论文题目：共生无线通信系统资源配置机制与算法研究
摘要：现代无线通信是我国智能化社会建设的重要引擎。随着智慧医疗、智能制造和智能交通等新型智能化应用的不断涌现,无线通信亟需借助多种通信系统以支撑多样化业务并提升核心技术指标,其发展进而呈现出多种通信系统共存的态势。在频谱与能量等通信资源受限的情况下,多种通信系统需要进一步利用资源共享来提高资源利用效率。因此,如何通过资源共享实现各种系统间的高效共存已成为无线通信研究的重点。共生无线通信（Symbiotic Communication）提供了一类实现主被动通信系统高效共存的新型无线通信技术。在共生无线通信中,被动通信系统的反射设备（Backscatter Device,BD）利用主动通信系统射频信号进行反射传输,主动通信系统也可从被动通信系统提供的额外多径分量中获益。通过共享频谱、能量与基础设施资源,主被动通信系统有望实现双方均获益的高效共存。为进一步提升共生无线通信系统性能,需探寻关键传输参数对主被动通信系统传输性能和共存关系的影响,引入新型BD设计以增强传输,并开展各类共生无线通信系统资源配置机制与算法研究。本文首先研究不同共生无线通信系统传输参数设置下的主被动通信系统传输性能和共存关系,其次引入全双工型和放大增强型BD设计,开展共生无线通信系统资源配置机制与算法研究,主要包括以下四部分内容:（1）共生无线通信系统设计原理及速率分析;（2）全双工型共生无线通信系统设计及资源配置算法;（3）单天线增强型共生无线通信系统设计及资源配置算法;（4）多天线增强型共生无线通信系统设计及资源配置算法。具体研究内容及创新点概括如下。首先,本文研究不同共生无线通信系统传输符号周期设置下的主被动通信系统传输性能和共存关系,为本文后续研究提供理论基础。根据主被动通信系统可达速率分析,归纳总结出寄生共生和互惠共生两类典型共生模式。接着研究不同共生模式下共生无线通信系统资源配置机制与算法,通过优化设计主动通信系统发送机（Transmitter,Tx）传输波束赋形,最大化主被动通信系统加权和速率或最小化传输功率。利用共生无线通信系统中传输波束赋形与相关传输信道的关系,提出一类低复杂度资源配置优化算法。仿真结果对比共生无线通信系统在互惠共生和寄生共生模式下的传输性能,表明互惠共生无线通信系统的频谱利用效率更高。其次,针对共生无线通信系统中主被动通信系统间控制信息传输的需求,本文开展全双工型共生无线通信系统设计与资源配置算法研究。具体地,通过引入全双工型BD设计,使得BD能在反射传输信息的同时接收控制信息。在该系统设计下,分析寄生共生无线通信系统中主动通信系统Tx传输广播控制信息到接收机（Receiver,Rx）和BD的可达速率以及被动通信系统BD传输自身信息到Rx的可达速率。接着考虑各种速率约束条件下的共生无线通信系统传输功率最小化问题,提出基于半正定松弛（Semi-Definite Relaxation,SDR）的穷搜最优的和基于闭式表达式的低复杂度次优的Tx传输波束赋形与BD功率接收系数联合优化算法。仿真结果表明,全双工型BD设计可有效提升共生无线通信系统控制信息的传输性能。再次,针对提升共生无线通信系统中主被动通信系统互惠共生增益的需求,本文研究单天线增强型共生无线通信系统设计与资源配置算法。具体地,BD能够利用基于负阻抗的反射放大增强技术实现入射信号的反射放大,从而增强反射链路强度。为避免对同频非共生现存用户（Incumbent User,IU）产生过多干扰,考虑在干扰温度约束条件下的主动通信系统传输速率最大化问题,提出Tx传输波束赋形以及BD功率反射系数交替优化算法。其中,利用SDR等方法来优化设计Tx传输波束赋形,以及利用分式规划方法来优化设计BD功率反射系数。仿真结果表明,增强型BD可有效提升主被动通信系统的传输性能。最后,本文拓展上一个研究内容的场景,研究多天线增强型共生无线通信系统设计与资源配置算法,以进一步提高主被动通信系统互惠共生增益。具体地,将放大增强型可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface,RIS）引入互惠共生无线通信系统设计。该增强型RIS通过消耗少量功率,能够实现反射放大与反射波束赋形。本文首先研究该增强型RIS的功率消耗模型,从而考虑在干扰温度约束以及功率开销约束条件下的主动通信系统传输速率最大化问题,接着提出Tx传输波束赋形以及增强型RIS反射波束赋形交替优化算法。其中,通过求解一系列最小均方误差（Mean-Square Error Minimization,MMSE）的问题来优化设计Tx传输波束赋形,以及通过分式规划的方法来优化设计增强型RIS反射波束赋形。最后,在最大化反射链路信噪比（Signal-to-Noise-Ratio,SNR）情况下,研究增强型RIS反射天线单元数与反射放大性能的折中问题。仿真结果表明,在相同功率开销的条件下,增强型RIS相较于传统型RIS可使用更少的反射天线单元来实现更高的传输增益,使得共生无线通信传输性能获得大幅提升。
关键词：共生无线通信;资源配置;资源共享;反向散射传输;可重构智能表面
学科专业：通信与信息系统
摘要
abstract
缩略词表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 无线通信面临的问题
1.1.2 无线通信系统资源共享技术
1.2 共生无线通信概况
1.3 共生无线通信研究现状
1.3.1 容量与速率分析
1.3.2 收发机设计
1.3.3 资源配置
1.4 研究动机与意义
1.5 主要研究内容
1.6 主要贡献与创新点
1.7 全文组织架构
第二章 共生无线通信基础技术概述
2.1 反向散射通信技术
2.1.1 天线散射原理
2.1.2 反射信息调制
2.2 共生无线通信传输技术
2.2.1 基本传输模型
2.2.2 信号联合解调
2.3 全双工反射技术
2.4 基于负阻抗的反射放大增强技术
2.5 本章小结
第三章 共生无线通信系统设计原理及速率分析
3.1 引言
3.2 系统设计
3.3 可达速率分析
3.3.1 寄生共生无线通信系统可达速率分析
3.3.2 互惠共生无线通信系统可达速率分析
3.4 问题建模
3.4.1 加权和速率最大化问题
3.4.2 传输功率最小化问题
3.5 加权和速率最大化的资源配置算法
3.5.1 问题转换与求解
3.5.2 低复杂度算法
3.6 传输功率最小化的资源配置算法
3.6.1 问题转换与求解
3.6.2 低复杂度算法
3.7 仿真结果与分析
3.7.1 加权和速率最大化问题仿真结果与分析
3.7.2 传输功率最小化问题仿真结果与分析
3.8 本章小结
第四章 全双工型共生无线通信系统设计及资源配置算法
4.1 引言
4.2 系统设计
4.2.1 系统概述及信道模型
4.2.2 信号模型
4.2.3 速率分析
4.3 问题建模
4.3.1 约束条件
4.3.2 问题分析
4.4 基于半正定松弛的穷搜最优资源配置算法
4.5 基于闭式表达式的低复杂度次优资源配置算法
4.5.1 SISO场景
4.5.2 MISO场景
4.6 仿真结果与分析
4.7 本章小结
第五章 单天线增强型共生无线通信系统设计及资源配置算法
5.1 引言
5.2 系统设计
5.2.1 系统概述
5.2.2 信道模型
5.2.3 信号模型
5.3 问题建模
5.3.1 约束条件
5.3.2 问题分析
5.4 交替优化资源配置算法
5.4.1 传输功率与波束赋形联合优化
5.4.2 功率反射系数优化
5.4.3 交替优化及初始化设置
5.5 仿真结果与分析
5.5.1 系统方案设置
5.5.2 性能分析
5.6 本章小结
第六章 多天线增强型共生无线通信系统设计及资源配置算法
6.1 引言
6.2 系统设计
6.2.1 系统概述
6.2.2 信道模型
6.2.3 信号模型
6.2.4 功率模型
6.3 问题建模
6.3.1 约束条件
6.3.2 问题分析
6.4 交替优化资源配置算法
6.4.1 传输功率与波束赋形联合优化
6.4.2 反射波束赋形优化
6.4.3 交替优化及初始化设置
6.5 反射天线单元数与反射放大能力折中分析
6.6 仿真结果与分析
6.7 本章小结
第七章 全文总结与展望
7.1 研究工作总结
7.2 后续工作展望
致谢
参考文献