无线通信系统中全双工技术研究

发布时间：2020-11-19 20:35

　　 随着移动数据业务量爆炸式增长,无线通信网络迅速发展。传统无线通信网络往往采用半双工技术在时间或频率正交的维度里进行电磁波信号发射和接收,以避免上下行信号之间干扰。全双工技术通过有效控制回环干扰噪声,能够实现同一时间、同一频率发射和接收电磁波信号。相比于半双工技术,全双工技术在理论上能够将频谱效率提升一倍。因此将全双工技术应用到重新架构无线通信系统的研究引起了学术界和工业界的重点关注。本文分别研究了全双工放大转发中继单向通信系统端到端可达速率问题、全双工单向和双向通信系统物理层安全问题,以及借助反向散射全双工技术实现超低功耗物理层安全问题。1)针对全双工放大转发中继单向通信系统端到端可达速率问题,提出中继接收和发送波束成形的设计方案。该方案在均衡有用信号提升和回环干扰噪声抑制的条件下,通过联合优化发送和接收波束成形向量,实现端到端可达速率最大化。该方案采用交替优化算法将原耦合非凸优化问题分解为两个子问题。分别利用半正定松弛和线性组合方法求解两个子问题,并给出迭代算法的收敛性证明。仿真结果表明,所设计的中继接收和发送波束成形方案相比基于特征值分解和连续域搜索算法具有更好的系统性能。2)针对基于全双工技术单向通信系统的物理层安全问题,提出多天线全双工接收端加扰方案。该方案在系统对残余回环干扰噪声分别采用迫零处理和均衡处理的条件下,通过优化接收端收发天线分配方案,实现系统在高信噪比场景下可达安全自由度最大化。该方案利用广义奇异值分解等方法将原非凸优化问题等价转化为整数规划问题,推导出最优天线分配方案和与之对应的波束成形向量的闭式解,以及所设计方案的可行性条件和最优性条件。最后,通过仿真验证了不同的天线分配方案对系统安全性能的影响,凸显出所设计天线分配方案的优越性。3)针对全双工技术双向通信系统的物理层安全问题,提出新型信号叠加干扰方案。该方案在两全双工节点发送信号于窃听端完全混叠的条件下,通过优化两节点收发天线分配方案,实现系统在高信噪比场景下可达安全自由度最大化。该方案在假设两全双工节点自身的回环干扰噪声已完全消除前提下,利用收发数据流之间的关联将原优化问题转化为单一变量问题,并给出两节点最优天线分配方案的闭式解,以及全双工技术应用到双向通信系统能够获得额外安全性能增益的可行性条件。仿真结果显示,理论分析与蒙特卡洛仿真曲线吻合,验证了所设计最优天线分配方案的优越性,以及可行性条件的准确性。4)针对超低功耗系统的物理层安全问题,提出利用基于周围环境反向散射技术全双工节点加扰方案。该方案通过全双工节点反射发送端信号对窃听者进行干扰,提高系统的物理层安全性能。本方案首先建立反向散射全双工技术与传统通信系统相融合的新型通信系统模型,给出可达安全速率准确的表达式。基于此,分别对反向散射全双工节点位置、反射系数、天线增益,以及发送端发射功率对系统安全速率的影响进行研究。给出在最坏通信环境下,系统可达安全速率的上界或下界,以及能够获得安全速率的可行性条件。通过仿真验证理论分析的正确性,以及基于周围环境反向散射技术全双工节点提升物理层安全性能的优越性。
【学位单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：

来自发送端的有用信号首先经过全双工中继端的归一化波束成形向形向量表示为H 1×Nd ∈ 。此时送入到全双工中继端的信号表示为inr [转发的工作方式，送入全双工中继端的信号inr [i ]在中继节点进行放大中继端的处理时延用符号τ 表示。最后，放大和延时的信号outr [i ]在发用下，从全双工中继端的发射天线发送到终端。信号inr [i ]可以表示为in SR s RR out R[ ] ( [ ] [ ] [ ])Hr i = d h x i + H p r i +n i为发送端发送的有用信号。由于时延τ 和放大系数 β 的作用得到outr [i ]out inr [i ] = β r [i τ]outr [i ]回归迭代，可得：[ ] ( ) ( )1out RR SR s R1[ ] [ ]jH H Hjr i β β x i jτ i jτ∞ == d H p d h + d n

配方案为 10r bN = N= 。这是因为在低信噪比时，系统的通信环境很差，此时为了提升安全性能最为重要的是提升合法接收者对有用信号的接收，因此所有的天线资源应该有用信号的接收，相对应的波束成形向量依据最大比接收来设计。随着信噪比的提升系统的安全性能就需要从有用信号的提升和窃听信道的抑制两个方面来综合考虑。如，在高信噪比的情况下，当天线分配方案为 3rN = 时，系统的安全速率可以达到最大仿真结果与理论推导一致，证明了本章在高信噪比条件下所设计的天线分配方案的准确2）合法接收端采用全双工应用准则验证理论分析揭示出合法接收端采用全双工技术获得的安全性能在某些情况下会退化为接收端安全性能。上文给出了接收端采用全双工工作模式能够获得优于半双工工作模全自由度增益的必要条件，以及采用全双工工作模式的最优条件。因此本节的第二个给定系统参数，对比合法接收端分别采用全双工工作模式和半双工工作模式所获得最安全自由度，从而验证必要条件和最优条件的正确性。
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 卞宇阳;马猛;李斗;焦秉立;;同频同时全双工网络干扰分析及消除方法研究[J];电信网技术;2014年11期

2 徐强;全欣;潘文生;邵士海;唐友喜;;同时同频全双工LTE射频自干扰抑制能力分析及实验验证[J];电子与信息学报;2014年03期

本文编号：2890411