隨著移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量爆炸式增長,無線通信網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展。傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)往往采用半雙工技術(shù)在時間或頻率正交的維度里進行電磁波信號發(fā)射和接收,以避免上下行信號之間干擾。全雙工技術(shù)通過有效控制回環(huán)干擾噪聲,能夠?qū)崿F(xiàn)同一時間、同一頻率發(fā)射和接收電磁波信號。相比于半雙工技術(shù),全雙工技術(shù)在理論上能夠?qū)㈩l譜效率提升一倍。因此將全雙工技術(shù)應(yīng)用到重新架構(gòu)無線通信系統(tǒng)的研究引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重點關(guān)注。本文分別研究了全雙工放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼單向通信系統(tǒng)端到端可達速率問題、全雙工單向和雙向通信系統(tǒng)物理層安全問題,以及借助反向散射全雙工技術(shù)實現(xiàn)超低功耗物理層安全問題。1)針對全雙工放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼單向通信系統(tǒng)端到端可達速率問題,提出中繼接收和發(fā)送波束成形的設(shè)計方案。該方案在均衡有用信號提升和回環(huán)干擾噪聲抑制的條件下,通過聯(lián)合優(yōu)化發(fā)送和接收波束成形向量,實現(xiàn)端到端可達速率最大化。該方案采用交替優(yōu)化算法將原耦合非凸優(yōu)化問題分解為兩個子問題。分別利用半正定松弛和線性組合方法求解兩個子問題,并給出迭代算法的收斂性證明。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計的中繼接收和發(fā)送波束成形方案相比基于特征值分解和連續(xù)域搜索算法具有更好的系統(tǒng)性能。2)針對基于全雙工技術(shù)單向通信系統(tǒng)的物理層安全問題,提出多天線全雙工接收端加擾方案。該方案在系統(tǒng)對殘余回環(huán)干擾噪聲分別采用迫零處理和均衡處理的條件下,通過優(yōu)化接收端收發(fā)天線分配方案,實現(xiàn)系統(tǒng)在高信噪比場景下可達安全自由度最大化。該方案利用廣義奇異值分解等方法將原非凸優(yōu)化問題等價轉(zhuǎn)化為整數(shù)規(guī)劃問題,推導(dǎo)出最優(yōu)天線分配方案和與之對應(yīng)的波束成形向量的閉式解,以及所設(shè)計方案的可行性條件和最優(yōu)性條件。最后,通過仿真驗證了不同的天線分配方案對系統(tǒng)安全性能的影響,凸顯出所設(shè)計天線分配方案的優(yōu)越性。3)針對全雙工技術(shù)雙向通信系統(tǒng)的物理層安全問題,提出新型信號疊加干擾方案。該方案在兩全雙工節(jié)點發(fā)送信號于竊聽端完全混疊的條件下,通過優(yōu)化兩節(jié)點收發(fā)天線分配方案,實現(xiàn)系統(tǒng)在高信噪比場景下可達安全自由度最大化。該方案在假設(shè)兩全雙工節(jié)點自身的回環(huán)干擾噪聲已完全消除前提下,利用收發(fā)數(shù)據(jù)流之間的關(guān)聯(lián)將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單一變量問題,并給出兩節(jié)點最優(yōu)天線分配方案的閉式解,以及全雙工技術(shù)應(yīng)用到雙向通信系統(tǒng)能夠獲得額外安全性能增益的可行性條件。仿真結(jié)果顯示,理論分析與蒙特卡洛仿真曲線吻合,驗證了所設(shè)計最優(yōu)天線分配方案的優(yōu)越性,以及可行性條件的準(zhǔn)確性。4)針對超低功耗系統(tǒng)的物理層安全問題,提出利用基于周圍環(huán)境反向散射技術(shù)全雙工節(jié)點加擾方案。該方案通過全雙工節(jié)點反射發(fā)送端信號對竊聽者進行干擾,提高系統(tǒng)的物理層安全性能。本方案首先建立反向散射全雙工技術(shù)與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相融合的新型通信系統(tǒng)模型,給出可達安全速率準(zhǔn)確的表達式�；诖�,分別對反向散射全雙工節(jié)點位置、反射系數(shù)、天線增益,以及發(fā)送端發(fā)射功率對系統(tǒng)安全速率的影響進行研究。給出在最壞通信環(huán)境下,系統(tǒng)可達安全速率的上界或下界,以及能夠獲得安全速率的可行性條件。通過仿真驗證理論分析的正確性,以及基于周圍環(huán)境反向散射技術(shù)全雙工節(jié)點提升物理層安全性能的優(yōu)越性。
【學(xué)位單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

來自發(fā)送端的有用信號首先經(jīng)過全雙工中繼端的歸一化波束成形向形向量表示為H 1×Nd ∈ 。此時送入到全雙工中繼端的信號表示為inr [轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，送入全雙工中繼端的信號inr [i ]在中繼節(jié)點進行放大中繼端的處理時延用符號τ 表示。最后，放大和延時的信號outr [i ]在發(fā)用下，從全雙工中繼端的發(fā)射天線發(fā)送到終端。信號inr [i ]可以表示為in SR s RR out R[ ] ( [ ] [ ] [ ])Hr i = d h x i + H p r i +n i為發(fā)送端發(fā)送的有用信號。由于時延τ 和放大系數(shù) β 的作用得到outr [i ]out inr [i ] = β r [i τ]outr [i ]回歸迭代，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

配方案為 10r bN = N= 。這是因為在低信噪比時，系統(tǒng)的通信環(huán)境很差，此時為了提升安全性能最為重要的是提升合法接收者對有用信號的接收，因此所有的天線資源應(yīng)該有用信號的接收，相對應(yīng)的波束成形向量依據(jù)最大比接收來設(shè)計。隨著信噪比的提升系統(tǒng)的安全性能就需要從有用信號的提升和竊聽信道的抑制兩個方面來綜合考慮。如，在高信噪比的情況下，當(dāng)天線分配方案為 3rN = 時，系統(tǒng)的安全速率可以達到最大仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)一致，證明了本章在高信噪比條件下所設(shè)計的天線分配方案的準(zhǔn)確2）合法接收端采用全雙工應(yīng)用準(zhǔn)則驗證理論分析揭示出合法接收端采用全雙工技術(shù)獲得的安全性能在某些情況下會退化為接收端安全性能。上文給出了接收端采用全雙工工作模式能夠獲得優(yōu)于半雙工工作模全自由度增益的必要條件，以及采用全雙工工作模式的最優(yōu)條件。因此本節(jié)的第二個給定系統(tǒng)參數(shù)，對比合法接收端分別采用全雙工工作模式和半雙工工作模式所獲得最安全自由度，從而驗證必要條件和最優(yōu)條件的正確性。
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 卞宇陽;馬猛;李斗;焦秉立;;同頻同時全雙工網(wǎng)絡(luò)干擾分析及消除方法研究[J];電信網(wǎng)技術(shù);2014年11期

2 徐強;全欣;潘文生;邵士海;唐友喜;;同時同頻全雙工LTE射頻自干擾抑制能力分析及實驗驗證[J];電子與信息學(xué)報;2014年03期

本文編號：2890411