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基于部分中继选择的能量收集双跳网络信息年龄优化

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信号处理 2023年第3期39卷 561-570页

作者：殷家祥贾向东颉满刚西北师范大学计算机科学与工程学院甘肃兰州730070 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室江苏南京210003 中山大学计算机学院广东广州510006

针对传统中继协作网络传感器节点能量受限导致信息传输延迟较高的问题,将短包通信(SPC)和能量收集技术相结合,构建了一种双跳中继无线传感器网络模型。网络中源节点和中继均需从专用能量基站收集射频信号能量以保证信息的持续传输,中继... 详细信息

针对传统中继协作网络传感器节点能量受限导致信息传输延迟较高的问题,将短包通信(SPC)和能量收集技术相结合,构建了一种双跳中继无线传感器网络模型。网络中源节点和中继均需从专用能量基站收集射频信号能量以保证信息的持续传输,中继采用半双工解码转发协议将源节点发送的状态更新信息以短包形式传递到目的节点,利用中继选择策略与最大比合并技术提出了基于时效性的最早部分中继选择方案。考虑该网络信息的新鲜度,首先,分析了SPC传输性能,推导了中继和目的节点处的平均包错误率。其次,利用顺序统计量描述了源节点到中继端数据包的重传次数,基于更新过程理论推导了网络的平均信息年龄(AoI)表达式,并采用梯度下降方法优化了影响网络平均AoI的部分参数。最后,仿真分析结果表明,优化中继数量和数据包长度可以有效提高网络信息新鲜度,同时,通过对比优化部分参数得到的最优值与贪婪方法得到的最小化平均AoI理论值,可以验证部分中继协作方案在双跳状态更新网络中的可行性。

关键词：短包通信能量收集中继协作最早部分中继选择信息年龄

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5G异构网络实现方案及物理层安全研究

5G异构网络实现方案及物理层安全研究

作者：颉满刚西北师范大学

学位级别：硕士

在过去二十多年里,移动通信技术经历了飞跃式发展,给人们的生产和生活带来了极大方便。然而,随着当前移动数据流量的指数级增长,4G网络已经无法满足持续增长的用户体验需求。面向5G的异构网络通过在传统的宏蜂窝上部署大量的低功率接入... 详细信息

在过去二十多年里,移动通信技术经历了飞跃式发展,给人们的生产和生活带来了极大方便。然而,随着当前移动数据流量的指数级增长,4G网络已经无法满足持续增长的用户体验需求。面向5G的异构网络通过在传统的宏蜂窝上部署大量的低功率接入点有效提高了网络的频谱效率、覆盖概率等性能,同时减轻了宏蜂窝负载,降低了投资成本,被认为是应对网络流量爆发式增长的关键技术之一。与此同时,随着超级计算机、量子计算机等高性能计算设备运算能力的极大改善,传统的应用层加密算法面临着极其严峻的挑战。而物理层安全技术可以通过有效利用信道的物理特性提供不依赖于计算复杂度的“绝对安全”,是增强未来5G网络安全的重要手段。为此,本论文主要针对5G异构网络的实现方案及其物理层安全问题进行研究。主要研究工作如下:首先,在大规模MIMO蜂窝与D2D双层异构网络中,提出了一种无线能量获取方案,D2D用户终端(D2D user equipment,DUE)不仅可以从蜂窝网用户终端(cellular user equipment,CUE)附近的射频(radio frequency,RF)干扰信号中获取能量,而且还可以从专用能量塔(power beacon,PB)的RF信号中获取能量。此外,给出了一种物理层安全方案,将PB发射的RF信号作为一种人工噪声,DUE和CUE已知PB发射的信号,而窃听者未知。对此,论文研究了系统的能量效率和物理层安全性能,得到了DUE获取足够能量的概率下界,以及CUE和DUE的各态历经速率和安全中断概率。研究表明,收集PB和CUE附近的RF信号可以显著改善DUE能量效率,同时将PB发射的RF信号作为一种人工噪声可以改善网络的物理层安全性能。其次,虽然上述方案可以提高网络的安全性能,但没有考虑异构网络的回程传输问题。为此,论文进一步结合带内回程全双工技术,提出了一种异构网络物理层安全实现方案,即考虑将带内无线回程传输信号作为宏蜂窝下行和小蜂窝上行传输的干扰信号。小蜂窝部署于传统的宏蜂窝之上并与其共享系统接入频带资源,大规模MIMO宏蜂窝基站和单天线小蜂窝基站工作在带内-全双工回程模式。对此,论文分别研究了宏蜂窝下行和小蜂窝上行链路的物理层安全性能。结果表明,当用户终端的强度相对较小,利用带内回程干扰可以有效提高宏蜂窝和小蜂窝传输的安全概率,且带内-全双工模式优于带外-全双工模式。除此以外,论文还分别就宏蜂窝下行和小蜂窝上行的覆盖概率进行研究,发现由于受到回程干扰的影响,带内回程削弱了异构网络的覆盖性能。最后,考虑到中继技术可以解决D2D网络覆盖范围限制的问题,论文采用中继网络代替D2D网络,设计和研究了基于中继的多层异构网络,提出了一种最小-最大用户对级联(min-max user pair association,MM-UPA)方案。首先,中继广播信号到每层网络的信源和信宿;其次,信源和信宿分别估计中继的接收信号强度;最后,用户对选择最大接收信号强度的中继进行级联。不同于传统单跳网络的用户级联,MM-UPA准则充分考虑了信源-中继和中继-信宿两跳链路增益。对此,论文研究了异构网络的用户级联概率,同时还研究了MM-UPA方案下系统的中断概率和安全概率。研究发现,信源的发射功率和偏置因子对各层用户级联概率产生不同的影响。单跳网络拥有更低的中断概率,更高的系统稳定性。此外,随着第二层网络中继和信源发射功率比的增大,整个网络安全概率逐渐增大。

关键词：异构网络能量收集带内回程用户对级联物理层安全安全概率安全中断概率

非同分布衰落环境下最大链路选择方案及性能研究

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计算机工程与科学 2017年第11期39卷 2006-2015页

作者：贾向东颉满刚周猛西北师范大学计算机科学与工程学院甘肃兰州730070 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室江苏南京210003

通过对Nakagami-m衰落环境下缓冲中继协作最大链路选择方案(MLS)的中断和延迟性能的研究,得到了中断概率和平均分组延迟的闭式解析解以及相应的分集增益和编码增益。基于所得结果,给出了中断概率和平均分组延迟的数值分析,结果表明,非... 详细信息

通过对Nakagami-m衰落环境下缓冲中继协作最大链路选择方案(MLS)的中断和延迟性能的研究,得到了中断概率和平均分组延迟的闭式解析解以及相应的分集增益和编码增益。基于所得结果,给出了中断概率和平均分组延迟的数值分析,结果表明,非同分布衰落环境不仅严重地影响了MLS方案的分集增益和编码增益,而且使得各个中继节点处的平均分组延迟也不相同,系统极不稳定。为此提出了一种新颖的基于加权的MLS(W-MLS)方案,该方案一方面使信源-中继和中继-信宿链路等效功率分别相同;另一方面使中继-信宿链路等效功率略大于信源-中继链路等效功率,这样,不仅可以保证系统获得足够的分集增益,而且可以显著地降低平均分组延迟,使得各个中继节点处的平均分组延迟完全相同,提高了系统的稳定性。

关键词：中继协作缓冲区最大链路选择中断性能延迟 Nakagami-m

大规模MIMO蜂窝网与D2D混合网络物理层安全性能研究

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重庆邮电大学学报（自然科学版） 2017年第1期29卷 19-28页

作者：颉满刚贾向东周猛西北师范大学计算机科学与工程学院兰州730070 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室南京210003

随着量子计算机等计算设备的飞速发展,传统的加密技术正面临着挑战;由于物理层安全充分利用了无线信道的特性,其被认为是一种有效的解决方案。为此,提出了一种安全的混合网络模型,其中,端到端(device-to-device,D2D)网络覆盖于大规模多... 详细信息

随着量子计算机等计算设备的飞速发展,传统的加密技术正面临着挑战;由于物理层安全充分利用了无线信道的特性,其被认为是一种有效的解决方案。为此,提出了一种安全的混合网络模型,其中,端到端(device-to-device,D2D)网络覆盖于大规模多入多出(multiple-input multiple-output,MIMO)宏蜂窝之上,被动的恶意窃听者(eavesdropper,Eve)能够窃听所有的无线信道;同时,为了提高能量效率,D2D发射机不仅可以从专用的PB(power beacon)收集能量,还可以从附近的射频干扰信号中收集能量。对此混合网络模型,假设所有网络元素的位置都服从独立泊松点过程,利用随机几何,得到了任一D2D发射机采集足够能量的概率;基于此概率,获得了蜂窝网用户和D2D用户的各态历经速率和安全中断概率。结果表明,由于D2D发射机可以从周围的射频干扰信号中采集能量,系统的能量效率得到显著提升,同时将专用PB的信号视作一种人工噪声,有效地提高了网络的安全性能。

关键词：大规模MIMO D2D 蜂窝网能量收集物理层安全人工噪声

基于带内回程的全双工大规模MIMO异构网覆盖分析

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计算机工程 2017年第7期34卷 124-128,135页

作者：贾向东颉满刚周猛西北师范大学计算机科学与工程学院兰州730070 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室南京210003

在大规模多输入多输出(MIMO)系统中,带内全双工无线回程方案能够有效复用无线电接入频谱,大幅提高网络性能。为此,基于该方案构建大规模MIMO异构蜂窝网络模型,并假设网络元素分别服从独立齐次泊松点过程,利用随机几何理论分别研究宏蜂... 详细信息

在大规模多输入多输出(MIMO)系统中,带内全双工无线回程方案能够有效复用无线电接入频谱,大幅提高网络性能。为此,基于该方案构建大规模MIMO异构蜂窝网络模型,并假设网络元素分别服从独立齐次泊松点过程,利用随机几何理论分别研究宏蜂窝下行和小蜂窝上行链路信号干扰噪声比(SINR)的覆盖概率,分析不同参数对覆盖性能的影响。仿真结果表明,带内全双工无线回程方案能够有效提高系统频谱效率,但不能改善宏蜂窝和小蜂窝网络的SINR覆盖概率。

关键词：大规模多输入多输出系统全双工蜂窝网无线回程覆盖概率随机几何

低分辨率ADCs大规模MIMOAF中继系统性能分析

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计算机工程 2017年第8期34卷 101-107,113页

作者：周猛贾向东颉满刚西北师范大学计算机科学与工程学院兰州730070 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室南京210003

在全双工大规模多入多出(massive MIMO)中继系统中,大量基站天线的数模转换给系统带来的硬件损伤和能量消耗,并且系统的性能可能会受到环路干扰的影响。为此,基于最大比传输/合并预处理方案,对多用户全双工massive MIMO放大转发中继系... 详细信息

在全双工大规模多入多出(massive MIMO)中继系统中,大量基站天线的数模转换给系统带来的硬件损伤和能量消耗,并且系统的性能可能会受到环路干扰的影响。为此,基于最大比传输/合并预处理方案,对多用户全双工massive MIMO放大转发中继系统进行研究,该系统由massive MIMO基站和多对单天线用户组成,massive M IM O基站采用低分辨数模转换且工作在全双工模式。通过随机矩阵理论,获得任一用户对各态历经速率的闭式解,并分别研究3种不同功率分配方案下的系统渐近特性。性能分析结果表明,当信源发射功率为常量且基站的发射功率与基站传输天线成反比时,系统能同时有效地遏制环路干扰和低分辨率ADCs的影响,而当信源和基站的发射功率同时与天线数成反比时,系统可抑制环路干扰的影响,但不能抑制量化噪声的影响。

关键词：多入多出全双工数模转换中继功率缩放方案

基于低分辨率模数转换的全双工大规模MIMO中继系统频谱效率分析

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信号处理 2017年第6期33卷 855-863页

作者：周猛贾向东颉满刚焦金良西北师范大学计算机科学与工程学院甘肃兰州730070 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室江苏南京210003

为了降低由于大规模基站天线阵列模数转换(analog-to-digital converters,ADCs)所造成的巨大硬件损耗,同时有效地提高系统的能量和频谱效率,基于迫零传输/迫零接收(zero-forcing transmitting/zero-forcing receiving,ZFT/ZFR)预处理方案,文章提出了低分辨率模数转换的多用户全双工大规模多入多出(massive multiple-input multiple-output,massive MIMO)中继系统,基站采用放大转发(amplify-and-forward,AF)协议,并对系统频谱效率进行了分析。文章首先获得了任一用户对频谱效率的闭式表达式,然后分别对三种不同功率缩放方案下系统的频谱效率进行了渐近分析。研究结果表明,当基站天线数量足够大时,三种不同的功率缩放方案对系统的环路干扰和量化误差有不同的影响,且当信源功率固定、基站的传输功率与发送天线数量成反比时,系统能够有效地抑制系统的环路干扰和量化误差,这对低分辨率全双工massive MIMO中继系统的部署具有一定的指导意义。

关键词：全双工大规模多入多出放大转发中继低分辨率模数转换

基于随机几何的大规模MIMO中继异构网络性能分析

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计算机工程与科学 2018年第6期40卷 1037-1045页

作者：周猛贾向东颉满刚西北师范大学计算机科学与工程学院甘肃兰州730070 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室江苏南京210003

采用随机几何理论,对大规模多输入多输出MIMO中继异构蜂窝网络HetNets的频谱效率进行了研究。其中基站采用最大比结合/最大比传输以及迫零预处理方案和放大转发AF协议,宏小区被稠密的小小区所覆盖。为了得到目标小区总的频谱效率SE,首... 详细信息

采用随机几何理论,对大规模多输入多输出MIMO中继异构蜂窝网络HetNets的频谱效率进行了研究。其中基站采用最大比结合/最大比传输以及迫零预处理方案和放大转发AF协议,宏小区被稠密的小小区所覆盖。为了得到目标小区总的频谱效率SE,首先计算了用户对的信干比SINR和功率放大因子表达式;其次获得了目标小区总的频谱效率的闭式解。研究发现,只有当小小区半径小于宏小区保护半径时,系统才能达到最优(或次优)的性能。而对于宏小区的保护半径则存在上界,即仅当满足此条件时,增大宏小区的保护半径才有助于提高系统的SE。此外,宏小区半径存在最优的下限,且仅当宏小区半径小于最优下限时,系统所实现的总的SE随着宏小区半径的增大而增大。

关键词：异构网络放大转发大规模MIMO 中继随机几何

基于大规模MIMO和D2D技术的混合网络能量效率研究

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信号处理 2017年第1期33卷 53-61页

作者：颉满刚贾向东周猛西北师范大学计算机科学与工程学院甘肃兰州730070 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室江苏南京210003

文章研究了基于大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)和端到端(device-to-device,D2D)技术的双层混合网络及其能量效率,面向D2D用户(D2D user,DU)提出了无线能量采集方案。在该混合网络模型中,宏蜂窝基站由大规模M... 详细信息

文章研究了基于大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)和端到端(device-to-device,D2D)技术的双层混合网络及其能量效率,面向D2D用户(D2D user,DU)提出了无线能量采集方案。在该混合网络模型中,宏蜂窝基站由大规模MIMO天线阵列构成,D2D网络覆盖在宏蜂窝之上,与蜂窝网共享频谱。为了保证D2D通信,系统配置了由小规模MIMO天线构成的专用能量发射基站(power beacon,PB),其通过迫零预编码向能量约束的D2D发射机传送能量;同时,为了提高网络的能量效率,DU还可以从附近蜂窝网用户(cellular user,CU)的射频(radio frequency,RF)干扰信号中采集能量。对此混合网模型和能量采集方案,文章通过假设网络中CU、DU以及PB的位置服从独立泊松点过程和利用随机几何分析方法,基于反功率控制方案得到了网络中任一D2D发射机通过采集足够能量来建立通信链路的概率,其以简单的积分形式给出。分析和数值结果表明,文章提出的无线能量采集方案由于PB的配置保证了D2D通信的可靠性;同时又因为充分利用了附近CU的RF干扰信号,有效提高了D2D用户采集足够能量的概率,节约了PB的能量,改善了系统的能量效率。

关键词：大规模MIMO D2D 能量采集射频干扰能量效率