多載波全雙工中繼通信系統(tǒng)的功率分配研究.pdf

1、采用全雙工(Full duplex，F(xiàn)D)模式的中繼協(xié)作技術(shù)是一種提高通信系統(tǒng)頻譜利用率、擴(kuò)大數(shù)據(jù)傳輸范圍的關(guān)鍵技術(shù)，環(huán)路干擾消除技術(shù)可有效地將FD中繼的雙天線之間的環(huán)路干擾降低至一定水平，但并不能實(shí)現(xiàn)理想干擾消除。由于抗干擾能力強(qiáng)和頻譜利用率高，采用多載波的正交頻分復(fù)用技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中?？紤]傳輸媒介的開放性和傳輸信息的私密性，多載波全雙工中繼
　　(Multi-carrier Full Duplex Relay，

2、MCFDR)通信系統(tǒng)的保密傳輸是研究者應(yīng)關(guān)注的問題之一?；趥鹘y(tǒng)香農(nóng)理論的物理層安全技術(shù)，在保證系統(tǒng)有效性和可靠性的同時，獲得信息的保密傳輸。
　　另一方面，除有關(guān)的物理層指標(biāo)外，通信系統(tǒng)也應(yīng)滿足實(shí)時用戶的時延等服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）要求。安全有效容量將統(tǒng)計(jì)時延QoS參數(shù)與安全系統(tǒng)的保密速率關(guān)聯(lián)在一起，是安全通信系統(tǒng)資源分配研究中的重要指標(biāo)。同時，由于無線信道的復(fù)雜性和信道估計(jì)技術(shù)的局限性，在資源

3、分配研究中也需考慮有關(guān)信道信息的不確定性，即資源分配策略應(yīng)具有魯棒性，其中WorstCase魯棒性優(yōu)化方法是應(yīng)用廣泛的方法之一。
　　因此，針對非理想環(huán)路干擾消除的MCFDR安全通信系統(tǒng)，借助安全有效容量概念引入時延QoS限制，論文研究中繼環(huán)路干擾信道具有確定的信道信息和不確定信道信息時的功率分配策略。采用凸優(yōu)化方法和魯棒性優(yōu)化方法，進(jìn)行問題規(guī)劃和求解，并進(jìn)行仿真分析。論文的主要工作如下:
　　(1)簡要介紹論文應(yīng)用到的有關(guān)

4、數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，包括凸優(yōu)化方法、Taylor近似方法和WorstCase魯棒性優(yōu)化方法，其中詳細(xì)描述魯棒性問題的規(guī)劃過程。
　　(2)在FD中繼非理想環(huán)路干擾消除后具有確定的干擾信道信息時，規(guī)劃滿足總功率和FD中繼環(huán)路干擾功率限制的優(yōu)化問題。針對MCFDR通信系統(tǒng)，通過最大化系統(tǒng)的有效容量，研究滿足時延QoS要求的功率分配策略。針對MCFDR安全通信系統(tǒng)，以最大化系統(tǒng)的保密速率為目標(biāo)，研究安全通信系統(tǒng)的功率分配策略。在此基礎(chǔ)上，借助

5、安全有效容量，在滿足時延QoS要求下，最大化系統(tǒng)的安全有效容量，實(shí)現(xiàn)安全通信系統(tǒng)的功率分配研究。在問題規(guī)劃后，利用Taylor近似、凸優(yōu)化方法及子梯度迭代算法求出有效的數(shù)值解。仿真結(jié)果表明，基于時延QoS要求的MCFDR安全通信系統(tǒng)的功率分配策略可以同時滿足傳輸?shù)膶?shí)時性及安全性。
　　(3)在FD中繼非理想環(huán)路干擾消除后具有不確定的干擾信道信息的情況下，研究MCFDR安全通信系統(tǒng)的滿足時延QoS要求的魯棒性功率分配策略。魯棒性問題

6、規(guī)劃后，分別采用WorstCase方法和Bernstein近似方法進(jìn)行問題求解。針對WorstCase方法，利用一般范數(shù)和多項(xiàng)式模型的方式表示干擾信道誤差增益的不確定集。在Bernstein近似方法求解中，利用違約概率將功率限制條件不成立的情況預(yù)設(shè)在一定概率值下。進(jìn)一步，根據(jù)保護(hù)函數(shù)和范數(shù)的性質(zhì)，將非凸魯棒優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，并利用凸優(yōu)化方法得到相應(yīng)的功率分配策略。仿真結(jié)果表明，提出的功率分配策略可以實(shí)現(xiàn)干擾信道不確定情況下的安全