【摘要】：隨著無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,各種新型的智能設(shè)備與無(wú)線業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn),造成無(wú)線數(shù)據(jù)流量的增加,因而對(duì)頻譜資源的需求也日益劇增。然而,在目前頻譜固定分配的政策下,大部分被分配的頻譜資源未能得到充分利用,造成日益增長(zhǎng)的頻譜需求與其利用率低的矛盾愈加凸顯,嚴(yán)重制約了無(wú)線通信的發(fā)展。認(rèn)知無(wú)線電的出現(xiàn)被認(rèn)為是提升頻譜利用率的一項(xiàng)非常有效的技術(shù),有著十分重要的研究?jī)r(jià)值。此外,將波束成形技術(shù)與認(rèn)知無(wú)線電相結(jié)合,可以在提升頻譜利用率的同時(shí),有效對(duì)抗信道衰落帶來(lái)的影響,抑制用戶間干擾,大幅提高系統(tǒng)容量,對(duì)推動(dòng)未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。本文圍繞認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的波束成形設(shè)計(jì)問(wèn)題,以信干噪比(Signal to Interference Plus Noise Ratio,SINR)、發(fā)送功率和保密速率為關(guān)鍵指標(biāo),并結(jié)合協(xié)作中繼、射頻能量收集以及物理層安全等技術(shù)展開研究。具體來(lái)說(shuō),分別針對(duì)分布式認(rèn)知雙向中繼網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知多輸入單輸出(Multiple Input Single Output,MISO)能量收集網(wǎng)絡(luò)以及主-次協(xié)作認(rèn)知無(wú)線能量收集網(wǎng)絡(luò)三種場(chǎng)景下的波束成形設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究。本文的主要工作及創(chuàng)新成果可歸納為三點(diǎn):第一,研究了分布式認(rèn)知雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中的魯棒波束成形設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先,針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中信道誤差為確定誤差模型的情況,本文以SINR為指標(biāo),設(shè)計(jì)了基于最差情況(worst-case)的分布式魯棒波束成形方案。該方案以最大化最小次用戶的SINR為目標(biāo),同時(shí)滿足中繼處發(fā)送總功率以及對(duì)主用戶產(chǎn)生的干擾功率的約束條件,并提出了基于 S-procedure 與半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR)的魯棒波束成形算法,將最初的非凸的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題,并利用二分法進(jìn)行求解。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案能夠滿足系統(tǒng)傳輸要求,對(duì)信道誤差具有魯棒性。其次,針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中信道誤差為隨機(jī)誤差模型的情況,本文以發(fā)送功率為指標(biāo),設(shè)計(jì)了基于概率約束的分布式魯棒波束成形方案。該方案以最小化中繼處的總發(fā)送功率為目標(biāo),同時(shí)滿足次用戶SINR以及主用戶干擾功率的概率約束條件,并分別提出了基于Bernstein型不等式的魯棒波束成形算法和基于S-Procedure的魯棒波束成形算法。仿真結(jié)果表明,兩種魯棒波束成形算法對(duì)信道誤差均具有魯棒性,且與基于S-Procedure的優(yōu)化算法相比,基于Bernstein型不等式的魯棒波束成形算法具有更高的可行性,并且更加節(jié)能,但是計(jì)算復(fù)雜度較高。第二,研究了認(rèn)知MISO無(wú)線能量收集網(wǎng)絡(luò)中的波束成形設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先,針對(duì)認(rèn)知MISO無(wú)線能量收集網(wǎng)絡(luò)中信道誤差為隨機(jī)誤差模型的情況,本文以發(fā)送功率為指標(biāo),設(shè)計(jì)了基于概率約束的聯(lián)合優(yōu)化魯棒波束成形向量和功率分割因子(Beamforming and Power Splitting Ratio,BFPS)的方案。該方案以最小化認(rèn)知基站的發(fā)送功率為目標(biāo),同時(shí)滿足次用戶SINR、次用戶收集能量以及對(duì)主用戶干擾功率的概率約束條件,并分別提出了基于Bernstein型不等式的魯棒BFPS算法與基于S-Procedure的魯棒BFPS算法進(jìn)行求解。并通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了所提算法均能滿足通信系統(tǒng)的概率約束條件,且基于Bernstein型不等式的優(yōu)化算法更加節(jié)能。其次,針對(duì)認(rèn)知MISO無(wú)線能量收集網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)竊聽用戶的情況,本文以保密速率為指標(biāo),提出了全雙工充電式干擾源輔助的安全傳輸策略。在完美信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)的情況下,本文設(shè)計(jì)了聯(lián)合優(yōu)化認(rèn)知基站的發(fā)送波束成形向量和干擾源的噪聲協(xié)方差矩陣的方案,該方案可實(shí)現(xiàn)最大化次用戶保密速率的目標(biāo),同時(shí)滿足認(rèn)知基站發(fā)送功率、干擾源發(fā)送功率以及主用戶受到的干擾功率的約束條件,并提出了基于Charnes-Cooper變換和SDR技術(shù)的雙層迭代優(yōu)化算法,利用仿真證明了所提傳輸策略與聯(lián)合優(yōu)化方案可增強(qiáng)系統(tǒng)的保密性能。此外,在非完美CSI的情況下,本文設(shè)計(jì)了協(xié)作干擾源輔助的魯棒波束成形方案,通過(guò)仿真驗(yàn)證,本文提出的魯棒方案在提高系統(tǒng)安全性的同時(shí),增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)信道誤差的魯棒性。第三,研究了主-次協(xié)作認(rèn)知無(wú)線能量收集網(wǎng)絡(luò)中的波束成形設(shè)計(jì)問(wèn)題。針對(duì)主-次協(xié)作認(rèn)知無(wú)線能量收集網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)多天線竊聽用戶的情況,本文以保密速率為指標(biāo),提出了無(wú)線充電式協(xié)作干擾源輔助的安全傳輸策略來(lái)提高次用戶的可達(dá)保密速率。首先,本文設(shè)計(jì)了聯(lián)合優(yōu)化次用戶發(fā)送端的轉(zhuǎn)發(fā)波束成形矩陣、發(fā)送波束成形向量以及干擾噪聲協(xié)方差矩陣的方案。該方案以實(shí)現(xiàn)次用戶的保密速率最大化為目標(biāo),同時(shí)滿足次用戶發(fā)送功率、干擾源發(fā)送功率、收集的能量以及主用戶的信息速率的約束條件,并提出了基于Charnes-Cooper變換和SDR方法的雙層迭代優(yōu)化算法,對(duì)建立的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。其次,本文設(shè)計(jì)了次優(yōu)的基于各向同性噪聲的波束成形因子設(shè)計(jì)方案。相比基于各向同性噪聲的波束成形設(shè)計(jì)方案,所提的聯(lián)合優(yōu)化波束成形因子與干擾噪聲協(xié)方差矩陣方案可更加有效地提升系統(tǒng)的保密性能。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN925
【圖文】：

Ｉｎｄｅｘ，ＶＮＩ）的“２０１６年？２０２１年預(yù)測(cè)報(bào)告”指出，智能手機(jī)、移動(dòng)終端和物聯(lián)逡逑網(wǎng)終端會(huì)急速增加，網(wǎng)速將大幅提升，預(yù)計(jì)到２０２１年，每月全球范圍內(nèi)使用的逡逑移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將比２０１６年時(shí)的流量增長(zhǎng)約７倍，具體如圖１－２所示。隨著數(shù)據(jù)逡逑流量的增加，對(duì)頻譜資源的需求也必然變大。然而，適用于無(wú)線通信業(yè)務(wù)的頻譜逡逑資源終歸是有限的，使得頻譜資源不可避免地會(huì)遇到短缺的困境�？焖僭鲩L(zhǎng)的頻逡逑譜需求和有限的頻譜資源的矛盾愈加凸顯，這將很大程度上制約著未來(lái)無(wú)線通信逡逑的繼續(xù)發(fā)展�？梢�，提高現(xiàn)有的頻譜利用率，提升無(wú)線系統(tǒng)的容量，是促進(jìn)未來(lái)逡逑的無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。逡逑６０逡逑５０邐踢逡逑Ｅｘａｂｙｔｅｓ邋４Ｄ邐３５邋ＥＢ邋Ｉ１逡逑ｐｅ＾ｏｍｈ邋３Ｑ邐２４ＥＢ邋ｆｃ；逡逑１１ＥＢ逡逑２０１６邐２０１７邐２０１８邐２０１９邐２０２０邐２０２１逡逑圖１－２思科ＶＮＩ全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量預(yù)測(cè)（２０１６年？２０２１年）逡逑２逡逑

ｒＡＭＰＳ）邋ｒ邋ＧＳＭ邋＾邋ｒ邐Ｑ邋＾邋＾ＴＤ－ＬＴＥ＾逡逑—Ａ—邋ｙｌｇ－ＳＣＤＭＡｙ逡逑圖１－１移動(dòng)通信技術(shù)從１Ｇ到５Ｇ的演進(jìn)逡逑曰新月異的無(wú)線通信技術(shù)和種類繁多的無(wú)線業(yè)務(wù)豐富著人們的生活，影響并逡逑改變著人們固有的生產(chǎn)生活形式。隨著智能通信終端與無(wú)線業(yè)務(wù)的大規(guī)模增長(zhǎng)，逡逑移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量也隨之劇增，根據(jù)第１１次思科視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（Ｖｉｓｕａｌ邋Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ逡逑Ｉｎｄｅｘ，ＶＮＩ）的“２０１６年？２０２１年預(yù)測(cè)報(bào)告”指出，智能手機(jī)、移動(dòng)終端和物聯(lián)逡逑網(wǎng)終端會(huì)急速增加，網(wǎng)速將大幅提升，預(yù)計(jì)到２０２１年，每月全球范圍內(nèi)使用的逡逑移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將比２０１６年時(shí)的流量增長(zhǎng)約７倍，具體如圖１－２所示。隨著數(shù)據(jù)逡逑流量的增加，對(duì)頻譜資源的需求也必然變大。然而，適用于無(wú)線通信業(yè)務(wù)的頻譜逡逑資源終歸是有限的

海量增長(zhǎng)的無(wú)線業(yè)務(wù)帶來(lái)數(shù)據(jù)流量的增加，這必將增大對(duì)無(wú)線頻譜資源的需逡逑求。無(wú)線頻譜資源作為有限的資源，主要由國(guó)際機(jī)構(gòu)及各國(guó)政府按照固定分配的逡逑機(jī)制進(jìn)行劃分與管理，我國(guó)無(wú)線頻譜分配如圖１－３所示。但是，目前多個(gè)國(guó)家的逡逑相關(guān)組織通過(guò)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的已分配的頻譜資源并沒有被授權(quán)用戶充分利逡逑用，導(dǎo)致頻譜利用率低，這一結(jié)果也被美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Ｆｅｄｅｒａｌ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ？逡逑ｔｉｏｎｓ邋Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，邋ＦＣＣ）邋證實(shí)，調(diào)查顯示部分頻段高達(dá)邋１５％邋到邋８５°／。長(zhǎng)時(shí)間處于逡逑空閑狀態(tài)［７］。因此，造成目前無(wú)線頻譜資源短缺的兩個(gè)關(guān)鍵原因是：（１）爆炸式逡逑增長(zhǎng)的無(wú)線業(yè)務(wù)量對(duì)頻譜資源需求急劇增長(zhǎng)；（２）固定的頻譜分配機(jī)制導(dǎo)致大量逡逑頻譜資源的浪費(fèi)。逡逑WW１WW 逡逑４５０邋４？０邐Ｓ３８邋７Ｓ０邐８０Ｓ邐６２５邋ｔ？Ｑ邋８Ｓ０邋８ＳＳ邋８Ｓ０邋的９邋９１５逡逑ＢＫｎ邋Ｉ邋ｔｆｆｆｍ邋，逡逑９３０邐９３５邐９５４邐Ｓ＃埃rP保罰保埃rP保罰常擔(dān)rP保罰擔(dān)擔(dān)rP保罰福擔(dān)rP保福埃擔(dān)rP保福常埃保福擔(dān)埃rP停齲椋]3?［＿W灄W 逡逑ｉｇｓｅｉｓｓｏ邋ｎｍ邐ｉｍ邋２０１０邋２０２￥邋２１１Ｑ邋２１２ｓ邋２ｍ邋２１４５２ｍ邋ｎｍ逡逑WW圜WW逡逑２３００邋２４００邋２４８３．５邋２５００邋２６９０邋３４００邋３６００邋５７２５邋５８５０邋ＭＨｚ逡逑圖１－３我國(guó)無(wú)線頻譜分配圖逡逑如今，無(wú)線頻譜資源短缺的問(wèn)題已經(jīng)不容忽視，目前的固定頻譜分配策略也逡逑將無(wú)法適應(yīng)未來(lái)海量高速率設(shè)備的通信需求，如何提高現(xiàn)有的無(wú)線頻譜利用率，逡逑減少頻譜資源的大量浪費(fèi)

【參考文獻(xiàn)】

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1 郭艷;朱方軍;李寧;原曉云;;MIMO認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合收發(fā)波束形成算法研究[J];通信學(xué)報(bào);2015年03期

2 錢志鴻;王義君;;面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J];電子與信息學(xué)報(bào);2013年01期

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1 秦城;協(xié)作傳輸下的波束賦形技術(shù)研究[D];北京郵電大學(xué);2017年

2 于斌;無(wú)線MIMO系統(tǒng)波束成形技術(shù)研究[D];解放軍信息工程大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2778731