无线通信传输目标信号方向调制研究

方向调制技术是无线网络物理层安全通信的关键技术之一。由于方向调制信号的信息波束宽、旁瓣信息泄露严重,不能保证较高的安全性能,为此从降低接收机误码率的角度来研究无线通信传输目标信号方向调制的问题。首先,根据远场分布的相位在期望方向的畸变程度来建立理想的目标函数模型,然后在该模型下提出一种基于相位赋形的方向调制算法。该算法可在无线网络中更好地逼近理想目标函数。最后,对相位赋形方向调制算法进行计算机仿真。结果表明:所提算法发射的信号具有更窄的信息波束宽度,很好地解决了旁瓣信息泄露的问题,有更高的安全性能。

认知中继协同无线通信系统功率分配和混合频谱接入方案

文章首先对Underlay认知-中继协作(cognitive radio relay cooperation,CR-RC)系统信源和中继的功率分配问题进行了研究,获得了Underlay CR-RC系统信源、中继独立功率分配(independent power allocation,IPA)和联合功率分配(joint power allocation,JPA)方案,并给出了基于IPA和JPA的CR-RC系统的中断概率和各态历经容量的封闭解析解;其次通过对Underlay CR-RC系统中断性能的比较分析,提出了高频谱效率、高能量效率的混合Interweave-Underlay CR-RC方案。在该方案中,定义了主、从用户中断概率约束,充分考虑了主、从系统的服务质量(quality of service,Qo S),当即使从用户的发射功率为零,主系统的Qo S仍不能满足时,从用户以最大功率发送信号,无需考虑其对主用户的影响;当由于很强的主用户干扰,使得从用户的Qo S不能得到满足时,从用户不再发射信号,发信功率为零;当主、从系统的Qo S能够同时满足时,以Underlay模式工作。

无线视频通信中带宽分配策略

本文针对无线网络中多用户传输视频时带宽分配问题,提出了一种基于微观经济学中供需平衡的带宽分配策略。该方法充分考虑了运营商的收益,在运营商和用户收益同时最大且供需平衡时,所求得的频谱价格即为运营商的出售价格。同时给出了针对不同用户等级有不同的用户优先级因子,体现了带宽分配的灵活性。用户效用函数的构建,考虑了不同用户传输不同内容视频时,所需要的带宽不同,体现出用户之间的公平性。各用户根据运营商提出的带宽价格,彼此相互博弈,最终使得自身效用最大。仿真结果表明:本文提出的博弈论方法存在纳什均衡解和均衡单价;用户等级因子能按照用户的不同等级来分配带宽;系统传输质量相比以往方法有所提高。

中继协同无人机辅助的认知无线电网络安全通信

针对中继协同无人机(UAV)辅助的无线通信网络,提出一种基于认知无线电网络(CRN)的物理层安全通信方案。利用二次发射机协同解码转发中继向目的接收机发送机密消息,将UAV用作移动干扰器发送干扰噪声,以降低窃听者的解码能力。在不影响主用户通信的前提下,通过联合优化UAV的飞行轨迹和发射功率提高系统的平均保密率,采用基于连续凸逼近的算法求解近似凸规划的保密率最大化问题。仿真结果表明,相较于优化功率和优化轨迹这两种传统方案,该方案能够进一步提高CRN系统通信的安全性。

无线视频通信中基于队列预测的自适应缓存管理算法

无线网络中实时视频业务对网络环境的变化非常敏感,因此通常需要在接收端采用合理的缓存管理策略来缓解网络波动对用户观看视频造成的影响。提出一种基于队列预测的自适应缓存播放管理机制,该方法通过判断当前缓存队列的状态,并根据实时视频到达率和端到端时延对缓存长度以及播放速率进行综合调整。实验结果表明,所提算法可以随着网络环境的波动自适应地调整缓存大小和播放速率,有效降低视频业务的中断频率和丢帧率。

认知无线电中视频通信功率速率联合控制算法

文中针对认知无线电中传输视频功率速率联合控制问题提出了一种基于博弈论的算法。该算法在主用户效用函数的提出中,考虑了次用户对其的干扰和自身的收益。在次用户的构建中,针对次用户视频业务的特征,提出了针对视频业务的效用函数。该效用函数充分考虑了不同次用户在传输不同内容的视频时,对带宽和功率的需求不同这一特点,体现了认知无线电中资源分配的公平性和有效性。同时,在计算次用户功率单价时,是基于主用户效用最大这一原则的,这能够尽可能降低次用户对主用户的功率干扰。

认知无线电系统多接入用户信息新鲜度研究

为了解决物联网信道资源有限的问题以及提高物联网系统的信息时效性,考虑了包括一个主用户(primary user,PU)和两个次用户(secondary user,SU)节点的多接入认知无线电(CR)物联网系统模型。在PU工作状态和SU数据队列稳定的约束下,分别分析了第一个SU节点在先来先服务(first come first served,FCFS)、后来先服务(last come last served,LCLS)以及包丢弃队列下的平均信息年龄(age of information,AoI),推导了在阈值策略下第二个SU节点的平均AoI。然后,提出了使第一个SU平均AoI最小化,并且第二个SU的平均AoI低于给定阈值的优化问题。优化问题的约束条件是凸的,但所得到的目标函数是非凸的,故引入了一种次优技术,利用双层凸优化算法得到最优解。仿真结果给出了所考虑优化算法在不同系统参数下的性能,该算法在不同系统参数和多天线影响下的性能表现良好。后续工作可以考虑扩展到两个以上次用户的CR物联网系统。

基于短包通信选择中继辅助的全双工双向系统信息新鲜度分析

针对日益复杂的通信场景和日渐稀缺的频谱资源,以及信息新鲜度极其重要的现状。本文结合全双工(Full duplex,FD)、双向中继等技术,并基于短数据包传输(Short packet communication,SPC),构建一个选择中继辅助的全双工双向(Full duplex two-way,FDTW)模型。采用信息年龄(Age of Information,AoI)作为度量信息新鲜度的性能指标,为了深入研究中继辅助链路在此类模型中对AoI所带来的性能增益,同时考虑直连链路、中继辅助链路与中继的工作状态,设计三种传输方案:无中继辅助(Non relay-assisted,NRA)方案、放大转发中继辅助(Amplifyand-forward relay-assisted,AFRA)方案、解码转发中继辅助(Decode-and-forward relay-assisted,DFRA)方案。利用短包传输理论对每种方案下目的节点接收数据包的平均包错误率公式进行建模;利用图形分解法求解在每种方案下的平均信息年龄(Average Age of Information,AAoI)。其中在考虑中继辅助的方案中,AoI的演变较复杂,因此借助马尔可夫链进一步求解,这是对复杂传输情况下利用图形分解法求AoI方法的进一步补充。在仿真部分依据直连链路和中继辅助链路的相对状态进行分类讨论,结果表明,在直连链路信道状态相对较差时,中继辅助对AAoI的降低明显,最佳AAoI在AFRA方案下C为220 bits左右获得,可降低8.33%,在所考虑情况下由于数据包长度对误包率的影响,在数据包长度较小时,DFRA方案获得更优的AAoI,在数据包长度超过160~180 bits时,AFRA方案则获得更优的AAoI,同时随着直连链路状态不断变好,整体AAoI也会降低。

IRS辅助的UAV无线传感网络数据采集优化方案

针对无线传感网络海量数据采集导致的信息低时效与系统高能耗问题,提出一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)辅助的无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)数据采集优化方案。其中,多个带有缓冲区的地面传感器收集环境信息,能量受限的UAV在IRS协助下采集传感器的状态更新。通过联合考虑系统信息新鲜度与UAV的推进能耗,对UAV的3D飞行轨迹、地面传感器调度与IRS配置进行联合优化,构建平均信息年龄(Age of Information,AoI)与推进能耗加权和优化问题;然后将该非凸优化问题建模为马尔可夫决策过程,并提出基于深度强化学习算法对基于曼哈顿城市模拟环境下的UAV数据采集过程进行优化训练。最终得到UAV的优化3D飞行轨迹与IRS的优化配置。仿真结果表明,所提优化算法可在提高信息新鲜度的同时有效降低系统能耗。当IRS反射单元数量相同时,系统性能相较基准方案最高提升约50.64%。证明了所提数据采集方案的优越性与IRS提高系统性能的有效性。

IRS辅助的MISO系统安全节能通信方案

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)是提高未来B5G/6G网络安全节能通信的一项革命性技术。本文针对IRS辅助下行多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)系统的高安全风险与高能耗问题,分析了发送端发射波束成形和IRS相移矩阵对系统安全节能通信的影响,构建合法用户保密率约束下的系统发射功率最小化问题。针对该非凸多变量耦合问题,提出一种基于逐次凸逼近(successive convex approximation,SCA)的二阶锥规划算法迭代求解问题。与传统迭代优化算法不同,该算法在每次迭代中同时更新所有优化变量,并最终获得原问题的次优解。仿真结果表明,相较于无IRS方案、随机相移方案与SDR迭代优化方案三种基准方案,所提算法均在保证合法用户保密质量的同时实现了更低的发射功率,证明了本文算法的有效性与IRS在未来安全节能通信系统中的巨大潜力。

智能反射面辅助UAV通信系统的信息年龄优化方案

在物联网(Internet of Things,IoT)系统中,信道具有高度时变性,直接链路有概率被阻塞。为了确保状态更新信息的及时传递,设计了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)辅助无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)服务地面多用户的无线下行链路系统。UAV在下行链路中作为一个移动基站,沿着优化的轨迹飞行并在靠近地面用户的合适位置悬停,再与地面上的用户进行数据传输。通过时间离散化、数学建模等手段构建联合优化的模型,建立一个多约束优化问题。目标是通过对无人机轨迹和流调度、IRS相移设计等变量的联合优化以最小化系统的信息年龄。研究了IRS反射传输信号辅助改善无线环境的过程,即通过改变信道增益来改变最大数据传输速率。采用IRS相移调整的方式来提高时变的信道增益,以改善通信质量。由于目标函数和约束公式中含有的非凸公式以及多个优化变量之间的耦合关系,采用连续凸逼近(Successive Convex Approximation,SCA)和块坐标下降(Block Coordinate Descent,BCD)等技术设计优化算法,将非凸优化问题简化后求得总优化问题的解。仿真结果表明,算法能得到平滑曲线,系统信息年龄随发射功率和数据传输速率阈值升高显著降低,体现了所提算法的可行性。

异构无线网络中基于SINR和层次分析法的SAW垂直切换算法研究

B3G或者4G无线网络体系致力于集成各种异构无线接入网络,其中一个主要的设计课题是支持垂直切换的研究。该文将多属性QoS考虑在内,针对各业务特点,提出一种基于SINR(信干噪比)和层次分析法(AHP)的SAW(简单加权法)垂直切换算法(SASAW)。它综合考虑SINR的影响以及要获得同等数据速率情况下,目标网络需要的等效SINR数值、用户通信代价、网络可用带宽等来构造属性矩阵做切换判决。为了评估性能,考虑3GPP定义的4类业务,利用层次分析法中的特征向量法来决定各个QoS属性之间的权重关系,构造比较判决矩阵并检验其一致性;根据判决矩阵,利用特征根法获得权重向量;最后根据属性矩阵和权重向量,利用SAW垂直切换算法进行判决。通过对算法的通过率、丢话率、垂直切换次数、平均用户代价等的性能比较,结果表明该文提出的算法能够根据各业务特点综合考虑各属性间关系,获得优良的系统性能。

MIMO系统和无线信道容量研究

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)理论试图在Shannon信道容量公式基础上导出正比于收发信天线数的MIMO无线信道容量(WCC)公式.由于MIMO系统同时使用多根天线发送同频信号,在MIMO的物理信道中会包含多个虚拟独立瑞利衰落信道.因此MIMO理论关于独立瑞利衰落信道的定义在实际应用中很难成立,会导致所依据的空分复用(SDM)无法实现,使MIMO理论在数学层面导出的WCC公式在物理实现上会存在很大的不确定性.由于该系统使用不控制相位的多天线同频发射,多波干涉作用的影响是不可避免的,一定会产生方向不确定的定向发送波束,将形成多个电波覆盖盲区和一个不合理的无线通信系统.本文将利用数学分析和多天线发送波束模拟的方法证明上述结论.还将提出在Shannon公式应用原理和相控天线阵理论基础上构建的SHPCA系统,将利用相控天线阵给出的定向窄波束形成功率利用率极高的SDM功能,并给出对应的WCC公式,其容量正比与收发天线数和SDM次数,比Shan-non公式具有更高的效率.

基于自适应网络编码的异构无线链路并发传输控制方法研究

随着高清视频直播、虚拟现实等高速率业务不断兴起,单一的网络很难满足用户的业务需求。利用多种异构链路实现并发传输,可以有效聚合带宽资源,提高服务质量。但是,在异构无线网络中,由于链路状况复杂多变,多条链路质量不一,现有的多路径并发传输算法并不能自适应地根据复杂的网络状况做出最优的决策。该文提出了一种自适应网络编码的多路径并发传输控制算法,引入Asynchronous Advantage Actor-Critic(A3C)强化学习,通过自适应的网络编码,根据当前网络状况智能地选择编码分组大小和冗余大小,从而解决数据包的乱序问题。仿真结果表明,该算法能够提高10%左右的传输速率,提升了用户体验。

无线Mesh网络QoS保障技术综述

首先,简要回顾了无线Mesh网络的基本概况,分析了在无线Mesh网络中提供QoS保障的必要性和重要意义。然后,系统地介绍了无线Mesh网络的物理层、MAC层和路由层QoS保障技术以及跨层QoS设计技术的国内外研究现状,对其进行了细致而科学的分类。最后,给出了它们的研究难点和研究方向。

基于网络选择的视频通信带宽博弈算法

针对异构无线网络的视频通信提出一种基于网络选择的带宽博弈算法(BAG-NS)。该算法首先根据不同用户视频特性及当前网络状况,采用层次分析法和熵值法确定网络评价参数的权重,选择最佳网络;其次构建了基于收益和代价的用户效用函数,通过分布式迭代算法得到其纳什均衡解,并证明了纳什均衡的存在性和唯一性。仿真结果表明,该算法使不同特性的视频用户合理地分布在不同网络,能兼顾用户公平性和网络拥塞控制,增加网络资源利用率,减小用户视频失真,提高用户视频质量。

无人机辅助边缘计算中安全通信与能效优化策略

无人机的灵活移动性在移动边缘计算系统中引起了广泛的关注。然而,空中窃听者的存在使它的安全传输仍然面对巨大的挑战。为了解决高安全通信速率与低能耗之间的矛盾,引入安全通信能效这一概念,即无人机安全通信传输速率与无人机能耗之间的比值。首先,在满足给定任务时延、无人机的CPU计算频率以及任务卸载率的约束下,提出一种最大化安全通信能效的卸载策略,即联合优化合法无人机悬停位置、CPU计算频率分配以及区分计算任务复杂度的卸载策略;同时从物理层安全角度提升了无人机-移动边缘计算场景下的安全通信。其次,由于该策略是一个复杂的非凸问题,将其解耦为3个子问题,通过块坐标下降法与连续凸逼近(SCA)相结合的全局优化算法来求解该非凸问题。仿真结果表明,针对不同任务复杂度的系统,所提策略都能在满足地面终端卸载需求的同时,平衡整体的通信安全性能和能耗之间的关系,并提高安全通信能效。

一种改进的认知无线电博弈功控算法

认知无线电(CR:Cognitive Radio)技术是一种能实现频谱有效使用的新技术。本文介绍了认知无线电的工作原理,对认知循环中发送端的功率控制作了重点研究。基于David Goodman的非合作功率控制博弈方法,本文提出了一种只和用户的信干比相关的S型有效函数,它的优点是不考虑用户的无线接人技术的调制方式,因而非常适合认知无线电系统。另外,我们在传统的定价函数中也引入了路径增益的部分。本文论证了在博弈过程中,该带有S型有效函数的效用函数存在纳什均衡且均衡点唯一。最后,通过MATLAB仿真表明了新的效用函数和传统的CDMA系统中的NPG和NPGP的效用函数相比,将带来明显的性能改善,比较并分析了不同参数情况下它的性能表现。

无线Ad hoc网络传输容量的性能分析

无线Ad hoc网络由于其具备自组织、自配置以及自适应等能力,被灵活地应用于各种无任何固定通信基础设施支撑的环境中。如何对网络容量性能进行评估,是目前无线Ad hoc网络研究的热点问题之一。该文依据随机几何理论以及泊松点过程建立了无线Ad hoc网络模型,基于不同的调制方式及纠错编码方案,并结合功率控制机制,分别分析了采用时隙ALOHA、非时隙ALOHA及CSMA协议时,无线Ad hoc网络的中断概率及传输容量的性能指标。数值仿真结果表明:在分组错误概率受限的条件下,对调制方式与编码方案选择与网络空间分组密度(即网络累积干扰)有关;根据不同的空间分组密度选取调制方式和编码方案,才能获取最佳的网络容量性能。

无线传感器网络中基于空间相关性的分布式压缩感知

提出了无线传感器网络中基于空间相关性的分布式压缩感知模型和分布式压缩感知算法,利用无线传感器网络节点间感知数据的空间相关性和联合稀疏模型,结合分布式压缩感知编解码算法,以能量有效的方式对无线传感器网络的感知数据进行压缩、重构。最后,通过仿真分析了分布式压缩感知重构误差和压缩比之间的关系,以及分布式压缩感知在能量有效性方面的性能,仿真结果表明分布式压缩感知以能量有效的方式满足了无线传感器网络中事件估计的精确度要求。