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混合概率信道下的全双工无人机中继轨迹优化

系统仿真学报 2024年第6期36卷 1369-1377页

作者：王涛吉晓东南通大学信息科学技术学院江苏南通226019

研究了固定翼无人机作为全双工移动中继,通过混合概率信道为源节点向目标节点转发数据的飞行轨迹优化设计,在满足源与目标通信任务量要求的情况下,最小化无人机飞行能耗。建立了跑道形和混合轨迹的两种最优化问题,该问题是非凸问题,难... 详细信息

研究了固定翼无人机作为全双工移动中继,通过混合概率信道为源节点向目标节点转发数据的飞行轨迹优化设计,在满足源与目标通信任务量要求的情况下,最小化无人机飞行能耗。建立了跑道形和混合轨迹的两种最优化问题,该问题是非凸问题,难以求得闭式解,先将混合信道增益用平均信道增益代替,并利用泰勒展开求出中继和目标节点接收数据量的下界,以此化简约束,从而得到原问题的近似问题。利用遗传算法和内点法求解近似问题,给出跑道形和混合轨迹两种无人机轨迹设计。实验结果表明:跑道形轨迹在任何场景下均有较好的节能效果;在大任务量和源与目标距离较远时,混合轨迹节能效果好于直线和圆形轨迹。时间复杂度分析发现,遗传算法的复杂度小于内点法,更加适用于实时性要求高的场景。

关键词：无人机通信混合概率信道轨迹设计全双工能耗最小化

全双工模式下利用干扰抑制技术实现物理层密钥生成

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重庆邮电大学学报(自然科学版) 2024年

作者：徐鹏凌桐杨俊重庆邮电大学通信与信息工程学院移动通信技术重庆市重点实验室

针对窃听者距离合法用户非常近，此时合法信道和窃听信道的相关性极强，导致系统的可达密钥速率过低这一问题，提出了一种基于全双工（full duplex， FD）干扰抑制的物理层密钥生成方法。各节点进行信道估计，同时合法用户发送干扰来抑... 详细信息

针对窃听者距离合法用户非常近，此时合法信道和窃听信道的相关性极强，导致系统的可达密钥速率过低这一问题，提出了一种基于全双工（full duplex， FD）干扰抑制的物理层密钥生成方法。各节点进行信道估计，同时合法用户发送干扰来抑制窃听者窃取信息。合法用户在无噪的公共信道上进行密钥协商来获得密钥。利用遍历性的特征和Jensen不等式推导出了系统密钥容量下界的解析表达式。仿真结果表明，少量的干扰信号功率能够提升系统的可达密钥速率。并且证明了与传统的半双工（half duplex， HD）无干扰系统相比，有干扰的全双工系统有着显著的性能提升。

关键词：全双工物理层安全密钥生成干扰

全双工辅助的无人机上行通信抗窃听物理层安全技术研究

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现代电子技术 2024年第9期47卷 21-28页

作者：曹建勋王谋业杨胜辉黄耀森吴思凡中电科海洋信息技术研究院有限公司北京100041

针对无人机上行通信链路的窃听攻击,提出一种全双工协同干扰的安全传输策略。方案利用收发双方在数据传输不同阶段的信息差异以及掌握的先验信息特征,向待传输信号注入人工噪声信号,从而使窃听链路形成干扰受限系统。在发射功率、无人... 详细信息

针对无人机上行通信链路的窃听攻击,提出一种全双工协同干扰的安全传输策略。方案利用收发双方在数据传输不同阶段的信息差异以及掌握的先验信息特征,向待传输信号注入人工噪声信号,从而使窃听链路形成干扰受限系统。在发射功率、无人机的机动性等约束条件下,建立最大化系统保密速率的联合优化问题,基于交替优化方法和连续凸近似技术将非凸问题转化为两个子问题,并设计了一种迭代优化算法进行求解。仿真结果表明,所提安全传输方案与其他参照方案相比,能够显著提高全双工无人机中继通信系统的保密速率,表现出更好的性能。

关键词：无人机通信物理层安全全双工人工噪声通信抗窃听连续凸近似

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解码转发全双工能量收集最大的多认知中继网络能效谱效权衡

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计算机应用 2024年第4期44卷 1202-1208页

作者：毛志鹏仇润鹤东华大学信息科学与技术学院上海201620 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心上海201620

在无线携能(SWIPT)支持下的全双工多认知中继网络中,为使能效谱效最大,选择能量收集最大的中继进行解码转发,以此形成一个能效谱效权衡最优化问题,采用变量变换和凹凸过程优化方法将该问题转换为凸优化问题。当权衡因子为0时,该优化问... 详细信息

在无线携能(SWIPT)支持下的全双工多认知中继网络中,为使能效谱效最大,选择能量收集最大的中继进行解码转发,以此形成一个能效谱效权衡最优化问题,采用变量变换和凹凸过程优化方法将该问题转换为凸优化问题。当权衡因子为0时,该优化问题等价于使谱效(SE)最大的优化问题;当权衡因子为1时,该优化问题等价于使系统消耗的能量最小问题。为求解该优化问题,提出一种可以直接得到使能效(EE)最大的权衡因子的改进算法,通过联合源节点发射功率和功率分割因子进行优化。所提算法分为两步:首先固定功率分割因子,得到使EE最优的源节点发射功率和权衡因子;其次,固定最优的源节点发射功率,利用能效谱效与功率分割因子之间的关系,求得最优的功率分割因子。仿真实验结果表明,相较于剩余其他中继组成的网络,能量收集最大的中继网络在EE和SE上都更优。在能效谱效方面,与只优化发射功率的方法相比,所提算法的EE提高了63%以上,SE提高了30%以上;所提算法EE和SE与穷举法相差不大,同时算法收敛较快。

关键词：全双工认知中继能量收集能效谱效权衡因子

非完美CSI下的全双工中继网络的能效谱效均衡

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计算机应用研究 2024年第1期41卷 242-247页

作者：张茜仇润鹤东华大学信息科学与技术学院上海201620 东华大学数字化纺织服装技术教育部工程研究中心上海201620

为优化非完美信道状态信息下的解码转发全双工中继网络的能效和谱效,提出了一种基于该网络模型的能效谱效均衡策略。通过构建能量效率和频谱效率的折中优化函数,将一个非凸的多目标优化问题转换为一个凸的单目标优化问题,利用求导法和... 详细信息

为优化非完美信道状态信息下的解码转发全双工中继网络的能效和谱效,提出了一种基于该网络模型的能效谱效均衡策略。通过构建能量效率和频谱效率的折中优化函数,将一个非凸的多目标优化问题转换为一个凸的单目标优化问题,利用求导法和拉格朗日乘子法求解在不同折中因子下的最优中继发射功率。仿真结果表明,可以通过改变折中因子来优化系统的能效和谱效值,获得最优能效和谱效的性能折中。

关键词：非完美信道状态信息全双工能量效率频谱效率性能折中

部分连接宽带毫米波全双工MIMO系统混合波束成形设计

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小型微型计算机系统 2024年第4期45卷 933-942页

作者：王庚善杨志家李志航中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院网络化控制系统重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049

毫米波全双工MIMO系统是满足未来无线通信大带宽、低时延等需求的一种可行方案.本文针对采用有限精度移相器和部分连接结构的宽带毫米波全双工MIMO系统的混合波束成形问题进行研究,提出了一种可行的混合波束成形方法.首先,不考虑自干扰... 详细信息

毫米波全双工MIMO系统是满足未来无线通信大带宽、低时延等需求的一种可行方案.本文针对采用有限精度移相器和部分连接结构的宽带毫米波全双工MIMO系统的混合波束成形问题进行研究,提出了一种可行的混合波束成形方法.首先,不考虑自干扰信号,利用上行/下行各子信道的奇异值分解和注水算法得到各子带最优全数字发送和接收波束成形矩阵;然后,将得到的全数字波束成形矩阵分解为满足部分连接结构的模拟波束成形矩阵和各子带数字波束成形矩阵;最后,利用最小均方误差准则更新各子带数字接收波束成形矩阵以降低自干扰信号对频谱效率的影响.分析表明,所提方法的算法复杂度较低;仿真结果表明,所提方法的频谱效率要优于相关研究和半双工毫米波通信.

关键词：宽带毫米波全双工 MIMO 混合波束成形自干扰抑制频谱效率

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自能量回收的全双工无人机中继资源分配

小型微型计算机系统 2024年第7期45卷 1763-1769页

作者：许钧智李陶深葛志辉广西大学计算机与电子信息学院南宁530004 南宁学院信息工程学院南宁530200

针对多用户场景中无人机中继在能量受限时工作性能下降,常规优化算法未能权衡能量收集与信息解码的问题,设计一种基于无线携能通信技术的全双工自能量回收无人机中继系统,提出一种以最大化系统吞吐量为目标,联合优化时隙调度、中继发射... 详细信息

针对多用户场景中无人机中继在能量受限时工作性能下降,常规优化算法未能权衡能量收集与信息解码的问题,设计一种基于无线携能通信技术的全双工自能量回收无人机中继系统,提出一种以最大化系统吞吐量为目标,联合优化时隙调度、中继发射功率和功率分裂比的分配算法.针对原问题是非凸问题,算法采用块坐标下降法将联合优化问题分解为3个子问题,然后通过连续凸逼近的方法求出最优用户调度、最优发射功率和最优功率分裂比,得到原问题的次优解.实验结果表明,能量受限时自回收中继系统吞吐量性能优于常规中继系统;联合优化算法能更好地权衡能量收集与信息解码,最大限度提高系统吞吐量性能.

关键词：无线携能通信全双工自能量回收功率分配无人机通信

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剩余硬件损伤下非线性能量收集全双工双向中继网络的吞吐量优化算法

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计算机应用 2024年

作者：乔峰仇润鹤数字化纺织服装技术教育部工程研究中心(东华大学) 东华大学信息科学与技术学院

为符合能量收集(EH)电路的非线性输出特性和非理想硬件，在无线携能(SWIPT)全双工双向中继网络中应用一种常值-线性-常值能量收集模型并考虑剩余硬件损伤(RHIs)。针对剩余硬件损伤和剩余自干扰(RSI)对中继网络中断性能的影响，提出一种... 详细信息

为符合能量收集(EH)电路的非线性输出特性和非理想硬件，在无线携能(SWIPT)全双工双向中继网络中应用一种常值-线性-常值能量收集模型并考虑剩余硬件损伤(RHIs)。针对剩余硬件损伤和剩余自干扰(RSI)对中继网络中断性能的影响，提出一种基于黄金分割法的优化算法以提高吞吐量。首先根据分段信干噪比(SNDR)将端到端中断概率用全概率公式展开，使用求导和变量代换进行分类讨论将其化为一重积分以获得闭合表达式。所得的端到端中断概率按信干噪比阈值的大小进行分段表示，并验证了由剩余硬件损伤造成的系统协作效应(OSC)。然后由中断概率推得系统吞吐量并将其转换为关于时间切换(TS)系数的函数。最后，分析函数单调性后使用提出的优化算法以最大化系统吞吐量。仿真结果验证了分段中断概率表达式的准确性和优化算法对系统吞吐量的提升；同时相较于线性能量收集模型，全双工模式下应用非线性能量收集模型会使得系统吞吐量在高信噪比时不升反降。

关键词：全双工非线性能量收集模型剩余硬件损伤剩余自干扰吞吐量

RPON系统中高阶调制信号的全双工收发及传输研究

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RPON系统中高阶调制信号的全双工收发及传输研究

作者：刘栓凡重庆三峡学院

学位级别：硕士

机对机(M2M)通信和物联网的快速发展加速了通信业务对传输带宽的需求,未来数据通信流量将会迎来爆炸式的增长。射频光纤无线通信(ROF)技术,因为不需要额外的使用频带许可证,且能显著提高用户无线接入速率和扩大接入容量,日益受到业界重... 详细信息

机对机(M2M)通信和物联网的快速发展加速了通信业务对传输带宽的需求,未来数据通信流量将会迎来爆炸式的增长。射频光纤无线通信(ROF)技术,因为不需要额外的使用频带许可证,且能显著提高用户无线接入速率和扩大接入容量,日益受到业界重视。而且,目前无源光网络(PON)接入技术已经广泛应用,并服务了电信级“光纤到户”的建设工作,不但能够满足用户所需要的多类业务接入需求,而且也因为其系统成本低、服务范围广、电磁辐射小等特点日益受到关注。尤其值得注意的是,国内外一些研究机构已将ROF和PON两类系统融合演进形成射频无源光网络(RPON)接入系统进行研究和初步应用,以充分发挥光纤资源海量带宽和无线接入无处不在的应用优势。为实现带宽的有效利用和无线频谱资源共享,并满足终端多用户灵活接入和高速传输信息的需求。本文对RPON系统中高阶调制信号的全双工收发及传输进行了分析和研究,主要研究工作内容总结为以下三个方面:(1)全双工RPON系统中的高阶调制信号分析在全双工RPON系统中,设计并研究了非归零码(NRZ)信号下行和脉冲幅度调制(PAM-4)信号上行传输方案;为分析径向基(RBF)神经网络信道估计模型的性能,研究了PAM-N信号下行和双二进制(DB)信号上行的全双工RPON系统;针对16/32QAM-OFDMA信号下行和上行非正交多址(NOMA)信号的全双工双向光纤RPON系统进行了分析和研究;研究了最小频移键控(MSK-N)下行信号和曼彻斯特码(MAN)上行信号的全双工RPON系统;研究了PDMCSDSB调制在光载无线传输系统中的应用。将不同高阶信号在全双工RPON系统中进行实验,结果表明:高阶调制信号能够提高频带利用率和系统灵敏度以及降低系统成本。(2)全双工RPON系统中神经网络分析搭建了神经网络在全双工RPON系统中的自适应模型,将高阶调制信号在全双工RPON系统中所产生的数据进行筛选以及训练,并通过分析样本数据提取了信道特征进行分析。在完成信道估计后,对仿真实验数据进行了优化,为验证在全双工RPON系统中遗传算法(GA)改进RBF神经网络对其影响,对比信噪比和误码率的关系;研究结果表明:采用RBF神经网络信道估计方法能降低接收信号误码率(接收性能优于其它传统算法),其中GA优化RBF神经网络算法的应用效果更优。(3)全双工MIMO-NOMA蜂窝小区的中继节点分析对神经网络在带中继节点的多输入多输出-非正交多址(MIMO-NOMA)全双工蜂窝小区通信链路进行了分析,构建了全双工RPON蜂窝小区模型。采用信道估计方法对通信链路传输的吞吐量,功耗以及能效进行了验证;研究了LS、NN和GA优化的RBF神经网络在带中继节点和不带中继节点的全双工RPON系统中的RBF神经网络;比较研究了全双工MIMO-NOMA系统与MIMO-OMA系统;证明采用MIMO-NOMA的方案后频谱增益较高,能保证接收功率较低者的用户获得高传输吞吐量。本课题的研究工作有效提升了无线通信系统的传输容量和改善了全双工高速信号的收发性能,为今后射频无源光网络的发展和应用提供了参考。

关键词： RPON 高阶调制信号全双工神经网络模型信道估计