首页期刊导航|信号处理
期刊信息/Journal information
信号处理
信号处理

谢维信

月刊

1003-0530

010-64010656;64034443-3004

100009

北京鼓楼西大街41号

信号处理/Journal Signal ProcessingCSCD北大核心CSTPCD
正式出版
收录年代

    面向6G通信感知一体化的固定与可移动天线技术

    曾勇董珍君王蕙质朱立鹏...
    1377-1407页
    查看更多>>摘要：多天线技术通过在收发端部署天线阵列,从而提供额外的空间自由度(degrees of freedom,DoFs),大幅提升了无线通信的可靠性与有效性.与此同时,多天线技术应用于雷达感知领域,实现了空间角度分辨能力并提升了感知自由度,大幅增强了无线感知性能.然而,无线通信与雷达感知领域在过去数十年里独立发展.因此,尽管多天线技术在这两个领域分别取得了巨大的进步,但并没有通过发挥它们的协同作用来实现深度融合.随着感知与通信的融合被确定为第六代(the sixth-generation,6G)移动通信网络的典型应用场景之一,多天线技术的发展面临新的机遇以填补上述空白.为此,本文围绕未来天线阵列规模持续扩张、阵列架构更加多样、阵列形态更为灵活等发展趋势,对面向6G通信感知一体化的多天线技术进行综述.首先介绍未来多天线的不同架构类型,包括以传统紧凑式阵列和新兴稀疏阵列为代表的集中式阵列架构、以无蜂窝大规模MIMO(multiple-input multiple-output)为代表的分布式天线架构,以及三维连续空间阵元位置与朝向灵活可调的可移动天线/流体天线.然后,本文将介绍基于上述天线架构的远场/近场信道建模,并进行通信与感知性能分析.最后总结不同天线架构的特点,并展望解决因天线阵列规模的持续扩展及阵列形态的灵活多变引起的信道状态信息获取困难的新思路.

    第六代移动通信多天线技术通信感知一体化信道建模集中式阵列分布式阵列可移动天线

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    异质无蜂窝MIMO绿色通信网络

    朱鹏程江鹏钱宇祁栋华...
    1408-1423页
    查看更多>>摘要：异质无蜂窝多天线(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统是未来移动网络发展的方向之一,也是极具节能潜力的高效通信系统.本文首先对异质无蜂窝MIMO系统的整体构架进行了介绍,从整体的角度分析该网络的具体构架和节能潜力,随后从绿色网络部署与协作、网络运行与调度以及用户接入、高能效MIMO收发机技术和传输与多址等方面介绍了基本原理和潜在节能增益.随着信息超材料的发展,一些全新的异质MIMO收发机逐渐展现了其在能效方面的优势,合理利用这些新型的收发机技术将有效提高系统能效.除了硬件带来的增益之外,异质无蜂窝组网的增益主要来源于各个接入点的协作传输所形成的超大规模MIMO,而这也带来了更加复杂的信号传输模式,同时受限于有限的算力资源,系统不可能无限协作,因此需要对该系统的接入点部署策略和协作方式进行全新的研究.在完成部署之后,由于用户在空间和时间上的通信需求变化较大,还可以利用深度学习等技术对用户的行为进行一定程度的预测,并在空间和时间上对通信设备的运行状态进行调整,在满足通信指标的同时提高系统的能效.最后,用户的多址接入与传输方式则是整个异质无蜂窝MIMO系统的基础,新型的速率分割多址接入(Rate-Splitting Multiple Access,RSMA)技术可以有效对抗干扰,而针对异质无蜂窝MIMO系统的传输波束赋形也需要进行全新的设计以适应RSMA技术和异质的MIMO设备.本文还同时讨论了以上各个方面的可能设计以及未来研究方向.

    绿色MIMO无蜂窝系统全息超表面节能通信

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    免授权随机接入中时间相关性辅助的用户活跃性检测算法

    李思成刘祖军付星明
    1424-1431页
    查看更多>>摘要：大规模机器类通信(massive Machine Type Communications,mMTC)旨在实现海量的物联网设备通信,被广泛应用于工业自动化、智能交通、智慧城市、智慧医疗等领域.面对数量巨大的用户设备,基于授权的随机接入技术存在接入失败概率高和信令开销大的弊端.为了解决这些弊端,学术界和工业界提出了免授权随机接入(Grant-Free Random Access,GFRA)技术,此技术能够使活跃用户设备在发送导频序列后直接传输数据而无需等待基站授权.因此,在基于免授权接入的mMTC中,基站的一个关键任务是进行用户设备活跃性检测.而在实际场景中,用户设备往往在连续时隙上呈现活跃状态,即存在时间相关性.特别地,利用时间相关性的先验信息可以降低用户设备活跃性的错误检测概率.本文从该出发点提出一种基于最大后验(Maximum A Posteriori,MAP)概率的坐标下降算法.具体而言,该算法首先从最大后验概率的角度构建目标函数,并通过Markov链模拟连续时隙中的状态转移.其次,使用坐标下降法处理接收信号的协方差得到活跃用户设备集合.最后,对当前时隙的用户设备最可能发生的情况进行决策.仿真结果表明,相比经典的活跃用户检测算法,本文算法拥有更低的错误检测概率.并且,当导频序列长度较短及活跃用户数量增加时,仍能表现出较好的检测性能.此外,随着接收天线增多,本文算法相比经典算法的性能增益更显著.

    大规模机器类通信活跃用户检测时间相关性协方差

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    基于角度信息的1比特RIS波束赋形

    张子涵胡小玲
    1432-1439页
    查看更多>>摘要：智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)技术是第六代移动通信网络(6th generation mobile networks,6G)的关键支撑技术之一,可显著增强信号强度和质量,减轻通信干扰,提升通信性能;相较于传统有源天线阵列,RIS硬件成本低,被动工作方式带来低功耗的特性.波束赋形技术是RIS辅助通信系统的关键技术之一,过去的研究主要集中在连续相位波束赋形上,解决典型的通信波束赋形目标,包括能量效率最大化、信噪比最大化以及传输速率最大化等.这些研究取得了显著的成果,为通信系统的性能提升做出了贡献.然而,在实际应用中,由于成本和硬件方面的限制,离散波束赋形设计更受青睐.现有的离散波束赋形方案难以保证最优性,且依赖于高开销的RIS级联信道估计.在这一背景下,本文提出了两种1比特RIS波束赋形方法,包括基于分割的最优波束赋形方法和基于贪婪策略的低复杂度波束赋形方法.这两种方法分别通过巧妙的分割和迭代优化,实现了只需角度信息即可生成指定方向高增益波束的目标.具体而言,基于分割的波束赋形方法通过复平面分割的方式,巧妙地设计各RIS单元的相位,可获得最优解;基于贪婪策略的波束赋形方法,通过对各RIS单元相位迭代优化的方式,寻找1比特相位配置,能够取得接近最优的性能且具有更低的复杂度.此外,随着RIS相位误差的增加,分割法相对于贪婪法略显优势.

    智能超表面离散相位波束赋形分割方法贪婪策略

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    可扩展无蜂窝无线接入网性能分析:一种随机几何方法

    郭云翔王东明夏心江张子扬...
    1440-1451页
    查看更多>>摘要：无蜂窝无线接入网(Cell-Free Radio Access Network,CF-RAN)打破了传统的蜂窝组网方式,形成网络节点规模可扩展的无线接入网架构.CF-RAN在传统无蜂窝大规模MIMO(Cell-Free massive Multiple Input Multiple Output,CF-mMIMO)系统的基础上,对物理层功能进行了合理划分,包括远程射频单元(Remote Radio Unit,RRU)、边缘分布式单元(Edge Distributed Unit,EDU)和以用户为中心的分布式单元(User-Centered Distributed Unit,UCDU)以及中央处理器(Central Processing Unit,CPU),实现了CF-mMIMO系统协作传输中复杂度和性能之间的权衡.在该网络架构中,RRU负责完成射频信号的发送和接收以及数模/模数转换;EDU负责完成基带信号处理中的信道估计、多用户/多数据流检测、多用户/多数据流预编码、上下行信道互易校准等;UCDU负责将接收到的多个EDU发送的属于同一用户的上行数据进行合并,将多个下行数据流分发给对应的EDU,以及RRU之间校准所需的信道估计;CPU负责确定EDU和UCDU之间的数据流对应关系.作为一种新型无蜂窝网络架构下,有必要对其系统级性能进行理论分析,特别是同时考虑信道随机性和空间位置随机性的性能分析,这是本文的主要研究动机.首先,考虑信道估计误差和导频污染的影响,采用可扩展的全导频迫零(Full-pilot Zero-Forcing,FZF)合并\预编码,本文给出了系统上下行可达信号干扰噪声比(Signal-to-Interference-Noise Ratio,SINR)的闭合表达式.在此基础上,考虑用户设备(User Equipment,UE)和RRU的空间位置随机性,本文将UE和RRU的位置建模为有限区域内的两个独立二项式点过程(Binomial Point Process,BPP),推导出了用户速率覆盖概率的理论表达式,通过仿真验证了理论结果的准确性.在仿真中,本文在EDU-RRU关联方案上分别采用了基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的节点交织部署,基于k-means算法的节点聚类部署和随机节点部署.根据数值分析结果,可扩展CF-RAN架构实现了集中式处理和分布式处理之间的灵活权衡,在具备可扩展性的同时,系统性能方面优于全分布式架构,接近全集中式架构.此外,相比其他两种部署方案,基于GA的节点交织部署可以获得最好的性能,而基于k-means算法的节点聚类部署导致的性能损失最大.最后,根据随机几何分析结果,CF-RAN用户下行覆盖概率分别会随着EDU数量和UE数量的增加而降低.

    无蜂窝无线接入网全导频迫零导频污染随机几何二项式点过程

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    智能反射面阵元互耦与共存干扰研究

    王文鼐叶思思吴炜陈睿...
    1452-1459页
    查看更多>>摘要：智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)是由大量无源反射元件呈阵列排列构成的智能超表面,其阵元间距是相位控制的关键技术参数,在小于半波长时存在不可忽略的互耦效应.本文针对多网运营的应用环境,考虑IRS反射阵元之间存在相互耦合的情况,研究系统间共存干扰与阵元间距、工作频段、物理位置的关联关系.针对发射机、接收机和IRS之间自阻抗和互阻抗的建模需求,将互耦效应进行量化转换,以阻抗的形式将其数据化,结合阵元反射增益和相位参数的作用因素,建立了远场条件下基于阻抗电路的共存干扰传播模型.针对IRS接收,由发射天线电流与IRS互阻抗的乘积得到再辐射矩阵;针对IRS反射,由IRS负载电流与接收天线互阻抗的乘积得到接收端负载电压.应用阵元等效阻抗法,通过等效阻抗的可重构性,最大化有用信号的接收功率,推导得到信干比(Signal to Interference Ratio,SIR)的计算表达式.进一步分析了共存系统的工作频段、IRS反射单元间隔、IRS的反射阵元数量、IRS与非目标收发机之间距离等因素对共存干扰产生的影响.数值仿真表明互耦偏差随阵元间距减小而增大,半波长的偏差为28%;不同载频系统的SIR表明,共存干扰的互耦效应显著且不可忽略,高频系统对低频系统产生的共存干扰对信号传输质量影响更为显著.

    智能反射面共存干扰互耦信干比

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    面向移动用户的RIS波束追踪与覆盖增强技术

    呼和费丹韩福勇张天乐...
    1460-1468页
    查看更多>>摘要：智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)技术因其能够灵活操控信道环境的电磁特性,一经出现就引起了学术界和工业界的广泛关注.目前对于RIS辅助无线通信系统的理论研究与实际测试以静止场景为主,缺乏移动场景的研究.而由于RIS反射波束较窄,存在着移动场景下RIS反射波束难以对准目标,导致覆盖增强效果较差的问题.针对此问题,本文创新性地结合了波达方向(Direction Of Arrival,DOA)估计理论与RIS覆盖增强技术,实现了针对移动用户的RIS波束追踪与覆盖增强,并在此基础上搭建了Sub 6G频段下RIS辅助的移动场景原型平台.此外,本文在实验室对比了不同速度下,发射端移动而接收端保持静止、接收端移动而发射端保持静止两种场景下,经RIS反射后的接收信号功率与信干噪比(Signal Interference plus Noise Ratio,SINR)值.实测结果表明,在两种实测动态场景下RIS编码前后的接收信号功率与SINR均有提升,证明RIS在移动场景下仍然具有较好的性能提升.本文的研究结果可对后续移动场景下RIS辅助通信提供数据支撑与可参考原型平台.

    智能超表面波束追踪覆盖增强

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    基于RIS的二维波达角估计系统设计与实现

    徐奕凡周群焰孟声国李泽...
    1469-1479页
    查看更多>>摘要：新兴的智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)技术作为6G潜在关键使能技术之一,通过大量的电磁单元智能调控无线信号的反射特性,有望实现对无线传播环境的主动增强与感知,其在角度感知估计方面的应用受到广泛关注.现有文献报道的RIS波达角估计硬件实现工作中,RIS往往采用固定列控或行控的编码方式,无法充分发挥其空间维度自由度,只能进行一维的波达角估计.在此背景下,本论文设计了一套灵活的智能超表面控制平台,实现对每个电磁单元的独立且高速的控制,充分发挥RIS硬件的空间自由度,并在此平台上实现基于RIS的二维波达角实时估计功能.首先,介绍基于RIS的波达角估计系统设计方案,通过对RIS进行高速空时编码调制,使反射信号的谐波分量与入射信号的波达角建立映射关系,在接收端利用反射信号各谐波的幅度和相位信息,对入射信号波达角进行实时估计.随后,基于所提方案设计系统的无线帧结构相关参数,构建基于RIS的二维波达角实时估计原型系统.最后,使用原型系统开展测量实验,在多个测量点位对波达角的方位角和俯仰角分量进行估计与数据记录,实测数据验证了所提方案的可行性.

    智能超表面空时编码波达角估计原型实现

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    智能反射面辅助UAV通信系统的信息年龄优化方案

    陈宫紫钰贾向东张鑫
    1480-1488页
    查看更多>>摘要：在物联网(Internet of Things,IoT)系统中,信道具有高度时变性,直接链路有概率被阻塞.为了确保状态更新信息的及时传递,设计了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)辅助无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)服务地面多用户的无线下行链路系统.UAV在下行链路中作为一个移动基站,沿着优化的轨迹飞行并在靠近地面用户的合适位置悬停,再与地面上的用户进行数据传输.通过时间离散化、数学建模等手段构建联合优化的模型,建立一个多约束优化问题.目标是通过对无人机轨迹和流调度、IRS相移设计等变量的联合优化以最小化系统的信息年龄.研究了IRS反射传输信号辅助改善无线环境的过程,即通过改变信道增益来改变最大数据传输速率.采用IRS相移调整的方式来提高时变的信道增益,以改善通信质量.由于目标函数和约束公式中含有的非凸公式以及多个优化变量之间的耦合关系,采用连续凸逼近(Successive Convex Approximation,SCA)和块坐标下降(Block Coordinate Descent,BCD)等技术设计优化算法,将非凸优化问题简化后求得总优化问题的解.仿真结果表明,算法能得到平滑曲线,系统信息年龄随发射功率和数据传输速率阈值升高显著降低,体现了所提算法的可行性.

    信息年龄智能反射面用户调度轨迹优化块坐标下降

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    IRS-NOMA辅助多用户协作中继系统性能分析

    林少娥郑逸帆温淼文郑倍雄...
    1489-1496页
    查看更多>>摘要：随着第五代(The Fifth Generation,5G)通信技术的大规模应用,在网设备的数量迅速增长,带来了巨大的数据流量和连接需求.尽管5G通信技术已经显著提高了传输速率和网络容量,但随着物联网(Internet of Things,IoT)设备的普及和高速数据业务的增加,现有的频段资源已经难以满足未来的需求.预测显示,第六代(The Sixth Generation,6G)通信技术的峰值传输速率将提升到1太比特每秒,约为5G的100倍.这种大幅度的速率提升将进一步加剧对带宽的需求,使得现有频段无法满足新型高速业务及大规模物联网终端的需求.因此,未来通信技术向更高频段拓展成为必然.在这种背景下,本文提出了一种将智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)技术引入到非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)中继网络的新型多用户中继系统的方案,将IRS控制器与中继器整合,构建一个新的中继节点,实现对信号的中继转发,并发挥IRS的辅助通信作用,重构中继节点,使其不仅能够进行信号放大和转发,还可以通过IRS对信号质量和系统容量进一步提升.本文对下行侧的理论分析和仿真结果表明,加入IRS后系统性能平均提升了30%.这一显著的性能提升证明了IRS技术在NOMA中继网络中的应用潜力,为未来智能反射面的推广应用提供了新的思路和方法.随着6G时代的到来,智能反射面技术有望在更高频段的通信系统中发挥更大的作用,进一步推动无线通信技术的发展与进步.

    非正交多址接入无线解码中继智能反射面下一代通信系统

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据