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STAR-RIS辅助通信感知一体化系统联合波束成形设计

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数据采集与处理 2024年第1期39卷 140-153页

作者：朱小双傅友华南京邮电大学电子与光学工程学院南京210023 南京邮电大学柔性电子(未来技术)学院南京210023 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室南京210023

提出同时将透射和反射可重构智能表面(Simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces,STAR-RIS)与通信感知一体化(Integrated sensing and communication,ISAC)系统结合,以实现全空间的通信与感知。同时在STAR-RIS上应用一种低成本的传感器实现了在STAR-RIS上进行目标感知,解决了雷达感知的严重路径损耗问题。基于此,本文研究了STAR-RIS辅助位于STAR-RIS两侧的多用户多输入单输出(Multi-usermulti-input single-output,MU-MISO)以及一个位于STAR-RIS透射侧的目标的ISAC系统,旨在联合优化STAR-RIS的被动波束成形矩阵和ISAC基站处的主动波束成形矩阵,以最大化用户的通信和速率,同时满足目标感知的最低信噪比要求。为了解决优化过程中的非凸问题,提出了一种基于分式规划的块坐标上升算法,将优化变量分为几个块变量交替优化。在迭代优化后续波束成形问题上,应用了连续凸逼近和半正定松弛算法。与传统的可重构智能表面相比,仿真结果验证了在ISAC系统中部署STAR-RIS的优点。同时将所提的基于分式规划的算法与基于加权最小均方误差的算法进行了对比并验证了所提算法在提高通信和速率上的优势和有效性。

关键词：通信感知一体化同时透射和反射可重构智能表面波束成形分式规划块坐标上升

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基于多IRS辅助的MIMO网络安全通信

南京邮电大学学报（自然科学版） 2022年第5期42卷 29-35页

作者：朱睿傅友华南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院江苏南京210023

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)可以通过调整反射元件的相移来反射信号,可以用来增强期望信号或者抑制不期望信号,在安全通信领域有着广阔的应用前景。文中研究了一种由多IRS辅助的多输入多输出(Multiple-Input Multip... 详细信息

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)可以通过调整反射元件的相移来反射信号,可以用来增强期望信号或者抑制不期望信号,在安全通信领域有着广阔的应用前景。文中研究了一种由多IRS辅助的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)安全通信系统,建立了多IRS辅助安全通信系统中最大化保密速率的优化问题,该优化问题可以通过交替优化将其解耦为两个子问题,然后再分别设计发射端的波束形成矩阵和IRS的反射相移矩阵,从而最大化合法通信者的保密率。基于广义瑞利商,文中提出了一种改进的交替优化算法,在优化IRS的反射相移矩阵时,对所得的最优解进行归一化,使其满足约束,然后代入交替优化中进行循环。仿真结果表明,在IRS反射元件数量规模较大时,该算法的性能要明显优于现有算法。

关键词： MIMO安全通信多IRS 交替优化瑞利商

NOMA无线通信系统中基于用户数自适应分组配对算法

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2022年第3期42卷 44-51页

作者：魏代旺傅友华南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院江苏南京210023 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室江苏南京210023

非正交多址(Non⁃Orthogonal Multiple Access,NOMA)系统中,针对传统远近配对成功率低导致系统吞吐量小的问题,提出一种新的用户配对算法,该算法可根据用户的数目自适应选择最优分组进行配对。首先基于用户信道增益的大小将用户排序,然... 详细信息

非正交多址(Non⁃Orthogonal Multiple Access,NOMA)系统中,针对传统远近配对成功率低导致系统吞吐量小的问题,提出一种新的用户配对算法,该算法可根据用户的数目自适应选择最优分组进行配对。首先基于用户信道增益的大小将用户排序,然后根据用户的数目将用户划分为多种不同的偶数组,在每种偶数组下,将偶数组的前一半与后一半按照固定方式进行配对,最终找出最优的偶数组配对组合。此外,为进一步提高系统吞吐量,根据NOMA用户的信道好坏进行了动态的功率分配。仿真结果证明,所提算法在提高用户的配对数及系统吞吐量上具有优势。

关键词：用户配对最优分组偶数组功率分配

基于可学习权重衰减的大规模MIMO信号检测

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2022年第1期42卷 45-52页

作者：武苗苗傅友华南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院江苏南京210023 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室江苏南京210023

大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统随着天线数的增加,信号检测的计算复杂度随之提高,使用更深层次的神经网络并不会显著提高检测性能,因此设计一种低复杂度、高性能的检测算法尤为重要。文中提出了一种基于... 详细信息

大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统随着天线数的增加,信号检测的计算复杂度随之提高,使用更深层次的神经网络并不会显著提高检测性能,因此设计一种低复杂度、高性能的检测算法尤为重要。文中提出了一种基于深度神经网络的大规模MIMO信号检测算法。该神经网络基于投影梯度下降算法展开,并引入了单调非递增函数,在训练期间可以动态地对权重进行优先级排序,从而保留重要的权重,将不重要的权重进行衰减。为了进一步提高检测性能,防止梯度消失,将单调非递增函数设置为可训练参数,在网络训练中对其值进行优化。仿真结果表明,所提出的学习算法收敛速度快,并且在检测精度方面优于大规模MIMO独立同分布模型(Massive MIMO-independent identically distributed,MMNet-iid)和最小均方误差算法。

关键词：大规模多输入多输出系统信号检测深度神经网络单调非递增函数

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IRS辅助的通感一体化系统的安全通信

信号处理 2023年第7期39卷 1194-1202页

作者：傅友华卞晓晨南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院江苏南京210023 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室江苏南京210023

本文研究了智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助通感一体化(Integrated Sensing and Communication, ISAC)系统的安全通信。其中基站希望在IRS的帮助下,在窃听用户存在的情况下向合法用户发送消息并同时检测可信目标... 详细信息

本文研究了智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助通感一体化(Integrated Sensing and Communication, ISAC)系统的安全通信。其中基站希望在IRS的帮助下,在窃听用户存在的情况下向合法用户发送消息并同时检测可信目标。本文的目的是联合设计基站的发射波束形成向量和IRS的反射波束形成向量,以最大化保密速率,同时满足检测目标所需信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)阈值、发射功率约束和IRS反射系数的单位模约束。为了解决这个复杂的非凸问题,本文提出了一种基于半正定松弛(Semidefinite Relaxation, SDR)和交替优化的有效算法来解决该问题。仿真结果表明,该系统既可以提供有效的目标检测,保证预定义的SNR阈值,也可以提供安全的通信。同时证实了与没有IRS的方案相比,IRS辅助实现了更高的保密速率,也表明了在ISAC系统中部署IRS的优势和所提出算法的有效性。

关键词：通感一体化智能反射面安全通信半正定松弛

STAR-RIS辅助ISAC系统波束赋形优化方法

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小型微型计算机系统 2023年

作者：朱小双傅友华南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室

本文提出了将通信感知一体化（integrated sensing and communication， ISAC）系统与同时透射和反射可重构智能表面(simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces， STAR-RIS)相结合的系统模型，解决了传统可重构智能表面RIS不能实现全空间通信与感知的问题；同时考虑在STAR-RIS上安装低成本的专用传感器以实现ISAC系统在STAR-RIS上执行目标感知的一种新颖有源架构，解决了雷达感知的严重路径损耗问题。本文旨在联合优化ISAC基站处的波束赋形和STAR-RIS的无源波束赋形，以最大化通信用户的加权和速率(weighted sum rate， WSR)，同时保证感知性能的最低信噪比(signal-to-noise ratio， SNR)。为了解决该复杂非凸优化问题，交替优化基站波束赋形及STAR-RIS无源波束赋形。针对所提的满足雷达感知SNR最低要求下最大化WSR问题，基站处波束赋形的优化子问题等价为加权最小均方误差(weighted minimum mean square error， WMMSE)问题，STAR-RIS处无源波束赋形优化子问题等价为分式规划(fractional programming， FP)问题。进一步，分别将优化的非凸子问题转化为二次约束二次规划(quadratic constraint quadratic programming， QCQP)，并使用半正定松弛(semidefinite relaxation， SDR)技术将它们分别转化为凸的半正定规划(semidefinite programming， SDP)子问题进行迭代求解。仿真结果验证了所采用新型STAR-RIS辅助ISAC方案的优点和所提算法在提高WSR性能上的有效性。

关键词：通信感知一体化同时透射和反射可重构智能表面波束赋形加权最小均方误差分式规划

IRS辅助毫米波MIMO系统波束赋形优化的低复杂度方案

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信号处理 2022年第9期38卷 1965-1974页

作者：王长江傅友华南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院江苏南京210023 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室江苏南京210023

智能反射表面(intelligent reflective surface,IRS)被认为是无线通信网络的前景技术之一。然而由于IRS无源波束赋形优化受到本身所具有的非凸恒模约束,现有工作在IRS辅助的多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统中的... 详细信息

智能反射表面(intelligent reflective surface,IRS)被认为是无线通信网络的前景技术之一。然而由于IRS无源波束赋形优化受到本身所具有的非凸恒模约束,现有工作在IRS辅助的多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统中的研究只能得到次优解且具有较高的复杂度。本文考虑一个单用户IRS辅助通信的毫米波MIMO系统,为了最大化频谱效率,优化通信接入点AP(access point)端有源和IRS端无源波束赋形矩阵。首先将有源和无源波束赋形矩阵解耦,得到AP的最优有源波束赋形解,将IRS无源波束赋形设计问题推导为一个非凸二次约束二次规划(quadratically constrained quadratic programming,QCQP)问题;采用低复杂度的连续闭式解(successive closed form,SCF)算法求解IRS无源波束赋形矩阵,为了衡量SCF算法性能,分析对比了现有的最优分支界定(branch and bound,BnB)算法。仿真结果验证了SCF算法在IRS相移连续和离散时均能在较低复杂度达到较高的频谱效率性能。

关键词：智能反射表面无源波束赋形恒模约束连续闭式解分支界定

基于最优波束成型的中继增强型无线通信系统的性能分析

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电子与信息学报 2010年第8期32卷 1926-1931页

作者：傅友华赵睿杨绿溪东南大学信息科学与工程学院南京210096

考虑一对多天线的信源信宿通过一个单天线的放大前传(AF)中继辅助通信的两跳半双工无线网络。假设通信终端完全获知信道状态信息(CSI)。该文提出了该中继系统的最优波束成型方案,然后对采用此方案时的系统接收信噪比作高SNR下的统计特... 详细信息

考虑一对多天线的信源信宿通过一个单天线的放大前传(AF)中继辅助通信的两跳半双工无线网络。假设通信终端完全获知信道状态信息(CSI)。该文提出了该中继系统的最优波束成型方案,然后对采用此方案时的系统接收信噪比作高SNR下的统计特性分析,推导出瑞利平衰落信道下系统的遍历容量上界和平均误符号率(ASEP)的闭合表达式,并得出相应的分集度和阵列增益。理论分析结果显示了系统性能与天线数和发射功率的确切关系,并且在高SNR时不同的调制方式不影响分集度,只改变阵列增益。蒙特卡罗(MonteCarlo)数值仿真结果验证了理论分析的正确性。

关键词：无线通信中继协作波束成型遍历容量上界平均误符号率分集

大规模MIMO NOMA系统中联合功率分配的用户配对

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2020年第2期40卷 72-80页

作者：张伟傅友华南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院江苏南京210023 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室江苏南京210023

文中探讨了大规模MIMO非正交多址(NOMA)网络中的用户配对问题。在上行链路,基站根据大尺度衰落系数来完成用户配对,配对的两个用户共享同一个导频,在下行链路,配对的两个用户采用NOMA的形式发送数据。由于用户配对固有地与功率分配交织... 详细信息

文中探讨了大规模MIMO非正交多址(NOMA)网络中的用户配对问题。在上行链路,基站根据大尺度衰落系数来完成用户配对,配对的两个用户共享同一个导频,在下行链路,配对的两个用户采用NOMA的形式发送数据。由于用户配对固有地与功率分配交织,故根据用户的服务质量(QoS)要求,优化边缘用户(EU)和中心用户(CU)之间的用户配对和功率分配,旨在最大化系统的吞吐量,这是混合整数规划问题。为了解决这个非凸问题,首先利用交替优化的方法获得最优功率分配矩阵,进而计算出速率矩阵;然后基于匈牙利算法提出最佳用户匹配方案,且考虑到匈牙利算法用户之间的竞争问题,提出一种低复杂度的用户配对算法。仿真结果表明,在大规模MIMO NOMA系统中,提出的用户配对的NOMA的性能明显优于正交多址(OMA),并优于采用随机用户配对的NOMA的性能。

关键词：大规模MIMO 非正交多址(NOMA) 用户配对功率分配