认知无线电中基于MIMO波束成形的协同频谱接入设计

协同认知无线电技术由于其高效的频谱利用效率已经吸引越来越多的关注。在协同认知网络中,当第一用户（Primary User,PU）之间的信道状况恶劣时,特定的第二用户（Secondary User, SU）被选为中继协同PU完成信息传递,作为回报,PU分配一定的信道资源给SU,使其用于传输自己的信息。当SU系统中一个节点拥有多天线时,假设其可以很好的获悉其与PU之间的信道状态信息,通过波束成形设计可以使其在中继PU信息的同时完成自身信息的发送,而且使两者之间的信号互不干扰。这种频谱共享式的接入方式可以节约信道资源,提高频谱利用率。本文对采用放大转发（Amplify and Forward, AF）中继协议的SU发射端分别采用最小化加权均方误差和准则（Minimizing Sum of Weighted Mean Square Errors, MSWMSE）和迫零准则（Zero Forcing, ZF）对波束成形参数进行设计。仿真结果表明,两种设计方式都可以满足消除用户间干扰的要求;另外,由于基于MSWMSE准则的波束成形参数能够更好的平衡噪声和用户间干扰项对信号的损耗,因而获得更优的性能表现,而且通过调整加权系数可以满足PU用户不同的性能要求。      

非对称信道下双向中继网络中最大化和速率的波束成形设计

双向中继网络的波束成形设计大都基于对称信道的假设。该文考虑非对称信道的情况,通过合理设计波束成形因子,使得系统在中继总功率约束下,其和速率最大化。为解决此非凸的最优化问题,首先提出了一种基于分支定界(branch-and-bound)思想的优化算法,并证明了该算法可获得全局最优解。然后提出了一种次优算法,该算法假设次优解为两个已知向量的线性组合,因而求解次优解只需优化两个实数系数,具有较低的复杂度。仿真表明,分支定界算法性能优于现有其他算法;次优算法相对于分支定界算法有一定的性能损失,但是在节点数较小或中继节点平均功率较低时,次优算法优于其他现有算法。     

中断约束下的星空认知网络分布式鲁棒波束成形算法

针对卫星通信网和无人机通信网共享频谱资源构成的星空认知网络,提出了一种基于用户非完美信道状态信息的分布式鲁棒波束成形算法,以提升网络的频谱效率和传输可靠性.在所有信道误差均服从复高斯分布的条件下,建立以总的发射功率最小化为目标函数,以用户信干噪比中断概率约束满足要求为约束的联合优化问题.通过引入松弛变量,将非凸的联合优化问题转换成两个独立的分布式优化问题,并进一步提出利用舒尔补和拉格朗日对偶的迭代算法得到卫星和无人机网络的波束成形权矢量.计算机仿真验证了所提算法的有效性和优越性.     

对认知无线电波束成形算法的探讨

对多天线协作双向认知无线电系统中的波束成形算法进行了研究。在多天线协作双向认知无线电系统中,2个主用户系统通过次用户进行信息交换,次用户配置多个天线,且次用户通过叠加信号后将其发送给主用户,所以对分配发送主用户和次用户信息的信号的功率以及设计主用户和次用户的波束成形矩阵等进行了重点研究。依据最大化系统容量的优化准则,得到的优化问题均是非凸问题,因此采用半正定优化和二阶圆锥优化,得到闭合解。仿真结果表明,此方法优于以往的波束成形算法。     

基于有限信道信息的波束成形系统设计

针对多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)通信系统,提出了基于有限信道信息(CSI)的波束成形算法。通过Nutaq基站验证平台,实现了基于MIMO-OFDM系统的信道反馈和波束成形,并对算法进行了验证。验证结果表明,该算法不仅能降低反馈数据量要求,还能有效提高系统的通信性能。     

用于LTE MU-MIMO的标签迫零波束成形技术（英文）

提出了一种聪明的TD-LTE MIMO操作模式,它结合了波束成形技术和闭环反馈MIMO的优点。当eNB获得UE上行SRS参考信号的信道信息,L1进行基于码本的信道估计量化和标签化。L1将标签上传到L2,L2基于标签进行多用户调度,这样较好地解决了基于迫零的UE配对和L1/L2间跨层资源分配这两个问题。L1无需更多计算便可生成波束成形的预编码矩阵。同时,提出了在可接受的次优性能下一种易实现的一般性框架。为了达到目标,给出了新的码本设计标准和快速预编码矩阵的生成算法。     

TD-LTE非理想信道互易性下的下行单用户波束成形算法

在TD-LTE系统中由于上下行信道的时变特性、干扰非对称特性以及射频器件非对称特性会影响基于信道互易性的波束成形技术应用,降低系统增益。针对非理想信道互易性下的预编码矩阵设计问题,以最大化接收信号平均信干噪比做为目标函数,通过计算信道状态信息(CSI)估计值以及互易性误差的统计自相关矩阵,构造正则矩阵束,将最大化接收信干噪比的预编码矩阵求解问题转化为正则矩阵束的广义特征向量求解问题。计算机仿真验证了算法设计的预编码矩阵能有效增强系统的鲁棒特性。     

卫星网络和高空平台网络频谱共存下的分布式鲁棒波束成形算法

面向由卫星网络和高空平台网络有机结合的星空融合网络,提出一种基于非完美信道状态信息的分布式鲁棒波束成形算法。首先,在卫星网络和高空平台网络分别采用多播技术和非正交多址技术服务多个用户的场景下,以最大化网络和速率为目标函数,并以满足各个用户速率需求为约束,建立卫星和高空平台发射功率受限为约束的优化问题。其次,在仅能获取用户非完美信道状态信息且仅能实现非完美连续干扰消除的情况下,采用S-procedure和连续凸逼近对非凸问题进行转化,并进一步提出基于拉格朗日对偶的分布式波束成形算法,以实现网络间的频谱共享。最后,计算机仿真表明所提分布式算法相比现有工作能以更低的信令开销获取更高的频谱效率。     

基于波束成形天线的分簇时间同步算法

波束成形天线相比较定向天线具有波束集中,抗干扰能力强等特点,配备波束成形天线的节点间通信复杂,造成网络同步困难。文中提出一种分簇网络时间算法解决基于波束成形天线网络同步问题,算法分为选举,分簇,同步三个阶段,选举阶段选举网络根节点,分簇阶段工作于定向天线且网络时间异步场景下,利用网络根节点作为分簇的初始节点完成网络分簇,同步阶段利用簇间同步与簇内迭代完成全网节点同步。仿真分析了算法的开销并能够促使网络时间收敛。     

认知星地一体化网络中能效最大化的鲁棒功率控制算法

如何提高能量效率是当前认知星地一体化网络研究的热点问题之一,而功率控制是提高能量效率的重要方法。另外,在实际中,由于信道信息评估误差和反馈时延致使所获得信道增益信息是不完美的,从而使得已有基于完美信息的功率算法不能满足系统性能。为此,针对认知星地一体化网络中无线信道信息不确定的情况,进行鲁棒功率控制算法的研究。首先,针对认知用户的瞬时信噪比和对主用户的干扰受信道衰落的影响而具有不确定性的情况,建立了最差情况下的鲁棒优化问题;其次,利用分式规划和拉格朗日对偶分解理论提出了一个低复杂度的鲁棒功率控制算法。仿真分析表明,提出的鲁棒功率控制算法不仅能够严格保证主用户的通信质量,并且与传统的非鲁棒功率控制算法相比能够提高网络能量效率。     

Spectrum allocation method for cognitive satellite network based on service priorities

By using spectrum allocation technology of cognitive radio into integrated satellite and terrestrial networks,the satellite communication network can share spectrum with the terrestrial network and improve utilization efficiency of frequency spectrum in the satellite communication system.Firstly,a spectrum resource sharing model in integrated satellite and terrestrial networks was introduced,and the scenery that cognitive satellite downlinks use the vacant spectrum of terrestrial network was analyzed.Then,the interference and signal model was analyzed.Finally,considering different priority types of satellite terrestrial terminals,a spectrum allocation scheme based on priority was proposed,which could ensure the total throughput in satellite downlink communication and increase the throughput of high-priority terrestrial terminals.     

Location based routing addressing mechanism of integrated satellite and terrestrial network

The ever-changing characteristics of the connection between the satellite network and the terrestrial network caused by the high-speed movement of the satellites have always been one of the most important problem that plagues the routing mechanism of the satellite network and integrated network.To address this problem,a location addressing based routing mechanism of integrated satellite and terrestrial network (LA-ISTN) was proposed.LA-ISTN exploited the user’s physical location in the user’s IP address to calculate the routing orientation.Based on the orientation,LA-ISTN could choose the best forward interface.Theoretical analysis and simulation experiments show that compared with snapshot protocol and OSPF routing protocol,LA-ISTN significantly reduces the route table storage overhead,with no routing updates cost caused by neighbor packet switching and communication.Inter-satellite route selection is not dependent on the prediction of link connection relations,with strong robustness,can always guarantee the network’s availability.     

自适应遗传算法的数据中继卫星光网络资源调度算法

以数据中继卫星光网络系统资源、任务和约束条件为参量,以任务对资源的选择为优化对象,提出了一种基于自适应遗传算法的数据中继卫星光网络资源调度算法.综合考虑多中继星、多时间窗口、多光学天线以及任务优先级要求,建立调度模型;采用当前任务调度时间的确定和后续任务可见时间窗口的更新的调度操作,对不同资源的任务集合进行调度安排并实现了可见时间窗口的动态更新,获得调度任务的总权值并将其作为参量计算适应度值,最后通过改进的自适应遗传算法对不同调度方案进行寻优.以3颗中继星、12颗用户星,6个光天线,60个任务为条件设置了仿真场景,仿真结果表明该算法在收敛速度、调度效率方面具有优势,适应于多任务、多天线的数据中继卫星光网络系统资源调度.     

快衰落信道条件下无线中继系统波束形成方案

随着设备小型化的发展趋势,天线间距较小,信道具有相关性;且假设发射端处于高速移动状态,无法获得完全信道状态信息,只能根据部分信道状态信息设计发射端波束形成方案。针对发射端和接收端配置多天线的固定增益放大转发无线中继系统,以最大化接收端信噪比为准则,设计了基于部分信道状态信息的波束形成方案,推导了系统中断概率和平均误符号率的闭合表达式,通过仿真验证了性能分析的有效性和所设计方案的优越性。在平均误符号率为10-2、相关系数为0.8时,所提方案比反馈信道状态信息的方案节约1.6 dB的信噪比。     

认知中继网络中的信道分配方法研究

认知中继网络中,对信道进行分配可以有效地提高端到端吞吐量。对三节点认知中继网络下的信道分配进行了研究。中继节点采用解码转发协议时,提出了一种次优的分配方法,将信道按信道增益排序,然后逐个地分配中继信道。中继节点采用放大转发协议时,给出了最优的信道分配方法,提出了一种次优的信道分配方法。次优方法逐个地比较中继信道采用传统协作方式传输时的端到端吞吐量、分配为双跳信道S-R和R-D链路时的端到端吞吐量完成分配。和最优方法相比,两种次优方法以较小的性能损失换取了计算复杂度的降低。给出了数值仿真,比较了两种传输方式下的端到端吞吐量性能,验证了以上方法的有效性。通过对比仿真时间,比较了最优方法和次优方法的计算复杂度。给定信道总数,对次优方法下信道分配后的比例进行了仿真,发现待分配中继信道以1/3的比例分配为直传信道;而在放大转发下,待分配中继信道几乎不被分配为双跳信道。      

Power allocation algorithm of full duplex cognitive relay network based on energy harvesting

To alleviate the shortage of spectrum resources and improve the power utilization of cognitive radio networks,a resource allocation algorithm of full duplex cognitive relay networks with energy harvesting was proposed.In the algorithm,the coefficient for power splitting of the relay and the transmit power of the secondary users were jointly optimized to maximize the throughput of the secondary users under the interference to primary users and energy harvesting constraints.Since the optimization of the algorithm was non-convex,it was transformed into two sub-optimizations,the sub-optimization of the coefficient for power splitting and the sub-optimization of the power transmitted of secondary users,which were the solvable convex sub-optimizations.Then,the final solution of the original optimization was obtained with the iterative algorithm.Simulation results show that the throughput of the proposed algorithm,can obtain 2 times throughput of the networks with half-duplex power splitting algorithm and 1.5 times throughput of the networks with full-duplex time switching algorithm.     

认知无线传感器网络中基于GSC的协作传输机制

针对无线传感器网络中单个节点能量和发射功率均受限的特点,在发送端已知信道状态信息(CSI)的条件下提出了一种基于广义选择合并算法(GSC)的协作传输机制。根据GSC算法和节点的功率受限条件来决定具体参与协作传输的节点个数,并结合信道状态和节点的剩余能量来对节点进行调度。理论分析和仿真结果表明该机制能够有效地延长网络寿命。     

Secrecy outage analysis in a hybrid cognitive relay network with energy harvesting

In this paper, we investigate the physical layer security of a hybrid cognitive relay network using an energy harvesting relay in presence of an eavesdropper. In the hybrid scheme, a secondary user (SU) as well as a cognitive relay works either in underlay or in overlay mode. In underlay, the transmit power of the SU as well as the relay is limited by the maximum acceptable interference at primary user (PU) receiver as required by an outage constraint of PU, a quality of service for PU. The secondary network consists of a decode and forward relay that harvests energy from radio frequency signal of secondary transmitter as well as PU transmitter to assist the SU in forwarding the information signal to the destination. A time switching relaying protocol is used at the relay. We evaluate the secrecy outage probability of secondary relay network assuming that channel state information of the interfering links from both the SU and relay transmitter to PU receiver is imperfect. Our results reveal the impact of imperfect channel state information, energy harvesting time, tolerable interference threshold, and PU outage constraint on the secrecy outage probability of SU.     

一种新的卫星通信网流量预测算法

在通信网络的设计中,使用基于流量预测的网络规划已成为LTE发展的必然趋势。与地面网络不同,卫星网络由于受资源受限和拓扑时变的不利影响,其流量预测算法必须能兼顾精度和效率,这令传统的地面网络预测方法已不再适用。为了解决以上问题,提出了一种新的基于小波回声状态网络的流量预测算法,该算法通过小波多尺度分解的信号处理方法屏蔽了网络流量的噪声,而后结合了无反馈的回声状态网络联合进行预测。仿真证明,新算法相比传统算法能大幅提升网络流量的预测精度和运行效率,为卫星网络的流量规划提供了强有力的决策支持。