基于统计信道信息的智能反射面辅助物理层广播算法设计

智能反射面(Intelligent Reflective Surface,IRS)作为一种非常有前景的新型无线中继技术,可以改变无线传输环境,有效提升无线系统的频谱和能量效率。提出了一种基于统计信道的IRS辅助物理层广播系统的传输方案,在仅已知统计信道时,联合设计基站波束成形和IRS反射相位,最大化最小用户的各态历经容量。目标函数非连续,IRS的模一约束导致对应的优化问题非凸,对此首先得到了近似问题目标函数的闭式表达式,随后将其解耦为两个子问题:子问题1对应基站波束成形设计,可直接求得闭式解;子问题2对应IRS反射相位设计,该问题依然非凸,采用基于软件无线电的方法获得了该问题的近似最优解。仿真结果表明,基于统计信道信息的传输方案在降低系统开销和算法复杂度的同时能够有效提升IRS辅助的物理层广播系统性能。

基于统计信道状态信息的节能分布式中继选择

针对放大转发协作网络中的中继节点选择问题,提出了基于统计信道信息的能量有效分布式中继选择算法.算法对系统能量效率与系统中断性能进行折中,通过最小化系统平均消耗总功率来确定转发阈值,各中继节点根据转发阈值独立地决定是否参与数据转发.考虑有多个中继节点辅助源节点进行数据传输,提出了基于数值搜索方法确定转发阈值的多中继节点选择算法,在满足系统目标中断性能的同时,使系统消耗较少的平均功率.为了降低阈值求解的复杂度,考虑只有1个中继节点参与数据转发,进而提出了具有低计算复杂度的单中继节点选择算法.仿真结果表明,与已有的放大转发模式下的中继选择算法相比,该文提出的算法在能量效率上具有更好的系统性能.

基于统计信道状态信息的多小区下行协作调度算法

小区间干扰是制约无线蜂窝网络边缘区域容量的主要因素.为了提高小区边缘吞吐量,传统的预编码矩阵指示(precoding matrix indicator,PMI)协作调度方案能够有效抑制小区间干扰,但该方案需要较多的信道反馈信息.为了有效减少信道反馈开销,提出一种利用统计信道状态信息(statistical channel state information,SCSI)的多小区下行协作调度算法,该算法利用SCSI提取特征方向确定最佳的PMI或PMI集合.仿真结果表明,在强相关信道场景下,基于SCSI的协作调度算法可以使边缘用户保持较为理想的性能,并且对反馈时延和多普勒扩展导致的非理想信道信息具有较强的鲁棒性.

基于统计信道状态信息的多波束卫星系统安全波束成形设计

由于卫星通信的广域覆盖特性和信道的广播特性,使得通信过程存在被窃听的风险。为增强多窃听场景下多波束卫星通信系统的安全性,在已知统计信道状态信息条件下,本文分别针对总发射功率最小化和安全速率最大化问题,提出了相应的波束成形(beamforming,BF)方案。首先,以安全速率为约束建立总发射功率最小化问题,通过拉格朗日乘数法推导出最优BF权矢量的解析表达式;然后,以安全速率最大化为准则,分别建立了以总发射功率受限和单波束发射功率受限的优化问题。针对总功率约束下的优化问题,根据广义瑞利熵方法求出最优BF权矢量的解析表达式;针对单波束发射功率约束下的优化问题,通过引用辅助变量将非凸优化问题转换为凸优化问题,进而提出了一种基于黄金分割法的BF算法以计算出最优BF权矢量。最后,通过计算机仿真验证了所提方案的有效性与正确性,并进一步分析了系统参数对安全性能的影响。与传统的BF方案相比,所提BF方案能更好地抑制窃听过程,从而获得更高的安全性能。

不完全信道统计信息反馈下的MIMO系统容量

容量是MIMO通信系统设计的重要因素,针对不完全统计信道信息反馈下的MIMO系统,推导了闭环系统的容量表达式,并且给出反馈信噪比门限的表示式,该门限确保闭环系统容量不小于开环容量。仿真实验研究了反馈信噪比对系统容量的影响,对比了若干典型反馈方式下的系统容量,分析了不同系统的配置参数对反馈信噪比门限的影响。结果表明,反馈信噪比高于某门限时,系统容量高于开环容量,反之相反,反馈信噪比门限随着系统信噪比的增加而增加。

RIS辅助MIMO NOMA系统中利用统计CSI的下行传输方法

针对可重构智能反射表面(RIS)辅助多输入多输出(MIMO)非正交多址接入(NOMA)下行传输系统,该文提出利用统计信道状态信息(CSI)的基站发送协方差矩阵与RIS相移矩阵设计方法。首先,在莱斯空间相关信道假设下,利用大维随机矩阵理论,推导了RIS辅助MIMO NOMA系统遍历和速率的确定性表达式;然后,在弱用户速率约束与发送功率受限的条件下,通过最大化确定性大系统近似和速率,利用统计CSI,分别设计了强、弱用户的次优发送协方差矩阵和RIS的相移矩阵。仿真结果表明,所推导的近似表达式具有很好的近似效果,所设计的发送协方差矩阵和相移矩阵能显著提升系统的和速率。

利用统计CSI的DMA辅助无线携能通信传输方法

提出了一种利用统计信道状态信息(CSI)的动态超表面天线(DMA)辅助无线携能通信传输方法。考虑一个由DMA阵列代替传统天线阵列的基站、一个信息解码用户,以及一个能量收集用户构成的无线携能通信系统,将信道建模为莱斯空间相关信道,提出了平均收集能量和发送功率约束条件下的可达遍历速率最大化问题。首先,利用随机矩阵理论将优化问题转化为一个确定性的优化问题;然后,通过交替优化方法,设计了可达速率最大化和仅利用统计CSI的基站发送协方差矩阵和DMA权值矩阵。仿真表明,所提方法能达到通信速率和收集能量之间的最优折中。

基于统计CSI的空中智能反射面辅助大规模MIMO系统传输优化方案

智能反射面(IRS,intelligent reflecting surface)被认为是下一代移动通信的核心技术,其在增强网络覆盖、频谱效率、能源效率和部署成本方面具有显著优势。空中智能反射面(AIRS,aerial intelligent reflecting surface)结合了空中平台的高移动性和智能反射面提供的优质链路特性,可以有效解决复杂通信场景中基站与用户之间易受障碍物阻挡的问题,从而增强网络覆盖。针对AIRS辅助的多用户大规模多输入多输出(MIMO,multiple input multiple output)系统,研究了基站波束成形、AIRS部署位置与相移设计的联合优化问题。在已知统计信道状态信息(CSI,channel state information)的条件下,提出了一种基于块坐标下降(BCD,block coordinate descent)的系统遍历和速率优化方案。首先,建立了一个联合优化基站端波束成形、AIRS的部署位置与AIRS相移的复杂优化模型。其次,通过BCD算法,将非凸优化问题解耦成3个易于处理的子问题。最后,分别采用拉格朗日乘子法、松弛变量法和RMSProp梯度下降算法求解子问题。仿真结果表明,所提出的优化方案有效地提高了系统的遍历和速率,并且具有较好的收敛性。

基于统计CSI的RIS辅助通感一体化波束成形设计

随着无线通信技术的发展,智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)辅助通感一体化(Integrated Sensing and Communication, ISAC)技术越来越受到关注。针对RIS辅助ISAC系统中基站获取瞬时信道状态信息(Channel State Information, CSI)开销过大的问题,提出了一种利用统计CSI的联合波束成形设计方案。利用统计信道状态信息,分析了系统遍历速率的确定性等价式;在感知性能约束下,通过最大化该确定性等价式,提出了一种设计最优基站发送协方差矩阵和RIS对角相移矩阵的交替优化算法;仿真结果验证了所提方案的有效性,并揭示了通信与感知性能之间的折中关系。

Massive MIMO中基于统计信道的波束形成和功率分配

为了提高大规模多输入多输出系统(Massive MIMO)的总容量,提出了基于统计信道信息的波束形成和功率分配的优化算法。所提出的波束形成方法以信噪泄漏比为优化标准,而功率分配方案以系统容量为优化目标,同时满足基站总发射功率约束条件。上述优化问题转化为多个变量的等价优化形式,从而可以通过变量的交替优化迭代达到收敛。每次迭代过程中均可以求出闭式解,迭代完成后可得到优化的功率分配方案。仿真结果表明,相比于平均功率分配方案,该算法能有效地提高系统的总容量。

非理想CSI下IRS辅助MISO保密速率最大化方法

基于智能反射面辅助多输入、单输出的安全无线通信系统,提出一种最大化系统保密速率为目标联合主被动波束形成算法.考虑非理想信道状态信息下基站发射波束成形向量和无源智能反射面相移矩阵联合优化设计问题.为解决非凸分式规划问题,通过Charnes-Cooper变换引入两个辅助变量,将单项分式问题转化为差的形式,同时采用一种交替迭代优化联合半正定松弛方法,得到易于求解的凸问题.仿真实验结果表明,该算法相比传统算法,有效提升了系统的安全性,保密性能提升10%~30%,且在一定信道状态信息误差下保密速率下降不明显,具有较强的鲁棒性.

双智能反射面辅助的感知通信一体化波束赋形与相移优化

部署智能反射面可有效解决基站与部分通信用户或潜在目标之间直接链路很弱的问题,但由于单个智能反射面的覆盖范围有限,因此研究了双智能反射面辅助的感知通信一体化系统。为了减小信道训练开销,使用了统计信道信息。建立了通过联合优化基站的发射波束赋形与智能反射面的相移,在保证通信用户遍历容量的最低要求下最大化波束图增益的问题。将该问题转化为3个子问题来解耦发射波束赋形与两个智能反射面的相移,进而提出用基于半定松弛的交替优化算法来求解问题。相较于单智能反射面场景,部署双智能反射面得到了超过两倍的波束图增益。

IRS辅助大规模MIMO系统中抑制残余硬件损伤的AQBFO无源波束赋形方案

由通信收发机硬件非理想特性导致的残余硬件损伤在智能反射面(Intelligent reflecting surface,IRS)辅助的大规模多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)系统中难以避免,并且会严重降低上行用户的可达和速率。针对这一问题,本文提出了一种基于自适应量子菌群觅食优化(Adaptive quantum bacterial foraging optimization,AQBFO)算法的无源波束赋形方案,用于抑制残余硬件损伤对系统性能的影响。首先,基于统计信道状态信息(Channel state information,CSI)推导出系统上行可达和速率的近似解析表达式。然后,以最大化和速率为目标,基于AQBFO算法对无源波束赋形进行优化。仿真结果验证了在IRS辅助大规模MIMO系统中,基于AQBFO算法的无源波束赋形方案能够有效抑制残余硬件损伤的影响,并显著提升系统的上行遍历和速率。

基于NOMA的卫星通信半免授权传输性能分析

卫星通信能够为地面用户提供广域范围、随遇接入的通信服务,近年来备受国内外学者的关注。文中研究了采用半免授权(SGF)传输方案的卫星通信系统的性能。根据卫星通信的特点,利用用户的统计信道状态信息,提出了一种基于上行非正交多址(NOMA)的SGF传输方案,从而提高系统的频谱效率和接入能力。假设卫星链路服从阴影莱斯分布,分别考虑移动终端采用随机接入和分布式争用两种方式的情况,推导出地球站和移动终端的中断概率以及整个系统吞吐量的闭合表达式。仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方案的优越性,并定量分析了用户数、目标数据速率等典型参数对系统性能的影响。

一种智能反射面辅助的车辆通信网络传输优化方案

将智能反射面引入车辆通信网络可以有效地避免车辆在通信中受障碍物遮挡和基站覆盖范围受限等问题,从而提供了一种有效提升车联网通信性能的解决方案。研究由智能反射面辅助的车辆通信网络中多用户的和速率优化问题,提出了一种基于统计信道状态信息的传输优化方案。首先,采用统计信道状态信息建立系统优化模型,以此解决车辆快速移动过程中瞬时信道状态信息难以准确获取的问题;然后,通过分数规划将优化模型转化为易于处理的子问题;最后,采用基于块坐标下降的交替迭代算法,实现基站波束赋形和智能反射面无源波束赋形的联合优化。仿真结果表明,所提的方案可显著提升车辆通信网络的和速率。

基于信道编码的MIMO-OFDM非迭代自适应资源分配算法

针对空时编码级联波束形成的MIMO-OFDM系统,研究了考虑信道编码的自适应传输方案.本文首先从编码增益的角度出发,利用统计信道状态信息,推导了保证用户QoS星座距离的表达式;然后证明了研究的优化问题是凸规划问题,并根据库恩-塔克条件推出了最优功率和比特加载的封闭形式解;最后提出了一种非迭代的自适应资源分配算法.仿真结果表明,本文提出算法在保证用户QoS的情况下,能够有效逼近系统吞吐量的理论值,同时该算法具有计算复杂度低的特点,可以满足实时通信的要求;并且采用LDPC码的码率越低,系统吞吐量越大.

统计和瞬时CSI混合的3D MIMO预编码

本文针对分别具有统计信道状态信息(Channel State Information,CSI)和瞬时CSI的用户,研究了两类用户在三维多输入多输出(Three-Dimension Multiple-Input Multiple-Output,3D MIMO)系统中的下行链路传输模式,解决了混合利用统计和瞬时CSI的下行预编码的设计问题。利用3D MIMO信道的克罗内克积的性质,提出了一种用于最小化基站总发射功率的扩展迫零预编码的方法,并分别求解其最优水平预编码矩阵和最优垂直预编码矩阵。仿真结果表明,该方案具有更低的复杂度和良好的速率。

PLC-RF无线传输网络中的能效最优设计方法

针对电力线通信(PLC)和射频(RF)无线通信混合传输的室内通信场景,提出了一种基于角度信息的信道状态信息(AI-CSI)的能效优先传输方案。首先,Wi-Fi无线网络和PLC网络分别作为主网络和次级网络,并且采用认知无线电技术来提高频谱效率的情况下,建立次级网络总能效最大化为目标函数的优化问题。其次,为了求解该问题,通过基于AI-CSI的迫零波束成形方法,获得波束成形权矢量,并进一步提出Dinkelbach与拉格朗日乘子法相结合的优化方法,进行最优的功率分配。最后,计算机仿真结果不仅验证了所提方案的有效性和优越性,而且分析了中继天线数和用户个数等典型参数对系统能效带来的影响,从而为实际系统设计提供了参考和依据。

面向巨型星座网络的多星多波束协作传输方法

以低轨卫星系统为代表的巨型星座网络由于传输距离远、卫星数量大,星地链路受到较大路径损耗和同频干扰影响,通信性能受限。采用协作多点联合传输技术,首先提出一种基于瞬时信道信息的多星联合预编码设计算法,抑制通信链路间干扰并提高通信信号信噪比。以所提算法为基础,进一步利用大维信道的确定性等同原理设计渐近最优的多星联合传输预编码。该方法仅需卫星间交互统计信道信息完成预编码计算,在发掘多星协作传输性能增益的同时,极大降低了星间信令交互流量,利于在巨型星座网络中部署。仿真结果验证了所提算法的有效性。

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。