【摘要】：隨著無線通信技術(shù)的不斷革新及其應(yīng)用的持續(xù)擴(kuò)展,其相關(guān)的研究工作也越來越受到了人們的重視。作為該領(lǐng)域研究的基礎(chǔ),物理層無線通信理論研究就顯得尤為重要。無線通信的最大特點就是它的“廣播”屬性,這就導(dǎo)致在信號的傳播過程中極易受到竊聽和干擾。因此,如何制造有用的“干擾”來防止竊聽以及如何消除不必要的“干擾”進(jìn)行高效傳輸就成為這篇論文研究的目標(biāo)。論文將從“安全性”和“高效性”兩個角度對物理層無線通信的“可靠性”進(jìn)行深入探討,提出并且解決相關(guān)研究領(lǐng)域的幾個關(guān)鍵問題。本文安全性方面的研究主要基于人工噪聲。所謂人工噪聲就是利用幫助節(jié)點或者發(fā)送者天線中的一部分維度發(fā)送出的一種有益的干擾信號,這種信號經(jīng)過精心設(shè)計只能干擾竊聽信道而對主信道不會造成任何影響。這樣,即使在竊聽信道質(zhì)量優(yōu)于主信道質(zhì)量的情況下也能實現(xiàn)安全通信。本文重點研究了三種典型的信道模型:SISOMH、MISOAN和MIMOAN。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),針對可能出現(xiàn)的竊聽隱患,現(xiàn)有的基于人工噪聲的安全方案均有不同程度的漏洞,即所謂的“安全盲區(qū)”,一旦人工噪聲落入“安全盲區(qū)”,整個安全協(xié)議就會失效。論文結(jié)合矩陣?yán)碚摰南嚓P(guān)知識詳細(xì)分析了三種安全漏洞,進(jìn)而提出了三種優(yōu)化方案:HTPOSISOMH、VBSE-MISOAN和MBSE-MIMOAN,成功消除了安全隱患。本文高效性方面的研究分為兩個方向:一種基于自由度的MIMO天線選擇算法和一種達(dá)到自由度上界的物理層編碼方案。兩個方向分別從天線選擇和物理層編碼方面入手,都是為了達(dá)到高效性傳輸?shù)哪康�。在第一個方向的討論中,重點研究了目前非常熱門的天線選擇算法。現(xiàn)有的天線選擇算法只考慮到差錯率最小或容量最大的情況,并不能解決實際需求和較低的通信率之間越來越突出的矛盾。增大發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和增加頻譜是前人提出的兩種解決方案,但是從發(fā)射成本和無線通信環(huán)境的角度考慮,這兩種方法都不切實際。通常情況下,MIMO系統(tǒng)的信道容量與天線數(shù)呈線性正相關(guān)關(guān)系,但是隨著天線數(shù)量增加計算復(fù)雜度也會隨之增加,本文通過設(shè)計合理的選擇候選天線子集數(shù)的方案,找到了性能與計算復(fù)雜度之間最佳的平衡點。在第二個方向的討論中,首先定義了一種信道模型:G-MIMO雙向中繼信道。這種模型可以涵蓋現(xiàn)有的大多數(shù)中繼信道(如MIMO-X型雙向中繼信道、MIMO-Y型中繼信道等),極具研究價值同時也有很高的研究難度。然后本文將這種信道分為單中繼和多中繼兩個大類進(jìn)行討論,并結(jié)合MIMO信道性質(zhì)和“cutset”理論分別給出了三個自由度上界定理:G-MIMO雙向單中繼信道自由度上界定理、G-MIMO雙向多中繼級聯(lián)信道自由度上界定理和G-MIMO雙向單中繼混聯(lián)信道自由度上界定理。由于這三個定理基于普適性更強的G-MIMO中繼信道,所以具有很高的實用價值,文中也給出了具體的應(yīng)用實例。特別地,論文以GMIMO雙向單中繼信道為例,結(jié)合矩陣論、物理層網(wǎng)絡(luò)編碼和信號對齊等技術(shù)給出了相應(yīng)的自由度上界可達(dá)方案。該方案分為兩個階段:多接入階段和廣播階段。研究結(jié)果表明,該方案可使每個節(jié)點都達(dá)到預(yù)先分配的自由度,進(jìn)而使整個系統(tǒng)達(dá)到總的自由度上界,實現(xiàn)傳輸效率的最大化。
【圖文】：

制后的信號送往信道傳輸。這種通信對應(yīng)的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。具體的通信流程如上圖所示。數(shù)字通信具有如下特點：保密性能好；無噪聲積累，抗干擾能力強；便于占用信道頻帶寬和實現(xiàn)多媒體通信，便于組成現(xiàn)代化數(shù)字通信網(wǎng)MIMO 技術(shù)介紹在發(fā)射端和接收端分別使用多個天線的技術(shù)稱之為 MIMO 無線通信技術(shù)該技術(shù)使信號通過收發(fā)兩端的多個天線進(jìn)行傳輸，從而達(dá)到改善通信質(zhì)量的目的MIMO 技術(shù)通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，更加充分地利用了空間資源，這樣就可以在不增加天線發(fā)射功率和相應(yīng)頻譜資源的條件下，成倍提升信道容量。MIM技術(shù)的這一系列特性顯示出了明顯的優(yōu)勢，因此它被視為下一代移動通信技術(shù)的核心。該技術(shù)在適當(dāng)?shù)男诺拉h(huán)境下又具有容量巨大的特點，同時存在改善鏈路質(zhì)量的潛力。MIMO 系統(tǒng)模型如下圖所示：

圖 4- 4 調(diào)制模塊示意圖Fig 4-4 Modulating module schematic diagramQPSK 調(diào)制函數(shù)可利用 matlab 函數(shù)庫自帶的函數(shù)進(jìn)行編寫。然而由于 QP是按照 M=4 進(jìn)行映射的，所以將隨機(jī)產(chǎn)生的信源利用 reshape 函數(shù)變成兩列。調(diào)時可利用 matlab 自帶的 demodulate 函數(shù)。AWGN 信道信源經(jīng)過了 QPSK 調(diào)制，因此相當(dāng)于在實數(shù)軸和虛數(shù)軸兩條坐標(biāo)軸的平上每一個方向都有隨機(jī)的高斯白噪聲分布，然后各自乘以對應(yīng)的幅度，，再將得的噪聲加入 QPSK 調(diào)制的信號里，最后得到的便是經(jīng)過 AWGN 信道的信號。信噪比與 AWGN 的關(guān)系如下所示：201 /SNR 10lg 10lg2P RMN (
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN92

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