隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量爆炸式增長(zhǎng),無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展。傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)往往采用半雙工技術(shù)在時(shí)間或頻率正交的維度里進(jìn)行電磁波信號(hào)發(fā)射和接收,以避免上下行信號(hào)之間干擾。全雙工技術(shù)通過(guò)有效控制回環(huán)干擾噪聲,能夠?qū)崿F(xiàn)同一時(shí)間、同一頻率發(fā)射和接收電磁波信號(hào)。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(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的研究引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重點(diǎn)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(dá)速率問(wèn)題、全雙工單向和雙向通信系統(tǒng)物理層安全問(wèn)題,以及借助反向散射全雙工技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低功耗物理層安全問(wèn)題。1)針對(duì)全雙工放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼單向通信系統(tǒng)端到端可達(dá)速率問(wèn)題,提出中繼接收和發(fā)送波束成形的設(shè)計(jì)方案。該方案在均衡有用信號(hào)提升和回環(huán)干擾噪聲抑制的條件下,通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化發(fā)送和接收波束成形向量,實(shí)現(xiàn)端到端可達(dá)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(wèn)題分解為兩個(gè)子問(wèn)題。分別利用半正定松弛和線(xiàn)性組合方法求解兩個(gè)子問(wèn)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(jì)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(duì)基于全雙工技術(shù)單向通信系統(tǒng)的物理層安全問(wèn)題,提出多天線(xiàn)全雙工接收端加擾方案。該方案在系統(tǒng)對(duì)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(guò)優(yōu)化接收端收發(fā)天線(xiàn)分配方案,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在高信噪比場(chǎng)景下可達(dá)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(wèn)題等價(jià)轉(zhuǎn)化為整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,推導(dǎo)出最優(yōu)天線(xiàn)分配方案和與之對(duì)應(yīng)的波束成形向量的閉式解,以及所設(shè)計(jì)方案的可行性條件和最優(yōu)性條件。最后,通過(guò)仿真驗(yàn)證了不同的天線(xiàn)分配方案對(duì)系統(tǒng)安全性能的影響,凸顯出所設(shè)計(jì)天線(xiàn)分配方案的優(yōu)越性。3)針對(duì)全雙工技術(shù)雙向通信系統(tǒng)的物理層安全問(wèn)題,提出新型信號(hào)疊加干擾方案。該方案在兩全雙工節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)于竊聽(tīng)端完全混疊的條件下,通過(guò)優(yōu)化兩節(jié)點(diǎn)收發(fā)天線(xiàn)分配方案,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在高信噪比場(chǎng)景下可達(dá)安全自由度最大化。該方案在假設(shè)兩全雙工節(jié)點(diǎn)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為單一變量問(wèn)題,并給出兩節(jié)點(diǎn)最優(yōu)天線(xiàn)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(xiàn)吻合,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)最優(yōu)天線(xiàn)分配方案的優(yōu)越性,以及可行性條件的準(zhǔn)確性。4)針對(duì)超低功耗系統(tǒng)的物理層安全問(wèn)題,提出利用基于周?chē)h(huán)境反向散射技術(shù)全雙工節(jié)點(diǎn)加擾方案。該方案通過(guò)全雙工節(jié)點(diǎn)反射發(fā)送端信號(hào)對(duì)竊聽(tīng)者進(jìn)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(dá)安全速率準(zhǔn)確的表達(dá)式�；诖�,分別對(duì)反向散射全雙工節(jié)點(diǎn)位置、反射系數(shù)、天線(xiàn)增益,以及發(fā)送端發(fā)射功率對(duì)系統(tǒng)安全速率的影響進(jìn)行研究。給出在最壞通信環(huán)境下,系統(tǒng)可達(dá)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(guò)仿真驗(yàn)證理論分析的正確性,以及基于周?chē)h(huán)境反向散射技術(shù)全雙工節(jié)點(diǎn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TN929.5
【部分圖文】：

來(lái)自發(fā)送端的有用信號(hào)首先經(jīng)過(guò)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(shí)送入到全雙工中繼端的信號(hào)表示為inr [轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，送入全雙工中繼端的信號(hào)inr [i ]在中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放大中繼端的處理時(shí)延用符號(hào)τ 表示。最后，放大和延時(shí)的信號(hào)outr [i ]在發(fā)用下，從全雙工中繼端的發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送到終端。信號(hào)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(hào)。由于時(shí)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?yàn)樵诘托旁氡葧r(shí)，系統(tǒng)的通信環(huán)境很差，此時(shí)為了提升安全性能最為重要的是提升合法接收者對(duì)有用信號(hào)的接收，因此所有的天線(xiàn)資源應(yīng)該有用信號(hào)的接收，相對(duì)應(yīng)的波束成形向量依據(jù)最大比接收來(lái)設(shè)計(jì)。隨著信噪比的提升系統(tǒng)的安全性能就需要從有用信號(hào)的提升和竊聽(tīng)信道的抑制兩個(gè)方面來(lái)綜合考慮。如，在高信噪比的情況下，當(dāng)天線(xiàn)分配方案為 3rN = 時(shí)，系統(tǒng)的安全速率可以達(dá)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(jì)的天線(xiàn)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(yàn)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(huì)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(gè)給定系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)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(yàn)證必要條件和最優(yōu)條件的正確性。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 卞宇陽(yáng);馬猛;李斗;焦秉立;;同頻同時(shí)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(qiáng);全欣;潘文生;邵士海;唐友喜;;同時(shí)同頻全雙工LTE射頻自干擾抑制能力分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J];電子與信息學(xué)報(bào);2014年03期

本文編號(hào)：2890411