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信电学院在5G通信与信号处理领域取得新的研究进展

编辑:xdx 日期:2018-01-23 12:12 访问次数:1926

    2017年12月4-8日在新加坡的IEEE Globecom会议上我院的蔡云龙副教授做了5G毫米波大规模天线混合波束赋形优化算法等方面研究的相关报告。蔡云龙老师与美国佐治亚理工学院电子工程系、加拿大麦吉尔大学、英国南安普顿大学开展合作, 5G波形与接入、5G网络资源优化、多天线无线能量传输和物理层安全等方向,也取得了新的研究进展。“毫米波MIMO系统中基于天线选择的收发机优化算法”和“基于智能电网供电的无线多小区成本效率优化”等工作,发表于国际通信与信号处理顶级期刊 IEEE Trans. Commun, IEEE Trans. Signal Process, IEEE Trans. Wireless Commun, IEEE J. Sel. Areas Commun等上。蔡云龙老师也入选为IEEE 高级会员,国际期刊IEEE Access 的编辑成员,以及Globecom, VTC等国际通信顶级会议的技术委员会委员 (Technical Program Committee)。

 
图1. 蔡云龙老师于2017 IEEE Globecom会议上做了相关报告
 
部分取得的进展总结如下:
  首先,围绕毫米波大规模天线系统中的收发机联合优化设计开展了一系列工作。考虑到在5G网络中的应用,研究了大规模多用户MIMO毫米波系统的上行链路。在这样的系统中,为了降低由于模拟移相器以及低噪放大器带来的巨大能耗以及实现复杂度,我们利用了混合接收机的架构以及天线选择的机制。由于天线选择约束以及模拟接收矩阵的恒模约束,相应的优化问题是非凸的,难以直接求解。通过利用问题的特殊结构以及线性松弛原则,我们首先将原问题转化为三个子问题,然后利用交替优化的方法来解决。对于天线选择子问题,我们利用了凹凸性原理(concave-convex procedure)来求解;对于用户端的预编码向量子问题,加权最小均方差(WMMSE)算法可以用于求解;而最后的混合接收机问题,则是使用了流形优化(manifold optimization)的原理来解决。对于该算法的收敛性,我们给出了详细的证明。在仿真结果中,我们所提出的算法在能效上高于全数字预编码算法以及传统的OMP算法,同时复杂度也有所下降。此工作发表在国际通信顶级会议IEEE ICC 2017以及Top期刊IEEE J. Sel. Areas in Commun。
 
图2. 多用户毫米波上行链路混合波束赋形示意图

    此外,在多用户MISO干扰信道中,我们研究了基于信息能量同传的收发机设计算法。在该系统中,接收端收到的信号可以分成两部分,一部分用于信息解调,另一部分用于能量收集。我们的目标是在接收端信干噪比和能量收集约束下,通过联合设计发送波束成形向量和接收端功率分裂因子来最小化系统的总传输能量。大多数考虑此类问题的文章中均假设信道环境是理想的,但是在实际系统中信道误差是难以避免的。因此,我们考虑了该系统中的鲁棒收发机设计算法,并假设信道响应满足范数约束误差模型。我们提出了三种算法来求解此优化问题。在第一种算法中,我们提出采用半正定松弛技术来求解原高度非凸问题,这样可以将原问题表述为一个半正定松弛问题。需要指出的是,通过这种算法得到的解并不一定是一阶矩阵,为此我们还提出了一种一阶解恢复算法。在第二种算法中,我们提出采用二阶锥规划松弛技术来简化算法设计,并提出了一种闭式的鲁棒解恢复算法来应对所得到的解并不一定鲁棒的情况。在第三种算法中,我们提出了一种基于矩阵形式凹凸规划技术的迭代算法,并证明了该算法可以收敛到原问题的KKT解。最后,我们用仿真实验验证了所提出算法的鲁棒性和高效性。此工作发表在国际信号处理Top期刊IEEE Trans. Signal Process。

   这些工作得到了国家自然科学基金(项目号:6147131991538103),浙江省自然科学基金(项目号:LY14F010013, 国防科研基金,浙江省信息处理与通信网络重点实验室, 信息与通信工程系,和智能通信网络与安全研究所的支持与资助。

   此系列的学术研究在开展过程中还得到了张朝阳,赵民建,李春光,余官定,钟财军等教授与其团队的热心帮助和指导与建议,在此表示衷心感谢。

 
近两年部分节选成果列表:
1.     Yunlong Cai, Zhijin Qin, Fangyu Cui, Geoffrey Ye Li, and Julie A. McCann, "Modulation and multiple access for 5G networks," IEEE Communications Survey and Tutorials, accepted for publication.  
2.     Lei Zhang, Yunlong Cai, Minjian Zhao, Benoit Champagne, and Lajos Hanzo, "Nonlinear MIMO transceivers improve wireless-powered and self-interference-aided relaying," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 10, pp. 6953-6966, Oct. 2017.
3.     Ling Zhang, Yunlong Cai, Qingjiang Shi, Guanding Yu, Geoffrey Ye Li, "Cost efficiency optimization for multicell systems powered by smart grid," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 9, pp. 6047-6061, Sep. 2017.
4.     Mingmin Zhao, Qingjiang Shi, Yunlong Cai and Minjian Zhao, "Joint transceiver design for full-duplex cloud radio access networks with SWIPT," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 9, pp. 5644-5658, Sep. 2017.
5.     Yunlong Cai, Qingjiang Shi, Benoit Champagne, and Geoffrey Ye Li, "Joint transceiver design for secure downlink communications over an amplify-and-forward MIMO relay," IEEE Transactions on Communications, vol. 65, no. 9, pp. 3691-3704, Sep. 2017.
6.     Xiongfei Zhai, Yunlong Cai, Qingjiang Shi, Minjian Zhao, Geoffrey Ye Li, and Benoit Champagne, "Joint transceiver design with antenna selection for large-scale MU-MIMO millimeter-wave systems," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Special Issue on Millimeter Wave Communications for Future Mobile Networks, vol. 35, no. 9, pp. 2085-2096, Sep. 2017.
7.     Mingmin Zhao, Yunlong Cai, Qingjiang Shi, Mingyi Hong, and Benoit Champagne, "Joint transceiver designs for full-duplex K-pair MIMO interference channel with SWIPT," IEEE Transactions on Communications, vol. 65, no. 2, pp. 890-905, Feb. 2017. 
8.     Jiaxin Yang, Qiang Li, Yunlong Cai, Yulong Zou, Lajos Hanzo, and Benoit Champagne, "Joint secure AF relaying and artificial noise optimization: A penalized difference-of-convex programming framework, " IEEE Access, no. 4, pp. 10076-10095, 2016. 
9.     Qingjiang Shi, Mingyi Hong, Xiqi Gao, Enbin Song, Yunlong Cai, and Weiqiang Xu, "Joint source-relay design for full-duplex MIMO AF relay systems," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 64, no. 23, pp. 6118-6131, Dec. 1, 2016.
10.   Ling Zhang, Yunlong Cai, Chunguang Li, and Rodrigo C. de Lamare, "Variable forgetting factor mechanisms for diffusion recursive least squares algorithms in sensor networks," EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, accepted for publication. 
11.   Linzheng Qiu, Yunlong Cai, Rodrigo C. de Lamare, and Minjian Zhao, "Reduced-rank DOA estimation algorithms based on alternating low-rank decomposition," IEEE Signal Processing Letters, vol. 23, no. 5, pp. 565-569, May 2016. 
12.   Yunlong Cai, Mingmin Zhao, Qingjiang Shi, Benoit Champagne, and Minjian Zhao, "Joint transceiver design algorithms for multiuser MISO relay systems with energy harvesting," IEEE Transactions on Communications, vol. 64, no. 10, pp. 4147-4164, Oct. 2016.
13.   Xiaomin Wu, Yunlong Cai, Rodrigo C. de Lamare, Benoit Champagne, and Minjian Zhao, "Adaptive widely-linear constrained constant modulus reduced-rank beamforming," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 53, no. 1, pp. 477-492, Feb. 2017. 
14.   Mingmin Zhao, Yunlong Cai, Qingjiang Shi, Benoit Champagne, and Minjian Zhao, "Robust transceiver design for MISO interference channel with energy harvesting,"IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 64, no. 17, pp. 4618-4633, Sep. 1, 2016.
15.   Qingjiang Shi, Cheng Peng, Weiqiang Xu, Mingyi Hong, and Yunlong Cai, "Energy efficiency optimization for MISO SWIPT systems with zero-forcing beamforming,"IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 64, no. 4, pp. 842-854, Feb. 15, 2016