很大优势。

硬件损伤下IRS辅助下行NOMA短包通信性能分析

分析了莱斯信道下硬件损伤对采用非正交多址接入的智能反射表面(IRS)辅助下行两用户短包通信(SPC)系统性能的影响。IRS利用统计信道状态信息进行相位调整。首先,利用中心极限定理、矩匹配方法、SPC相关理论及高斯−切比雪夫正交积分法推导了两用户平均块错误率的解析表达式;其次,在用户可靠性约束下利用二分法和一维搜索算法给出了最优功率分配方案来最小化系统传输时延;最后,仿真结果验证了理论分析的正确性并显示硬件损伤对SPC的影响比长包通信更加显著。

认知物联网短包通信中双向中继系统的信息年龄分析

未来认知物联网(IoT)将存在大量用于监控的时间敏感类短包信息。针对认知物联网短包通信场景,该文分析了认知次用户对在双向中继短包通信系统中的信息新鲜度。该文采用信息年龄(AoI)作为衡量信息新鲜度的性能指标。根据短包通信理论,该文推导出系统的误包率和平均峰值AoI(PAoI)表达式,并得出了系统在高信噪比情况下的表达式。在此基础上,考虑认知物联网短包通信中频谱检测性能的非理想,采用交替迭代优化算法对感知包长和传输包长进行联合优化以最小化PAoI加权和。仿真结果验证了理论分析的正确性。该研究发现,对于双向中继系统次用户对的PAoI加权和,感知包长和传输包长存在折中关系,该文所采用的交替迭代优化算法能够有效提升系统PAoI性能。

物联网环境下船舶短包通信资源智能分配方法

为降低船舶短包通信数据传输能耗,并高效完成船舶数据传输,提出物联网环境下船舶短包通信资源智能分配方法。该方法依据船舶物联网短包通信网络结构,计算短包安全通信容量,以此为基础构建短包通信总功耗最小化为分配目标,在数据传输安全容量约束的前提下,提出基于深度强化学习(DNN)的传输功率智能分配算法,智能分配船舶短包通信资源。测试结果显示:该方法具有较好的数据传输稳定性,各个信道的传输速率均在0.5~0.6 Mbps之间,公平指数计算结果均在0.916以上,短包通信资源智能分配均衡性较高;最大传输功率结果为27.4 MW,满足应用标准。

基于短包通信的NOMA下行链路安全传输

面向物联网业务中的低时延需求,将短包通信(SPC)和非正交多址接入(NOMA)技术相结合,针对存在窃听者的情况研究多用户NOMA系统中的安全传输问题。以最大化弱用户的安全吞吐量为目标,考虑用户译码错误概率约束、总功率约束和功率分配约束,提出了一种低复杂度的功率分配方案实现系统安全传输。为解决复杂的目标函数和不可靠的串行干扰消除(SIC)技术带来的问题,首先证明约束条件在取得最优解时的紧约束性,在最大译码错误概率约束下,对功率约束进行转化和计算,得到强用户发射功率范围,推导出基站向强用户的发射功率搜索集;然后利用一维搜索算法对功率进行分配,实现弱用户吞吐量最大化。仿真结果证明,所提方案可有效提高系统中弱用户的安全吞吐量。

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。

短包隐蔽通信下抗检测-干扰式攻击策略

为应对潜在的检测-干扰式恶意攻击,提出了一种基于短包隐蔽通信的抗检测-干扰攻击策略,通过隐藏无线传输行为的存在来实现抗干扰。考虑到干扰机采用Shewhart变点检测实时判断源节点的传输行为,当判决源节点正在传输数据包后启动人工干扰。为隐藏无线传输行为,源节点随机选择一个起始时刻以低功率、低速率传输有限长编码数据包。数据包发送功率越小、编码长度越短,隐蔽性越强,抗检测-干扰式攻击性能越好,但发送功率小和编码长度短使得接收端数据包译码错误概率较大。以有效传输速率最大为目标对数据包发送功率和编码长度进行优化设计。结果表明,存在最优的发送功率和编码长度使系统在传输隐蔽性和可靠性之间取得最优折衷。数值仿真结果验证了理论分析,证明了所提方案的有效性以及优化数据包编码长度和发送功率的必要性。

无人机通信中基于短包传输的能/谱效折中优化

在基于认知物联网的无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)辅助通信中,频谱效率(spectral efficiency,SE)和能量效率(energy efficiency,EE)的优化问题备受关注。针对低延迟高可靠性的通信需求,分析认知UAV通信中的短包传输问题。与传统认知网络相比,基于短包传输的通信存在不可忽视的包错误率。通过研究包错误率、感知时间和UAV发射功率对SE和EE的影响,证明了SE和EE关于感知时间和发射功率的最大值无法同时获得。在此基础上,提出高效的联合优化算法实现了SE/EE的折中优化。数值和仿真结果证明了理论分析的正确性,并验证了所提算法的有效性。

面向工业物联网的短包安全通信资源智能分配算法

面向工业物联网业务的低时延与安全性需求,针对短包安全通信的设备高能耗问题,结合物理层安全技术的短包通信理论,提出了一种安全容量约束下带宽和功率的智能分配算法。考虑安全容量和总带宽约束,构建了工业物联网下短包安全通信的总功率最小化问题。根据优化目标和约束条件,设计了带宽资源决策的双深度Q网络和基于深度确定性策略梯度的功率资源分配网络。仿真结果表明,所提出的智能资源分配算法有效地降低了工业物联网下短包安全通信的总功率。

无人机网络中人工噪声增强的短包隐蔽通信

考虑无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)网络中人工噪声(Artificial Noise,AN)增强的隐蔽无线通信,其中UAV工作在全双工状态,不仅接收Alice发送的隐蔽信息,而且产生AN恶化Willie的探测性能。构建了UAV的三维位置部署和AN发射功率以及Alice发射功率设计的联合优化问题。所构建的优化问题是非凸的且其优化变量相互耦合,这导致该优化问题很难直接求解。为了求解该优化问题,首先根据优化问题隐含的特性,将其等价地转换为更易处理的形式。随后,推导了Alice发射功率和AN发射功率的最优解析表达式。随后证明了UAV的最优水平位置一定位于Alice和Willie的连线上。在此基础上,推导了UAV的最优三维放置位置。仿真结果表明,与无AN方案相比,所提方案可以显著的提高系统的隐蔽传输性能。

RIS辅助的短包通信系统时延与安全性能分析

由于限定误差编码条件下的香农定理不再适用于短包通信系统,现有基于香农定理的无线通信系统性能分析结果不能准确描述短包通信系统的性能。对此,提出一种可重构智能反射面(RIS)辅助的短包通信系统,利用有限长编码理论描述其网络性能。基于排队论、有效容量理论和物理层安全理论,分析了RIS辅助的短包通信系统统计时延违反概率和遍历保密传输速率,并得到了闭合表达式。通过蒙特卡洛仿真实验验证了理论分析结果的有效性;通过增加智能反射单元数量,将RIS部署在靠近发送端或接收端的位置,可有效降低短包通信系统统计时延违反概率,提升遍历保密传输速率。

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5G的短包物理层安全通信

无线短包通信是实现海量机器类通信(massive machine type communication,m MTC)和超可靠低延迟通信(ultra-reliable low latency communication,uRLLC)等5G物联网(Internet of Things,IoT)应用的关键技术之一.面向工业物联网、车联网等应用,无线通信的安全问题至关重要.本文从物理层安全角度研究了慢衰落信道下短包通信系统的安全传输.基于安全短包通信信息论结论定义了保密中断概率(secrecy outage probability,SOP),并以SOP约束下的可靠吞吐量作为短包通信系统的安全通信性能指标.在此基础上设计了自适应和非自适应编码传输方案,分别利用合法信道的精确/部分瞬时信道状态信息(channel state information,CSI)进行编码速率设计及传输门限优化以最大化吞吐量,并进一步分析了主要系统参数对最优吞吐量的影响.数值结果验证了传输方案的有效性,并验证了SOP约束下主要系统参数对系统安全传输性能的影响.

非线性能量采集的WSN状态更新系统信息年龄研究

针对传统无线传感器网络性能受能量制约的问题,建立中继协助供能的短包通信网络模型,分析放大转发协议下系统端到端近似信噪比,结合过时信道状态信息和短包通信获取端到端包传输错误概率。为准确反映真实场景中信道估计时刻与实际中继传输信息时刻存在一定的延时,以及能量采集电路中电器元件的非线性特征,联合考虑过时信道状态信息和非线性能量采集,得到传感器完全充电时间的统计描述以及系统平均信息年龄的解析表达式。分析系统总能量效率,引入平均信息年龄与系统能量效率的比值来权衡系统年龄和能量,取得最优的状态更新码长。数值结果表明,增加传感器发射功率、信道相关系数和状态更新码长均会降低系统的平均信息年龄,当能量转换效率为0.7时,信道相关系数从0.6增至0.7可使系统平均信息年龄降低13%。

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。