多用戶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的干擾對(duì)齊和物理層安全研究.pdf

1、在過(guò)去的數(shù)年間，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中用戶規(guī)模的快速增長(zhǎng)及業(yè)務(wù)種類的不斷豐富使得多用戶干擾和無(wú)線傳輸安全的問題日趨嚴(yán)重。干擾對(duì)齊和物理層安全技術(shù)由于分別能夠進(jìn)行有效的干擾管理和抗竊聽傳輸，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，逐漸成為無(wú)線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。干擾對(duì)齊的核心思想是通過(guò)設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)使得接收端收到的干擾盡可能地對(duì)齊在一個(gè)維數(shù)較低的子空間，同時(shí)讓有用信號(hào)占據(jù)不被干擾的子空間，從而最大化自由度。物理層安全則是從信息傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，一方面為合法用戶提

2、供可靠通信，另一方面使得竊聽者無(wú)法從其截獲的信號(hào)中獲取任何有用消息。本文針對(duì)多用戶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的干擾對(duì)齊和物理層安全分別展開研究。論文的主要工作概括如下：
　　1．干擾對(duì)齊的研究通?？紤]多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系統(tǒng)，而 MIMO系統(tǒng)在配置多根天線的同時(shí)需要多套較為昂貴的射頻鏈路。因此，如何聯(lián)合設(shè)計(jì)天線選擇與干擾對(duì)齊是保證干擾管理質(zhì)量的同時(shí)降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本的關(guān)鍵。針對(duì)多小區(qū)

3、MIMO蜂窩網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路，首先給出了一種利用基站控制器進(jìn)行聯(lián)合基站天線選擇與迭代干擾對(duì)齊的處理流程，分析了面向迭代干擾對(duì)齊的最優(yōu)基站天線選擇方案。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真并分析迭代干擾對(duì)齊算法的收斂特性，提出了一種基于貪心搜索策略與部分迭代機(jī)制的低復(fù)雜度基站天線選擇方案。復(fù)雜度分析與仿真結(jié)果表明，該方案能夠獲得接近于最優(yōu)基站天線選擇方案的用戶和速率性能，且需要的計(jì)算復(fù)雜度較低。此外，通過(guò)調(diào)整部分迭代次數(shù)，該方案可以達(dá)到用戶和速率性能與計(jì)算

4、復(fù)雜度的折中。
　　2．現(xiàn)有大多數(shù)干擾對(duì)齊算法著眼于將接干擾約束并對(duì)齊到一個(gè)低維的子空間，卻沒有考慮有用信號(hào)的強(qiáng)度。針對(duì)多用戶對(duì)MIMO干擾網(wǎng)絡(luò)，為了進(jìn)一步提高干擾對(duì)齊所能獲得的用戶和速率性能，將格拉斯曼流形優(yōu)化引入到干擾對(duì)齊設(shè)計(jì)中，提出了一種新型的不需要信道互易性成立的干擾對(duì)齊算法。該算法結(jié)合極端特征值方法和格拉斯曼流形上最速下降法，同時(shí)最小化干擾子空間和干擾張成的子空間的距離，以及期望信號(hào)子空間和有用信號(hào)張成的子空間的距離，從

5、而將干擾和有用信號(hào)分別對(duì)齊到各自相應(yīng)的子空間，在對(duì)齊干擾的同時(shí)保證了有用信號(hào)的強(qiáng)度。仿真結(jié)果表明，該算法能夠有效地增加用戶和速率，其性能優(yōu)于交替最小化干擾對(duì)齊以及聯(lián)合有用信號(hào)的干擾對(duì)齊算法，并且通過(guò)合理地選取步長(zhǎng)的衰減因子，可以達(dá)到用戶和速率性能與收斂速度的折中，這表明該算法具有較強(qiáng)的靈活性。
　　3．迭代干擾對(duì)齊需要假設(shè)本地信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）和干擾協(xié)方差矩陣已知，而這些先驗(yàn)

6、信息要通過(guò)復(fù)雜的訓(xùn)練過(guò)程才能獲得。從實(shí)際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，有必要研究迭代干擾對(duì)齊的低復(fù)雜度分布式實(shí)現(xiàn)方法。針對(duì)多用戶對(duì)MIMO干擾網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于復(fù)數(shù)域快速數(shù)據(jù)投影子空間跟蹤方法的低復(fù)雜度分布式迭代干擾對(duì)齊算法。在不需要本地 CSI和干擾協(xié)方差矩陣先驗(yàn)信息的情況下，該算法直接通過(guò)干擾子空間跟蹤的訓(xùn)練過(guò)程來(lái)迭代設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣和干擾抑制矩陣。復(fù)雜度分析和仿真結(jié)果表明，該算法能夠以較低的計(jì)算復(fù)雜度為代價(jià)，獲得接近于原始迭代干擾對(duì)齊的用戶

7、和速率性能。在此基礎(chǔ)上，將所提出的算法進(jìn)一步擴(kuò)展到包含多個(gè)次級(jí)用戶對(duì)的MIMO認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，給出了一種采用分層預(yù)編碼設(shè)計(jì)的分布式迭代干擾對(duì)齊算法。該算法能夠在避免次級(jí)用戶對(duì)主用戶產(chǎn)生干擾的同時(shí)，消除次級(jí)用戶間的干擾。
　　4．在無(wú)線攜能通信網(wǎng)絡(luò)中，能量接收端可能在進(jìn)行無(wú)線充電的同時(shí)竊聽未授權(quán)的發(fā)送給信息接收端的消息。因此，研究如何利用物理層安全技術(shù)在保證無(wú)線充電質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)安全信息傳輸很有必要。針對(duì)存在多個(gè)信息接收端和能量接收端的

8、多播場(chǎng)景，首先給出采用秩-2波束成形的Alamouti空時(shí)編碼的傳輸方案，接著同時(shí)考慮信干噪比和無(wú)線充電量約束，提出了以最小化接入點(diǎn)發(fā)射功率為目標(biāo)的基于秩-2波束成形的安全多播設(shè)計(jì)。然后，利用秩-2半定松弛技術(shù)來(lái)解決所建立的非凸優(yōu)化問題，推導(dǎo)了秩-2半定松弛是緊松弛，也就是可以獲得最優(yōu)解的充分條件，并給出了得到最優(yōu)解和次優(yōu)解的具體求解方法。針對(duì)秩-2半定松弛不是緊松弛的情況，提出了一種能夠獲得次優(yōu)解的秩-2高斯隨機(jī)化方法。仿真結(jié)果表明，