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微波学报 2024年

作者：刘志勇赵勋旺张依轩陈曦西安电子科技大学陕西省超大规模电磁计算重点实验室

针对天线阵列中给定副瓣电平下的波束宽度优化综合问题，本文提出了一种基于迭代自适应凸优化的天线阵列方向图综合方法，并给出了该算法的流程。在给定副瓣电平的情况下，通过凸优化算法对天线阵列方向图进行优化，并使用了二分的策略... 详细信息

针对天线阵列中给定副瓣电平下的波束宽度优化综合问题，本文提出了一种基于迭代自适应凸优化的天线阵列方向图综合方法，并给出了该算法的流程。在给定副瓣电平的情况下，通过凸优化算法对天线阵列方向图进行优化，并使用了二分的策略对波束宽度进行迭代搜索，实现了对控制副瓣电平下的波束宽度优化综合。首先，本文通过对方向图主瓣添加约束条件保证了最大辐射方向指向目标方向；其次，本文采用了切比雪夫激励分布方向图对应的主瓣零功率波束宽度作为初始波束宽度的参考点；最后，当初始化副瓣电平过低导致方向图主瓣发生畸变时，该算法通过优化得到了天线阵列所能实现的最低副瓣电平下的方向图。仿真结果表明，所提算法能够得到合理的给定副瓣电平下的阵列天线最窄笔形波束方向图。在理想点源结果的基础上，引入实际天线阵列进行全波仿真分析，验证了该方法的可行性。

关键词：天线阵列波束宽度优化副瓣电平凸优化二分策略

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毫米波车联网中的波束管理算法研究与仿真

毫米波车联网中的波束管理算法研究与仿真

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作者：陈珊珊西南交通大学

学位级别：硕士

随着车联网技术的发展,越来越多的V2X（Vehicle to Everything,V2X）用例需要满足高可靠低时延和高数据速率的特殊要求,而当前的低频段（5.9GHz）不能满足该要求,毫米波频段具有带宽大、可靠性高、波束窄和方向性好等优点,能够支持高可... 详细信息

随着车联网技术的发展,越来越多的V2X（Vehicle to Everything,V2X）用例需要满足高可靠低时延和高数据速率的特殊要求,而当前的低频段（5.9GHz）不能满足该要求,毫米波频段具有带宽大、可靠性高、波束窄和方向性好等优点,能够支持高可靠、低时延和高数据速率的V2X用例,所以引入毫米波频段来辅助传输。然而,如何保持毫米波收发波束动态对准是移动车辆的一大挑战。目前,现有的波束管理算法大都是针对车辆到基础设施单元V2I（Vehicle-to-Infrastructure,V2I）的广播场景,而对于车车通信V2V（Vehicle-to-Vehicle,V2V）的单播和多播场景研究较少,V2V通信场景具有特殊性,因为收发车辆都在移动,所以研究该场景下的波束管理算法具有更大的挑战。本文首先提出了毫米波V2V单播场景下的波束管理算法,采用低频辅助的毫米波通信系统,利用随机森林算法来预测车辆位置,然后再基于位置误差模型对波束宽度优化问题进行建模,目标问题建模为最大化平均可达信息速率,通过一系列证明,发现该问题为拟凹问题,提出了基于二分的波束宽度优化算法,最后将优化的波束管理方案与传统的波束管理方案作对比,仿真结果表明优化后的波束管理方案能够有效地提升V2V网络通信的有效平均可达信息速率,有助于实现移动车辆的波束动态对准。最后提出了毫米波V2V多播场景下的波束管理算法,主要研究了波束宽度和功率分配优化问题。为了保证车辆通信的公平性,遵从最大最小设计原则,将优化问题建模为最大最小可达信息速率。将问题分成两步求解,第一步是假设当车辆的发射波束功率一定时,求解最优的波束宽度;第二步是假设当最优波束宽度一定时,优化发射波束功率分配,通过将目标优化问题转为一个拟凹问题,提出了基于二分的功率分配优化算法。仿真结果表明,联合优化波束宽度和波束功率分配的算法优于传统的固定波束宽度和固定功率分配的算法。所提波束管理方案在最大最小信干噪比或者中断概率方面都优于传统方案,能够较好地提升车辆间的通信质量。

关键词：毫米波V2V通信波束宽度优化单播/多播随机森林功率分配

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空地异构无线网络容量和干扰管理方案研究

空地异构无线网络容量和干扰管理方案研究

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作者：吕瑞玲西安电子科技大学

学位级别：硕士

日益增长的数据流量需求推动着移动通信网络不断演进升级。小型无人机搭载空中基站具有成本低廉、灵活易部署以及视距连接等优点,在提升无线网络覆盖和容量方面具有潜在优势。然而,能否充分利用无人机空中基站带来的空间复用增益取决于... 详细信息

日益增长的数据流量需求推动着移动通信网络不断演进升级。小型无人机搭载空中基站具有成本低廉、灵活易部署以及视距连接等优点,在提升无线网络覆盖和容量方面具有潜在优势。然而,能否充分利用无人机空中基站带来的空间复用增益取决于无人机的移动性、飞行高度和部署密度以及波束宽度等多方面因素。因此,本文将探索无人机空中基站的加入对地面蜂窝网络性能产生的影响,分析关键网络参数对空地异构无线网络性能的作用机理,提出两种高效干扰管理方法提升网络性能。本文以能够有效表征无线网络容量的空间吞吐量这一指标为出发点,利用随机几何理论、概率论和优化理论等相关知识,对地面基站和无人机空中基站构成的空地异构无线网络性能进行了系统研究。主要研究内容及贡献如下:1.面向无人机空中无线网络(无人机搭载空中基站),考虑毫米波无线回程,建立了无人机盘旋半径、密度、波束宽度以及回程容量等网络参数与网络空间吞吐量的数学关系,分析了影响无人机空中无线网络性能的主要因素,提出了无人机基站波束宽度优化方法减轻网络干扰。研究发现,当无人机因盘旋而远离其关联用户时,有用信号功率衰减将增大,可能会造成用户连接不稳定。因此,用户关联方式对无人机网络性能具有重要影响。本文对比了两种典型关联策略(实时最近关联和半实时最近关联)下无人机空中无线网络性能。结果表明,实时最近关联策略时用户与水平距离最近的无人机基站关联,回程不受限情况下网络空间吞吐量不受无人机盘旋移动性影响,但增加了切换开销。然而,半实时最近关联策略下用户始终与盘旋中心水平距离最近的无人机基站关联,网络空间吞吐量随无人机盘旋半径增加而下降。此外,过度部署无人机空中基站将增大网络覆盖重叠,进而导致严重的空地干扰,恶化网络空间吞吐量性能。为减轻干扰,本文进一步设计了覆盖面积等效策略对无人机基站波束宽度进行优化。特别地,在回程不受限情况下,令无人机基站波束宽度随其密度的平方根成反比增加,网络空间吞吐量将随无人机密度增加而增加。2.本文进一步分析了地面基站和无人机空中基站构成的空地异构无线网络的空间吞吐量性能,给出了增设无人机基站能够提升网络容量的可行域,提出了空地异构无线网络的优化部署方案,并基于该异构网络中干扰结构新特征设计并优化了干扰管理方案。首先,基于空地异构无线网络空间吞吐量表达式,分析了无人机飞行高度及其部署密度对异构无线网络容量的影响,获得了增设无人机基站能够提升网络容量的可行域。为优化异构无线网络空间吞吐量,给出了无人机临界密度和飞行高度上限。无人机基站过密部署或者飞行高度过高,跨层干扰将占主导作用,恶化异构无线网络空间吞吐量性能。为缓解跨层干扰对异构无线网络空间吞吐量性能的影响,充分利用无人机空中基站的空间复用增益,本文设计并优化了基于概率的干扰避免策略。具体地,在每个时隙的开始,对无人机基站依概率保持激活。无人机基站依概率休眠,一方面可以减小跨层干扰对网络性能的影响,另一方面将有助于节能,增加无人机飞行时间。结果表明,采用优化的无人机基站激活概率,可以显著改善异构无线网络空间吞吐量性能,甚至无人机密集部署时,仍然可以有效缓解跨层干扰对网络性能的影响,空间吞吐量随无人机密度增加呈现出先增加后逐渐收敛的趋势。以上研究结果能够为空地异构无线网络的部署提供理论指导。

关键词：无人机空中基站空地一体化网络容量波束宽度优化干扰管理

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