Artificial Noise Based Security Algorithm for Multi-User MIMO System

The existing physical layer security algorithm, which is based on artificial noise, could affect legitimate receivers negatively when the number of users is no less than sending antennas in multi-user MIMO system. In order to improve security of multi-user MIMO system under this scenario, we propose a new multi-user MIMO system physical layer security algorithm based on joint channel state matrix. Firstly, multiple users are processed together, thus a multi-user joint channel state matrix is established. After achieving Singular Value Decomposition (SVD) of the joint channel state matrix, the minimum singular value is obtained, which can be utilized for precoding to eliminate the interference of artificial noise to legitimate receivers. Further, we also present an approach to optimize the power allocation. Simulation results show that the proposed algorithm can increase secrecy capacity by 0.1 bit/s/HZ averagely.

Optimal Power Allocation with Limited Feedback of Channel State Information in Multi-User MIMO Systems

In this paper,an expression for the user’s achievable data rate in the multi-user multiple-input multiple-output(MU-MIMO)system with limited feedback(LF)of channel state information(CSI)is derived.The energy efficiency(EE)is optimized through power allocation under quality of service(QoS)constraints.Based on mathematical equivalence and Lagrange multiplier approach,an energy-efficient unequal power allocation(EEUPA)with LF of CSI scheme is proposed.The simulation results show that as the number of transmitting antennas increases,the EE also increases which is promising for the next generation wireless communication networks.Moreover,it can be seen that the QoS requirement has an effect on the EE of the system.Ultimately,the proposed EEUPA with LF of CSI algorithm performs better than the existing energy-efficient equal power allocation(EEEPA)with LF of CSI schemes.

Resource Allocation in Multi-User Cellular Networks:A Transformer-Based Deep Reinforcement Learning Approach

To meet the communication services with diverse requirements,dynamic resource allocation has shown increasing importance.In this paper,we consider the multi-slot and multi-user resource allocation(MSMU-RA)in a downlink cellular scenario with the aim of maximizing system spectral efficiency while guaranteeing user fairness.We first model the MSMURA problem as a dual-sequence decision-making process,and then solve it by a novel Transformerbased deep reinforcement learning(TDRL)approach.Specifically,the proposed TDRL approach can be achieved based on two aspects:1)To adapt to the dynamic wireless environment,the proximal policy optimization(PPO)algorithm is used to optimize the multi-slot RA strategy.2)To avoid co-channel interference,the Transformer-based PPO algorithm is presented to obtain the optimal multi-user RA scheme by exploring the mapping between user sequence and resource sequence.Experimental results show that:i)the proposed approach outperforms both the traditional and DRL methods in spectral efficiency and user fairness,ii)the proposed algorithm is superior to DRL approaches in terms of convergence speed and generalization performance.

Hybrid Block Diagonalization Precoding for Multi-User Weighted Sum-Rate Maximization

This paper studies large-scale multi-input multi-output(MIMO)orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)communications in a broadband frequency-selective channel,where a massive MIMO base station(BS)communicates with multiple users equipped with multi-antenna.We develop a hybrid precoding design to maximize the weighted sum-rate(WSR)of the users by optimizing the digital and the analog precoders alternately.For the digital part,we employ block-diagonalization to eliminate inter-user interference and apply water-filling power allocation to maximize the WSR.For the analog part,the optimization of the PSN is formulated as an unconstrained problem,which can be efficiently solved by a gradient descent method.Numerical results show that the proposed block-diagonal hybrid precoding algorithm can outperform the existing works.

Analyses of Virtual MIMO Multi-User System Performance with Linear Precoding Schemes Using Indoor Measurements at 5 GHz

In this paper, based on 5 GHz indoor multi-user measurements, linear precoding schemes such as zero-forcing (ZF), minimum mean square error (MMSE) and successive interference cancelation (SIC) are applied in the base station in order to investigate the performance of virtual multi-input multi-output (MIMO) over single-user MIMO system. However, to form a virtual MIMO multi-user system, the resources of two users are brought together. In order to achieve a low spatial correlation, two spaced antennas in the MS have been chosen and four spaced antennas elements in BS have been selected. Therefore, the resources of two users (U1 and U2) are brought together to form a 4 × 4 virtual MIMO multi-user system with the BS. The properties of the user_1 (U1) and user_2 (U2) will be analyzed and compared to those properties of virtual MIMO multi-user system formed by U1 and U2. In most cases, the maximum achievable rate is seen with virtual MIMO multi-user compared to single-user MIMO. So virtual MIMO multi-user is desirable for boosting system capacity than single-user MIMO. .

基于对抗自编码填补网络的MIMO雷达故障阵元缺失数据重构

多输入多输出(Multiple In Multiple Out,MIMO)雷达的阵元故障会导致其协方差矩阵出现整行整列数据缺失,从而降低其角度估计性能。为此,提出一种对抗自编码填补网络(Adversarial Autoencoder Imputation Network,AAEIN)来重构故障阵元的缺失数据。该网络由负责重构缺失数据的自动编码(Autoencoder,AE)网络和负责分辨数据来源的鉴别器组成。在二者的对抗训练中,AE网络的重构能力和鉴别器的分辨能力不断得到提升,直至两者收敛。为避免网络训练过程中参数量大和计算复杂度高的问题,文中结合MIMO雷达协方差矩阵的Hermitian特性,使用协方差矩阵上三角部分构建数据集用于网络训练。仿真结果表明,文中方法可以有效地重构故障阵元的缺失数据且具有较高的重构精度。

无蜂窝大规模MIMO系统接入点动态选择算法

在无蜂窝大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统中,所有接入点(Access Point,AP)为用户提供服务的方式会造成较大的功率消耗和增加前传链路压力。以“用户为中心”的AP选择方案为每个用户选择最佳的AP集合,使系统频谱效率和能量效率得以提升。为了给每个用户选择最佳的AP集合,提出了一种基于反向传播(Back Propagation,BP)神经网络的接入点动态选择算法。将AP与用户之间的大尺度衰落向量作为输入,AP与用户之间的连接关系作为BP神经网络输出的预测向量,同时,针对BP神经网络初始化权值,提出了一种改进的自适应遗传算法以提高算法的收敛速度和收敛性能。仿真结果表明,改进后的BP神经网络预测结果更接近于实际值,并且比全连接和启发式的AP选择方案具有更高的系统和速率。

低复杂度的大规模MIMO分布式信道估计

针对大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)系统传统信道矩阵获取方式导频开销大、计算复杂度高的问题,提出了一种低复杂度的二阶段分布式信道估计方案。该方案的初始阶段在基站侧采用传统压缩感知算法恢复信道矩阵,第2阶段在用户端利用信道的时间相关性,将大规模MIMO的角度域信道分解为密集部分和稀疏部分,并分别估计以实现连续信道追踪。稀疏部分信道通过所提的分布式自适应弱匹配追踪(distributed adaptive weak matching pursuit,DAWMP)算法,利用子信道的联合稀疏性进行多维重建。相比于线性最小均方误差(linear minimum mean square error,LMMSE)算法,所提方案的信道分解策略有效减少了在用户端进行信道估计的计算复杂度。仿真结果表明,所提算法与经典压缩感知信道估计算法相比,计算复杂度降低了约33%,算法性能提升了约0.5 dB。

IRS辅助去蜂窝大规模MIMO系统反窃听安全波束赋形研究

为提高物理层安全通信性能,针对目前物理层通信容易受到建筑物遮挡和非法用户窃听的问题,提出了一种智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS)辅助去蜂窝大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)系统反窃听安全传输波束赋形方案。考虑信道理想的情况下,以还原合法用户接收信号和阻止非法用户接收信号为目标,最小化发射波束赋形向量,构建了一个基站主动波束赋形向量和IRS相移的联合波束赋形问题。通过交替优化将原问题分解为基站波束赋形向量优化子问题和IRS相移优化子问题,并通过解非齐次线性方程组思想的方法,对优化子问题进行求解。仿真结果表明,相较于传统物理层安全通信方案,提出的方案能够有效使非法用户窃听信号为0,降低传输功率,并且具有较好的误码率。

MIMO雷达分组正交波形集优化设计方法

在现代电子对抗中,数字射频存储(DRFM)设备能够快速截获机载脉冲多普勒雷达信号,能够实现对多输入多输出(MIMO)雷达的干扰。MIMO雷达可基于多组相互正交的波形集来对抗DRFM干扰。同时,为最大化MIMO雷达波形分集增益,每个脉冲内发射的波形也需要正交。为了平衡组内和组间的正交性,文中建立了一种分组正交波形集优化模型,其目标函数为组内和组间相关函数性能评估指标值的加权和;为了求解该优化问题,提出了一种分组正交波形集设计方法。所提方法将原优化问题简化为p-范数优化问题,基于MM算法导出了最小化目标函数的迭代求解表达式。仿真结果表明,所提方法可通过改变权重系数来灵活平衡MIMO雷达的干扰抑制性能和距离压缩性能。

基于SWIPT的无小区大规模MIMO-NOMA系统能量效率研究

无小区大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)与非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)都是未来6G的使能技术。无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术在进行信息解码的同时收集能量,与无小区大规模MIMO-NOMA优势互补。文中基于SWIPT研究无小区大规模MIMO-NOMA系统中的能量效率问题,通过联合优化功率分配系数和SWIPT的时隙切换(Time Switching,TS)系数,提高系统的能量效率。为了最大化能量效率,采用布谷鸟算法设计功率分配系数。考虑一种特殊情况,将所有终端的TS系数设置相同,进而推导了最佳TS系数的封闭表达式。仿真结果表明,相较于几种已有方案,文中提出的优化方案可以显著提升系统的能量效率。

可用于WLAN的双频MIMO天线设计

设计了一款可用于WLAN的双频MIMO天线。天线的正面为L型单极子,背面为金属接地板。通过在接地板上加载耦合枝节使天线具有双频特性。同时,为了天线的小型化,对耦合枝节进行了弯折处理,减小天线尺寸。在两个天线单元之间加载T型寄生枝节和刻蚀矩形缝隙来提高天线的隔离度。使用电磁仿真软件和矢量网络分析仪对天线进行仿真和实测,结果表明:天线的工作频段为2.4~2.55 GHz和5.1~6.3 GHz,覆盖了WLAN的频段,同时在低频段内隔离度高于19 dB,高频段内隔离度高于25 dB。此外,天线的包络相关系数小于0.01且具有全向辐射特性。天线整体性能较好,可以满足WLAN的需求。

基于均匀线性阵列的超大规模MIMO混合场信道估计算法

超大规模MIMO(extremely large-scale massive MIMO,XL-MIMO)是未来6G通信的关键技术之一。现有的XL-MIMO混合场信道模型大多对均匀线性阵列和单天线用户之间信道建模,且采用散射体最后一跳模型。若收发双端均配备线性阵列,现有的混合场信道估计方案将不再适用。为此,针对收发端均部署超大规模线性阵列的XL-MIMO场景,采用Saleh-Valenzuela模型进行信道建模,并提出了一种基于正交匹配追踪(OMP)的混合场信道估计算法。该算法首先利用角域变换矩阵对远场分量进行估计,然后通过极域变换矩阵估计近场分量。此外,引入克拉美罗-下界(CRLB)对所提算法进行评估。仿真结果表明,提出的混合场估计算法相较于仅考虑远场和近场的估计算法在信道估计性能上有约0.6 dB的提升。

基于去蜂窝毫米波MIMO的通感一体化混合波束设计

针对通信频谱资源的匮乏以及去蜂窝MIMO在资源利用方面的优势,提出了一种毫米波(millimeter-wave,mmWave)场景下的去蜂窝MIMO通感一体化(intergraded sensing and communication,ISAC)系统。在该系统中,基站为用户提供服务的同时,多天线用户设备能够主动检测多个目标。研究目标是设计模拟和数字波束形成器,以优化通信和雷达波束形成误差的加权和。研究中考虑了2种功率约束,并采用改进的正交匹配追踪算法和黎曼共轭梯度算法进行优化。对通信频谱效率和雷达波束方向图进行仿真分析,结果表明,混合波束方案能在频谱利用和波束指向方面实现折中的性能,这种方案对于提高系统性能具有潜在的应用前景。

宽带太赫兹大规模MIMO系统中的混合预编码

针对宽带太赫兹大规模多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)通信系统中更大的带宽和更多的天线导致的波束分裂问题,构建了基于时延的宽带太赫兹大规模MIMO系统的混合预编码通信模型,并提出了一种高效且可实现的联合时延和相位的宽带太赫兹混合预编码算法。考虑到时延器值的硬件限制,通过最小化最优模拟预编码与等效模拟预编码之间的差来联合优化模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵,将联合优化问题转换成目标优化问题,通过将非凸问题转换成等价的凸问题来求全局最优解。仿真结果表明,提出的算法可以获得接近最优的可实现速率性能,且可以提高能量效率。

基于位置分配的去蜂窝massive MIMO系统导频分配功率控制算法

针对去蜂窝(cell free,CF)大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)系统中存在严重的导频污染问题,提出了一种基于位置分配的贪婪导频分配功率控制算法(greedy pilot assignment based on location with pilot power control,GPABL with PPC).首先,遵循相邻用户不分配相同导频序列的原则进行贪婪导频分配(greedy pilot assignment,GPA);然后,在导频分配的基础上叠加了导频功率控制,选择合理的导频功率控制系数减小信道估计的均方误差.仿真结果表明,将两种方式结合起来进行导频优化,系统的吞吐能力有所提升.

基于卷积特征提取及深度降噪网络的大规模MIMO系统信号检测

传统多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)信号检测算法受到天线数量和收发天线比例的限制,一般仅适用于少量天线、收发天线比例较低的情况。本文提出一种基于深度学习(Deep Learning,DL)的稀疏连接卷积降噪网络模型,用于大规模MIMO系统上行链路信号检测。首先,通过简化经典的检测网络(Detection Network,DetNet),改进ScNet(Sparsely Connected Neural Network)检测算法,引入卷积神经网络(Convolutional NeuralNetworks,CNN)对三通道输入数据提取特征以减少训练参数,提出一种SConv(SparselyConnected Convolutional Neural Network)检测算法。与DetNet算法相比,该算法可同时降低计算复杂度和提高检测精度。在此基础上,进一步基于CNN构建信号降噪模块,并嵌入SConv网络,提出一种卷积神经降噪(Sparsely Connected Convolutional Denoising,SConv-D)网络辅助的大规模MIMO检测算法。此算法检测过程分为两级,第一级由SConv算法提供初始估计值,再将初始估计值作为降噪过程的输入,并由此构成算法第二级。实验结果表明,本文提出的SConv-D算法适用于QPSK、4QAM及16QAM等多种信号调制模式,在高阶调制模式下获得的性能增益尤为明显。此外,该算法能够适应各种比例的收发天线及数量规模的系统配置,尤其是在收发天线数量相等的情况下亦能获得更优的性能。本文算法还克服了MMNet在高阶调制情况下的性能平台效应,在16QAM调制、收发天线数量相等的情况下,SConv-D在10^(-2)误比特率上能获得接近2 dB的性能增益。

基于低秩块Hankel矩阵正则化的阵元故障MIMO雷达DOA估计

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达在阵元故障时虚拟阵列输出数据矩阵会出现大量的整行数据丢失,由于阵列接收数据矩阵的不完整而导致对波达方向(Direction of Arrival,DOA)的估计性能恶化。大多数低秩矩阵填充算法要求缺失数据随机分布于不完整的矩阵中,无法适用于整行缺失数据的恢复问题。为此,提出了一种基于低秩块Hankel矩阵正则化的阵元故障MIMO雷达DOA估计方法。首先,通过奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)降低虚拟阵列输出矩阵的维度,以减少计算复杂度。然后,对降维数据矩阵建立基于块Hankel矩阵正则化的低秩矩阵填充模型,在该模型中将MIMO雷达降维数据矩阵排列成块Hankel矩阵并施加Schatten-p范数作为正则项。最后,结合交替方向乘子法(Alternate Direction Multiplier Method,ADMM)求解该模型,获得完整的MIMO雷达降维数据矩阵。仿真结果表明,所提方法能够有效恢复降维数据矩阵中的整行数据缺失,具有较高的DOA估计精度和实时性,在阵元故障率低于50.0%时DOA估计精度优于现有方法。

基于无线传播环境的无蜂窝大规模MIMO系统接入点部署优化

无蜂窝大规模多输入多输出(MIMO)系统通过在覆盖区域内部署大量的接入点(AP),可以为用户提供均匀、可靠的服务。传统的无蜂窝大规模MIMO系统采用随机部署,未考虑AP周围的路径损耗、阴影衰落散射物以及环境遮挡对覆盖质量的影响。为了考虑实际环境下无蜂窝大规模MIMO能实现均匀、一致的覆盖,提出了基于无线传播环境的AP部署方案。首先,通过混合概率路径损耗模型对无线传播环境进行表征,其次构建了以最大化平均吞吐量为目标的AP部署优化问题,最后将问题转化为马尔可夫博弈过程,并且基于多智能体深度确定性策略梯度(MADDPG)算法得出最优的AP部署策略。仿真结果表明,相比于传统的随机部署和现有AP部署策略,所提方案可明显改善复杂环境下的非均匀覆盖问题,为用户提供良好一致的均匀覆盖。

基于CNN的毫米波无蜂窝大规模MIMO信道估计

针对小区间干扰导致蜂窝边缘无法满足不断增长的数据速率需求问题,毫米波无蜂窝大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统被认为是一种很有前途的解决方案。然而,毫米波的高频率、大带宽以及接入点配置的大量天线给信道估计带来了较大挑战。将毫米波大规模MIMO信道矩阵视为二维图像,结合图像去噪方法提出一种基于改进去噪卷积神经网络(Improved-Denoising Convolutional Neural Network,I-DnCNN)的信道估计算法。通过具有注意力机制的压缩与激励(Squeeze-and-Excitation,SE)模块,自适应调整提取的全局特征以增强对信道噪声特征的学习,根据接收信号估计出噪声等级图且增添为输入,提升对噪声的鲁棒性。最后,采用残差学习的方式获得估计信道矩阵。利用理论信道模型和基于波束追踪的信道数据集进行的仿真实验结果表明,与去噪卷积神经网络(Denoising Convolutional Neural Network,DnCNN)算法相比,所提算法在两个数据集下的信道估计精度可分别平均提升2.27 dB和2.60 dB。