协作通信系统中若干关键技术研究

发布时间：2019-05-27 05:00

【摘要】：作为众多无线新技术之一,协作通信不仅在提高系统传输速率、抵抗多径衰落以及增强通信质量上具有明显的优势,而且可以在不增加硬件成本的前提下获取相应的分集增益,提高无线通信系统的有效性和可靠性,满足用户日益增长的对实时多媒体业务的需求,因此受到了广泛的关注和研究。目前的研究内容主要涉及协作通信中的无线资源分配、中继选取、物理层安全、能量采集以及节点间社交关系等问题,这些问题仍然是协作通信研究中的热点和难点。针对上述研究热点,本文对协作通信中若干关键技术开展了深入地探索和研究,主要研究成果和创新点如下:1、研究了多个多天线放大转发中继系统中稀疏波束成形的设计问题,其方法是基于压缩感知中组稀疏的相关概念,借助混合的2 1?/?范数正则化形式设计每个中继的波束成形向量,在选择适当数目的中继参与协作传输的同时,最大化目的节点的信噪比性能。基于近端梯度算法,我们有效地解决了本文所研究的优化问题,并给出了该算法收敛性证明。仿真结果表明,本文所提出的算法能够有效地平衡活跃中继的数目和目的节点信噪比性能之间的关系,在获得较好的信噪比性能的同时,还可以减少中继节点的使用数目,进而降低了网络中的信息交互量和反馈信息量,并且减少了中继功率的消耗。2、结合物理层安全概念和无线信息和能量同时传输技术,研究了多个无线供能中继系统中安全速率最大化的问题,其中活跃状态下的中继节点可以基于能量分配技术采集能量以协助源点和目的节点通信,而空闲状态下的中继则被视作潜在的窃听者。因为此时空闲状态下的中继存在最大化其接收信噪比以提高窃听速率而非进行能量采集的可能性。为了保证源点和目的节点间的安全通信,目的节点在源点传输合法信息的同时,也发射人工噪声以干扰这些潜在的窃听者。值得注意的是,人工噪声不仅削弱了空闲中继的信道质量,而且还为活跃的中继节点提供了可采集的能量源,从而可以有效地提高系统对人工噪声的利用率。针对本文所研究问题的非凸性,我们基于该优化问题特殊的结构性质,提出了块式罚函数方法,不仅解决了所研究模型中安全速率最大化的问题,而且证明了该算法可以收敛到问题的局部最优解。仿真结果验证了算法的有效性和可靠性,与对比算法相比,本文所提出的算法能够获得更高的安全速率。3、进一步结合无线信息和能量同时传输技术,研究了不可信任中继网络中的物理层安全问题。假定除了中继节点是无线供能的(即进行能量采集以帮助源点和目的节点通信),源点和目的节点都具有恒定电源。与之前考虑的中继节点行为不同,该中继是不可信任的,利用其特殊的地理位置和转发作用,成为了系统中潜在的窃听者。因此,与之前研究方法类似,在源点传输合法信息的同时,目的节点也发射人工噪声干扰不可信任中继,以更好保证安全通信。在本文中,我们研究了无线供能非可信任中继系统中的安全速率最大化问题,基于半正定规划的相关知识,提出了两种算法(全局最优算法和局部最优算法),通过优化中继的能量分配比例和波束成形,提高了系统的安全速率。全局最优算法和局部最优算法所得到的系统性能远好于对比算法(即简单的放大转发方法)所得到的性能。此外,与全局最优算法相比,局部最优算法相对更加高效,其在可获得较高系统安全速率的同时,只需要很少的计算时间。4、研究了用户之间的可信度对用户协作策略的影响。以往文献一般根据用户的业务量需求及其信道质量来选择协作用户,通常假定这些被选中的作为中继的用户,会愿意帮助其他用户进行通信,因为它们期望在将来当信道质量不好时也可以得到其他用户的协助。然而,实际上从用户中继的角度而言,参与协作通信的动机相对比较微妙,由于每个移动终端都隶属于个人,人和人之间的社交关系自然而然地会影响用户终端或设备之间的协作策略和方式。因此,除了考虑中继用户信道质量与业务量需求之外,我们在设计传输策略时,需要进一步考虑用户之间的关系,如可信度等。在本文中,我们研究了一个存在两个用户对(即用户1的发射机Tu1、用户2的发射机Tu2和它们各自对应的接收机Ru1和Ru2)的场景,在考虑了相应的协作用户也有传输需求的情况下,基于用户之间(即Tu1和Tu2)的可信度设计了用户之间的协作策略,并根据Tu1和Tu2天线数目的不同,分别研究了对应的三种场景(单输入单输出、多输入单输出和多输入多输出)中可信度对用户功率分配以及波束成形设计的影响。仿真结果表明,随着用户间的可信度提高,协作用户在满足自己传输需求的情况下,将更多地帮助用户进行传输,使其获得更高的期望可达速率。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5

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