【摘要】：作為眾多無線新技術之一,協(xié)作通信不僅在提高系統(tǒng)傳輸速率、抵抗多徑衰落以及增強通信質量上具有明顯的優(yōu)勢,而且可以在不增加硬件成本的前提下獲取相應的分集增益,提高無線通信系統(tǒng)的有效性和可靠性,滿足用戶日益增長的對實時多媒體業(yè)務的需求,因此受到了廣泛的關注和研究。目前的研究內(nèi)容主要涉及協(xié)作通信中的無線資源分配、中繼選取、物理層安全、能量采集以及節(jié)點間社交關系等問題,這些問題仍然是協(xié)作通信研究中的熱點和難點。針對上述研究熱點,本文對協(xié)作通信中若干關鍵技術開展了深入地探索和研究,主要研究成果和創(chuàng)新點如下:1、研究了多個多天線放大轉發(fā)中繼系統(tǒng)中稀疏波束成形的設計問題,其方法是基于壓縮感知中組稀疏的相關概念,借助混合的2 1?/?范數(shù)正則化形式設計每個中繼的波束成形向量,在選擇適當數(shù)目的中繼參與協(xié)作傳輸?shù)耐瑫r,最大化目的節(jié)點的信噪比性能。基于近端梯度算法,我們有效地解決了本文所研究的優(yōu)化問題,并給出了該算法收斂性證明。仿真結果表明,本文所提出的算法能夠有效地平衡活躍中繼的數(shù)目和目的節(jié)點信噪比性能之間的關系,在獲得較好的信噪比性能的同時,還可以減少中繼節(jié)點的使用數(shù)目,進而降低了網(wǎng)絡中的信息交互量和反饋信息量,并且減少了中繼功率的消耗。2、結合物理層安全概念和無線信息和能量同時傳輸技術,研究了多個無線供能中繼系統(tǒng)中安全速率最大化的問題,其中活躍狀態(tài)下的中繼節(jié)點可以基于能量分配技術采集能量以協(xié)助源點和目的節(jié)點通信,而空閑狀態(tài)下的中繼則被視作潛在的竊聽者。因為此時空閑狀態(tài)下的中繼存在最大化其接收信噪比以提高竊聽速率而非進行能量采集的可能性。為了保證源點和目的節(jié)點間的安全通信,目的節(jié)點在源點傳輸合法信息的同時,也發(fā)射人工噪聲以干擾這些潛在的竊聽者。值得注意的是,人工噪聲不僅削弱了空閑中繼的信道質量,而且還為活躍的中繼節(jié)點提供了可采集的能量源,從而可以有效地提高系統(tǒng)對人工噪聲的利用率。針對本文所研究問題的非凸性,我們基于該優(yōu)化問題特殊的結構性質,提出了塊式罰函數(shù)方法,不僅解決了所研究模型中安全速率最大化的問題,而且證明了該算法可以收斂到問題的局部最優(yōu)解。仿真結果驗證了算法的有效性和可靠性,與對比算法相比,本文所提出的算法能夠獲得更高的安全速率。3、進一步結合無線信息和能量同時傳輸技術,研究了不可信任中繼網(wǎng)絡中的物理層安全問題。假定除了中繼節(jié)點是無線供能的(即進行能量采集以幫助源點和目的節(jié)點通信),源點和目的節(jié)點都具有恒定電源。與之前考慮的中繼節(jié)點行為不同,該中繼是不可信任的,利用其特殊的地理位置和轉發(fā)作用,成為了系統(tǒng)中潛在的竊聽者。因此,與之前研究方法類似,在源點傳輸合法信息的同時,目的節(jié)點也發(fā)射人工噪聲干擾不可信任中繼,以更好保證安全通信。在本文中,我們研究了無線供能非可信任中繼系統(tǒng)中的安全速率最大化問題,基于半正定規(guī)劃的相關知識,提出了兩種算法(全局最優(yōu)算法和局部最優(yōu)算法),通過優(yōu)化中繼的能量分配比例和波束成形,提高了系統(tǒng)的安全速率。全局最優(yōu)算法和局部最優(yōu)算法所得到的系統(tǒng)性能遠好于對比算法(即簡單的放大轉發(fā)方法)所得到的性能。此外,與全局最優(yōu)算法相比,局部最優(yōu)算法相對更加高效,其在可獲得較高系統(tǒng)安全速率的同時,只需要很少的計算時間。4、研究了用戶之間的可信度對用戶協(xié)作策略的影響。以往文獻一般根據(jù)用戶的業(yè)務量需求及其信道質量來選擇協(xié)作用戶,通常假定這些被選中的作為中繼的用戶,會愿意幫助其他用戶進行通信,因為它們期望在將來當信道質量不好時也可以得到其他用戶的協(xié)助。然而,實際上從用戶中繼的角度而言,參與協(xié)作通信的動機相對比較微妙,由于每個移動終端都隸屬于個人,人和人之間的社交關系自然而然地會影響用戶終端或設備之間的協(xié)作策略和方式。因此,除了考慮中繼用戶信道質量與業(yè)務量需求之外,我們在設計傳輸策略時,需要進一步考慮用戶之間的關系,如可信度等。在本文中,我們研究了一個存在兩個用戶對(即用戶1的發(fā)射機Tu1、用戶2的發(fā)射機Tu2和它們各自對應的接收機Ru1和Ru2)的場景,在考慮了相應的協(xié)作用戶也有傳輸需求的情況下,基于用戶之間(即Tu1和Tu2)的可信度設計了用戶之間的協(xié)作策略,并根據(jù)Tu1和Tu2天線數(shù)目的不同,分別研究了對應的三種場景(單輸入單輸出、多輸入單輸出和多輸入多輸出)中可信度對用戶功率分配以及波束成形設計的影響。仿真結果表明,隨著用戶間的可信度提高,協(xié)作用戶在滿足自己傳輸需求的情況下,將更多地幫助用戶進行傳輸,使其獲得更高的期望可達速率。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5

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本文編號：2485916