认知无线网络中分布式波束成形技术的研究

Cognitive Radio can take full advantage of the authorized spectrum using the adaptive spectrum allocation method to improve the existing spectrum management.Beamforming is an effective way of SDMA.The corresponding weighted transmit signals of different users reduce the interference between users and thus increase the system capacity..This application intends to study the distributed beamforming under the cognitive radio system, including:.1)According to the information theory, based on the conditions of perfect channel state information and partial channel state information, we will focus on the theoretical analysis of the cognitive system capacity to derive the capacity boundary and cognitive gain..2)We will also study the distributed beamforming optimization problem under different optimization objectives and different constraints, design beamforming algorithms with low complexity and high robustness. We will propose the distributed beamforming schemes with optimized performance, construct the adaptive optimazation system..3)Design the carrier synchronization schemes and algorithms under distributed beamforming system, study the feedback mechanism to achieve the feedback information compression algorithm and design the feedback delay control and effective infromation provisioning mechanisms..Consequently, solve a number of key issues about the obstacles of the distributed beamforming algorithm in real applications in the traditional mobile communication networks and cognitive radio networks. Next, achieve the goal that cognitive user can share the same bandwidth with the primary user. Finally, make the communication quality assurance to reach its real aim by considering not only the cognitive user's QoE but also the primary user's communication quality.

认知无线电以自适应频谱分配方式改进现有的频谱管理模式。波束成形是空分多址的一种有效实现技术。本申请拟研究认知无线网络中的分布式波束成形技术。包括：根据信息论原理，基于完整信道状态信息和部分信道状态信息，对系统认知用户的和容量进行理论分析，推导容量界和认知增益；研究不同优化目标、不同限制条件下的分布式波束成形优化问题，设计复杂度低、鲁棒性好的波束成形算法，提出分布式波束成形优化方案，形成一套自适应的优化体系；设计分布式波束成形中的载波同步方案和算法；研究分布式波束成形信息反馈机制,设计反馈时延控制机制和信息有效性保障机制。从而解决一直以来阻碍分布式波束成形算法在传统移动通信网络和认知无线网络中真正应用的若干关键问题；实现在认知无线网络中，认知用户与主用户共享频谱资源的通信目标。并在充分保证主用户通信质量的同时，考虑认知用户的用户体验，回归通信质量保障的真正目的。

本项目针对认知无线网络中的分布式波束成形技术进行深入研究，从而解决一直以来阻碍分布式波束成形算法在传统移动通信网络和认知无线网络中真正应用的若干关键问题。项目组紧密围绕基于分布式波束成形的认知无线网络和容量的分析、认知无线网络中分布式波束成形优化、载波同步、反馈机制四项关键问题展开研究并搭建仿真平台。同时，根据移动通信技术发展，将预定研究内容与5G关键技术结合，为在5G场景下应用认知无线网络技术进行了探索，体现研究的前沿性；并拓展研究了认知无线网络中存在的窃听隐患及由此产生的安全通信机制和方法；探索了研究成果在紫外光通信系统中的应用。.在基于分布式波束成形的认知无线网络和容量分析方面，项目组一方面研究应用干扰对齐技术，提升系统自由度增益，进而提升系统容量的方案。另一方面基于波束成形技术设计认知用户的和速率优化算法，从而达到或逼近认知无线网络的和容量界。.认知无线网络中分布式波束成形优化问题的研究，项目组从发射功率最小化和用户体验（QoE）优化两方面入手，设计了低能耗、高性能的认知中继网络波束成形算法，并将QoE优化目标和波束成形技术有机结合，提出有效的优化算法，回归通信质量保障的真正目的。考虑实际应用，项目组进一步研究多个认知网络并存下的认知中继波束成形问题，针对多认知网络加权均衡速率问题和物理层安全问题进行了全新的讨论。.认知无线网络中的分布式波束成形载波同步问题的研究方面，项目组基于闭环和开环相位同步，分别提出了GAP算法和一种基于时隙往返的载波同步算法，提出了解决分布式波束成形载波同步问题的快速算法和模型。.在认知无线网络分布式波束成形反馈机制的研究方面，项目组从提高信道状态信息反馈效率和降低反馈信息开销两方面入手，提出了基于高效预编码算法和有限反馈波束成形算法的信息反馈方案。.同时，项目组进一步从主、从协作安全通信模型建立和低复杂度物理层安全算法设计两方面研究了认知无线网络中的安全通信机制。