协作多输入多输出环境反向散射通信系统遍历速率分析

针对传统物联网(IoT)能耗大、频谱资源稀缺的问题,提出了由环境反向散射、协作接收机(CRx)和环境射频(RF)源共同构建的协作多输入多输出环境反向散射通信(MIMO-AmBC)系统模型。首先,通过使用PSR方案对该系统模型进行分析,推导出信噪比(SNR);其次,推导出主链路和反向散射链路的遍历速率近似表达式,并得到反向散射链路遍历速率最大值表达式;最后,将其与传统蜂窝网络、CSR方案作对比。实验结果验证了理论推导的正确性并给出有意义结论:1)反向散射链路速率随接收天线数对数增长,与发射天线数无关。2)在SNR为10 dB时,PSR方案的和速率比传统方案、CSR方案分别提升36.8%和29.9%,虽然PSR方案的主链路速率比CSR方案降低5.5%,但反向散射链路的遍历速率比CSR方案提升7.7倍。为实际应用选取AmBC共生方案提供了理论参考。

基于非理想SIC的STAR-RIS辅助NOMA系统性能研究

将可同时透射和反射的可重构智能表面(Simultaneous Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface, STAR-RIS)与非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)技术结合起来,研究了系统的遍历速率与中断概率。考虑到实际中NOMA用户很难获得完全串行干扰消除(Successive Interference Cancellation, SIC),研究了STAR-RIS辅助NOMA系统有着不完全SIC时的下行链路性能。首先通过对NOMA用户解码的信干噪比进行分析,得到其概率密度函数。然后基于用户信干噪比的概率密度函数推导了用户的遍历速率,并分析了高发射功率下用户速率的渐近性能。最后分析了系统中断性能,并推导了系统中断概率的近似闭式表达式。仿真结果验证了理论分析的有效性,即所推导的理论遍历速率和中断概率可与相应的仿真取得较好的一致,由于不完全SIC的存在,系统性能要差于完全SIC下的性能。此外还分析了STAR-RIS元素数量的不同对于系统性能的影响,发现元素数目越多,系统性能越好。

基于DF-NOMA辅助的PLC系统安全性能分析

为了探求影响电力通信系统数据安全传输的关键因素,构建基于解码转发(decode-and-forward,DF)中继和非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)技术辅助的电力线通信(power line communication,PLC)系统,并研究其安全传输性能.针对外部窃听和内部窃听两种情况,联合考虑背景噪声和脉冲噪声的影响,分析系统的可达速率、遍历安全速率和安全中断概率等性能,并利用高斯-切比雪夫求积方法获得其相应的闭合表达式.结果表明:较高的脉冲噪声会降低系统的频谱效率和安全传输性能;功率分配系数以及源用户到中继用户的距离均对系统安全传输产生显著影响.进一步地,通过蒙特卡罗仿真实验验证了理论分析的正确性.

一类加速ADMM算法在投资组合选择中的应用研究

Mean-Variance模型为现代投资组合选取奠定了基础。 近年来,随着金融资产数量的提高,求 解M-V模型的经典算法效率逐渐变低。 因此,有关学者提出了资产分割的ADMM算法(AS- ADMM)以提升ADMM 算法的效率。 该算法能够比经典的算法更高效,但在一些超高维的情况 下,AS-ADMM也不足以显著提高求解效率。 为了解决这个问题,本文应用外推思想,提出了部 分加速的资产分割算法(PA-AS-ADMM),并证明了该算法的非遍历收敛速率为O( ),最后在数值实验中验证了PA-AS-ADMM的有效性。

FDD大规模MIMO系统速率最大化导频信号设计方法

该文针对FDD大规模MIMO下行系统,联合考虑信道空间相关性、信道估计精度和波束成型方案对导频信号设计的影响,以最大化下行遍历可达速率为目标,以系统总功耗为约束,建立关于导频信号矩阵的优化模型。由于原始优化问题的目标函数没有闭合形式表达式,利用大维矩阵理论中确定性等价原理可获得其近解析表达式,从而得到了遍历速率关于导频矩阵的显示表达式。基于此,利用主导理论,推导出了最优导频信号所具有的矩阵结构特征。进而,将原优化问题转换为等价的导频序列功率分配问题,再利用拉格朗日对偶法求解得到了最优导频信号的闭合形式解。通过分析,给出了最优导频序列长度的实际值与最大范围。数值仿真结果验证了所推导的遍历速率解析表达式的精确性和有效性,并对比了所提出的导频方案与传统基于最小均方误差准则导频方案在遍历速率方面的性能增益,以及所使用的导频序列长度差异,同时给出了两种方案在导频信号功率分配时的差异性。

智能反射面辅助的STBC-NOMA系统性能分析

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)技术以其低成本、灵活部署、易于融合其他关键技术的优势吸引了无线通信学术界和工业界的极大关注.传统的空时分组码(Space-Time Block Coding,STBC)与非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)方案的巧妙结合(STBC-NOMA)已被证明能够有效地提高系统的鲁棒性和吞吐量.鉴于此,本文提出一种新的IRS辅助的STBC-NOMA系统的传输框架(IRS-STBC-NOMA). IRS辅助系统给远近不同的两个用户传输信号.采用两个分割的IRS实现STBC传输并利用IRS的相移设计实现发射信号控制,分别推导了所提出传输框架下每个用户的中断概率和遍历速率的闭合表达式;基于所得的分析表达式,给出了渐近或单调的理论分析,之后通过蒙特卡洛仿真进行了对比验证.与现有的STBC-NOMA方案相比,所提IRS-STBC-NOMA方案的中断性能和遍历速率均获得显著提升.

多用户分集与能量受限非可信中继系统遍历安全性能分析

研究了一种能量受限的非可信中继与多用户分集技术相结合的两跳链路安全网络通信模型。为提升系统安全性能,本文采用混合时间-功率分配中继(time-power splitting-based relaying, TPSR)协议,并结合机会调度策略(opportunistic scheduling strategy, OSS)从多用户分集网络中选择一个最佳目的节点作为信息接收端。基于随机选择(random selection, RS)策略,该文中利用低复杂度的高斯Q函数分析系统的安全性能以及在协作中继上进行能量采集活动不中断的条件下推导了系统的遍历安全速率(ergodic secrecy rate, ESR)的近似闭合表达式。此外,将提出的OSS与RS通信方案下性能进行对比,证明本文所提出OSS更适用于分布式多用户选择网络。

MIMO系统中基于标量指标反馈的线性波束形成和用户调度

为了实现多输入多输出(MIMO)系统中期望的和速率,提出了标量指标反馈的联合线性波束形成和用户调度方案。首先得到每个用户向发射机(基站)传递的反馈,它包括基于预先确定码本的信道方向信息和带有信道质量信息的标量指标,然后发射机利用这些反馈信息作为线性波束形成和执行用户调度;为了充分利用MIMO信道的多用户分集,对于反馈的标量指标,基于信号干扰加噪声比的通用形式设计了适用于不同情形的4种标量指标,并推导出了采用本设计方案的MIMO系统可以提供的遍历和速率的近似式;仿真实验结果表明,提出的方案不仅获得了期望的性能指标,而且相比于随机波束形成和时分多址技术,在大量用户数和低信噪比值下有更高的和速率。

多天线中继系统中基于无线携能通信的物理层安全传输方案

针对多天线协作中继系统中存在信号处理能量受限和保密信息安全传输的问题和挑战,提出了一种基于无线携能通信和友好干扰信号辅助的两阶段物理层安全传输方案。首先,建立了基于放大转发中继模式的多天线中继系统模型。其次,考虑多窃听者非合谋窃听的场景,分析了系统能量与信息的传输过程,以最大化系统保密性能为目标,分别提出了最优传输天线选择策略和基于Q学习(Q-learning)算法的最优干扰天线选择策略。接着,推导出系统遍历可达保密速率(ergodic achievable secrecy rate, EASR)的表达式。最后,利用蒙特卡罗仿真方法验证了理论推导的正确性,并讨论了发射信噪比、功率分裂(power splitting, PS)因子及功率分配系数等参数对系统保密性能的影响。仿真结果表明,所提出的传输方案相比现有的安全传输方案,系统保密性能有较大的提升。

单天线功率约束和统计CSI下的MU-MIMO下行链路线性预编码

近年来,多用户多输入多输出(Multiple-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)下行链路的预编码算法设计吸引了越来越多研究者的兴趣。然而目前并没有对基站端已知信道误差概率分布且约束条件为单天线功率约束(Per-Antenna Power Constraints,PAPCS)的情况下的线性预编码算法的研究。针对上述情况,以遍历和速率(Expected Sum Rate)最大化为优化准则,主要基于约束随机逐次凸近似(Constrained Stochastic Successive Convex Approximation,CSSCA)、二阶对偶法、交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)及高斯随机化(Gaussian Randomization)设计了线性预编码算法。所提算法的适用场景更符合实际情况,而且实验仿真结果证明,算法的性能较好。

空间相关信道下大规模MIMO两跳系统性能分析

针对多对用户大规模MIMO两跳中继系统,考虑空间相关信道,在迫零(Zero-Forcing,ZF)准则下进行中继转发传输,利用确定性等价原理,推导得出遍历可达速率解析表达式,定量给出遍历速率与信道空间相关阵及系统参数间数学关系。基于此,分析了信道空间相关性对遍历速率的影响,并在发射功率缩放率模型下,分析了信源和中继发射功率随天线数增长时可获得的缩放增益。分析发现,中继节点天线阵列引起的信道空间相关性对遍历速率的渐进极限性能无任何影响,且不会影响发射功率缩放率,大大放宽了在中继节点部署大规模天线阵列时的天线间隔要求,有益于大规模天线阵列在中继节点部署实现。利用Matlab仿真验证了遍历速率解析表达式的有效性以及理论分析结果的正确性。

RIS选优辅助的协作中继通信系统性能研究

可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)由于可以智能控制传输环境,动态改变反射信号的幅度相位,有效增强无线通信性能,引起了广泛关注。为了使RIS和中继各取所长,在独立不同分布的Nakagami-m衰落信道下,考虑了多个RIS选择最优进行辅助的解码转发协作中继通信系统。在RIS最优选择方案中,不考虑基站到用户的直射链路,仅对RIS参与反射的链路进行最优选择。推导RIS选优方案下系统中断概率和遍历速率的闭式表达式,并基于这些表达式进行性能分析。蒙特卡罗仿真验证了推导公式的正确性。仿真结果表明,在中断概率和遍历速率方面,RIS选优方案相比只有中继或只有RIS辅助下传输方案性能更好。

多可重构智能表面辅助通信系统的性能研究

可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces,RIS)能通过软件智能控制超材料阵列的离散相移来改善通信环境、提高接收信号的强度。但仅依靠单个RIS辅助的系统可能无法为无线通信提供良好的视线链路。为了满足未来无线通信高可靠、高速率的需求,在Nakagami-m衰落信道下,研究了多RIS辅助直射链路和反射链路组合的通信系统的性能。利用矩生成函数的方法推导出目标节点误码率的解析表达式,给出了误码率上界以及遍历速率上界表达式,并探讨了衰落参数对系统性能的影响。通过蒙特卡罗仿真验证了分析结果的正确性。仿真结果表明,多RIS辅助通信系统在误码率和遍历速率方面明显优于单RIS辅助通信系统,且部署灵活。

车联网中基于非正交多址接入的簇重叠区域性能改进

由于车辆的高移动性和有限的移动范围,车辆分簇被认为是提高道路交通效率的一种有效方法。为了支持车联网中不断增长的业务量,提出了一种基于非正交多址接入技术的簇重叠区域(cluster overlap region with non-orthogonal multiple access,COR-NOMA)性能改进方案,该方案在目的车辆处利用最大比率合并(maximum ratio combining, MRC)来改进遍历和速率(sum-rate, SR),能有效降低相邻两个簇间冲突概率和传输延迟。分析了独立瑞利衰落信道下该方案的可达平均SR,并给出了其闭式表达式。数值结果验证了理论分析的正确性,所提出的COR-NOMA叠加编码信号传输方案能显著改善V2X(Vehicle to Everything)网络中车辆SR的性能。

全双工加扰的非可信中继系统的渐近性能分析

在物理层安全领域,协作中继技术因具备提升网络容量和扩展网络覆盖范围等优点,受到学术界广泛关注。但是,协作中继在某些时候可能存在非可信情形。基于此,在瑞利衰落信道下,为提升非可信中继系统安全性能,提出一种多天线全双工目的节点加扰(FDJ, full-duplex destination jamming)策略。为最大化系统安全容量,针对多天线目的节点提出一种切换分离式最优天线选择(OAS, optimal antenna selection)方案,并设计出信源和目的节点功率分配优化方案,给出相应的安全性能指标闭合表达式。在大规模天线下,推导出FDJ-OAS策略的遍历可达安全速率和瞬时安全容量下最优功率分配因子闭合表达式。在不同的渐近条件下,推导出FDJ-OAS策略的安全中断概率的渐近线闭合表达式。仿真结果显示,理论分析与蒙特卡洛仿真曲线十分吻合,FDJ-OAS策略的安全分集阶数与天线数呈正比,可实现天线全分集,凸显了FDJ-OAS策略的性能优越性。

基于人工噪声预编码的多天线中继安全性能分析

为提升存在窃听者的中继网络的安全性能,在多天线放大转发中继端采用人工噪声预编码(ANP)和特征波束形成(EB)安全传输策略,推导了ANP和EB的可达安全速率(EASR)闭合表达式。在中继配置大规模天线时,推导了ANP的EASR下界,并在高信噪比和低信噪比情况下研究了渐近性能。分析和仿真结果显示,在中高信噪比区域,ANP相比于EB可获得显著的性能增益,而在低信噪比区域,EB优于ANP。当信噪比增加时,EB的EASR接近一个与第1跳无关的常数。在高信噪比区域,ANP的最优功率分配方案是将一半左右的功率分配给人工噪声。

自适应窃听和干扰下机会式中继和协作干扰技术的安全性能分析

在存在一个半双工自适应窃听者的多中继协作通信模型中,针对窃听者能够智能地选择被动窃听或主动干扰的问题,选择一个中继协助源节点转发信息,其余中继用于发送人工干扰信号以混淆窃听者,从而提升系统的遍历可达安全速率(Ergodic achievable secrecy rate,EASR)性能。在仅有窃听信道统计信息的假设下,推导了EASR的渐进闭合表达式,并进行了Monte-Carlo仿真验证。仿真结果表明:即使在中继数目较小的情况下,渐进分析结果与仿真结果也基本吻合。同时表明:采用机会式中继和中继协作干扰的组合技术可显著地提升系统的安全传输性能。

无线能量采集技术下的全双工中继系统安全性能分析

为提升基于无线能量采集技术的全双工中继安全网络系统的安全性能,提出全双工中继干扰窃听者的策略.为干扰窃听者窃听有用信息,在第一时隙,中继发送人工噪声干扰窃听者;在第二时隙,中继在转发有用信息的同时,信源发送人工噪声干扰窃听者.在瑞利衰落信道下,通过合理的近似分析,推导出遍历可达安全速率(EASR)的表达式.分析与仿真结果表明:理论分析曲线与蒙特卡洛仿真结果基本吻合;对模型进行不同参数的性能对比,显示出所提系统在不同情况下具有性能优越性.

基于非正交多址接入协作传输策略的安全性能分析

为了提升非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)协作传输系统的安全性能,研究了一种基于NOMA双用户协作传输策略的窃听系统模型,并分别推导了此模型下的遍历安全速率和安全中断概率的闭式表达式。仿真结果表明,当存在强解码能力的窃听节点时,提出的协作联合接收策略与传统NOMA协作传输策略以及直连策略相比,遍历安全速率最大提升了0.281 bps/Hz和0.937 bps/Hz,安全中断概率最大降低了2.53 dB和3.08 dB。

基于NOMA的人工噪声物理层安全性能研究

添加人工噪声也是提升物理层安全性能的重要方式之一,能够有效抑制窃听行为,对于提升物理层的安全可靠性也有帮助。将非正交多址接入技术(NOMA)融入传统的人工噪声辅助方案中,在提升物理层安全性能的同时也可以节约频谱资源,考虑非信任中继节点的情况下,提出基于NOMA技术的人工噪声辅助方案,推导该方案的中断概率和遍历和速率,并给出了遍历和速率上界的表达式。仿真结果表明,NOMA方案相比传统的正交多址接入技术(OMA)中断概率更低,同时也提升了系统的遍历和速率,证明NOMA方案可以有效提升物理层的安全可靠性,也可以防止非信任中继节点对信息进行窃取。