無線攜能通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中新型傳輸方案的研究.pdf

1、無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)是無線通信技術(shù)與無線能量傳輸技術(shù)交叉融合的一個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向，其利用射頻(RF)信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息與能量的并行傳輸，是解決無線網(wǎng)絡(luò)能量受限問題以及實(shí)現(xiàn)綠色通信的重要途徑，已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，SWIPT系統(tǒng)面臨著信道衰落和安全通信等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，研究如何實(shí)現(xiàn)SWIPT系統(tǒng)高效的能量傳輸以

2、及安全的信息傳輸具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，多天線預(yù)編碼技術(shù)可以有效減小信道衰落帶來的影響，而物理層安全技術(shù)可以保證通信的安全性。因此，結(jié)合多天線預(yù)編碼技術(shù)和物理層安全技術(shù)，本論文主要研究了MISO SWIPT系統(tǒng)中基于能量獲取比例公平的波束成形，MIMO SWIPT系統(tǒng)中基于安全能效最大化的預(yù)編碼，具有秘密消息的MISOSWIPT廣播信道安全傳輸方案，具有額外竊聽者及秘密消息的MISO SWIPT廣播信道安全傳輸方案，無線能

3、量傳輸與認(rèn)知無線電共存場(chǎng)景下的協(xié)作預(yù)編碼，無線能量傳輸與無線信息傳輸共存場(chǎng)景下的多目標(biāo)預(yù)編碼。具體研究?jī)?nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下:
　　1.針對(duì)多用戶MISO SWIPT系統(tǒng)中存在能量獲取不均衡的問題，提出了一種基于能量獲取比例公平的波束成形設(shè)計(jì)方案。通過優(yōu)化波束成形矢量，所提方案在滿足信息接收者的信干噪比和發(fā)送者的最大發(fā)送功率等約束的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)能量獲取的比例公平。此設(shè)計(jì)在數(shù)學(xué)上是一個(gè)很難直接求解的非凸優(yōu)化問題。為此，我們首先將原優(yōu)化

4、問題等價(jià)為容易處理的上鏡圖形式，然后利用半定松弛技術(shù)將對(duì)應(yīng)的非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題。另外，在發(fā)送者僅知道部分信道狀態(tài)信息的情況下，我們進(jìn)一步采用最差性能最優(yōu)的方法對(duì)原優(yōu)化問題進(jìn)行了魯棒波束成形設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，所提波束成形方案可以實(shí)現(xiàn)能量獲取的比例均衡。
　　2.針對(duì)三節(jié)點(diǎn)MIMO SWIPT竊聽系統(tǒng)，提出了一種安全能量效率優(yōu)先的預(yù)編碼傳輸方案。SWIPT系統(tǒng)中以安全能量效率為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的預(yù)編碼設(shè)計(jì)仍是一個(gè)開放性問題，類比于

5、傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中能量效率的定義，本文將安全能量效率定義為系統(tǒng)的最大可達(dá)安全速率除以系統(tǒng)的總消耗功率。該預(yù)編碼設(shè)計(jì)方案可以在滿足安全速率、能量獲取以及最大發(fā)送功率等約束的基礎(chǔ)上最大化系統(tǒng)的安全能量效率。非凸安全速率約束導(dǎo)致原優(yōu)化問題很難求解。為此，提出了一個(gè)基于一階泰勒級(jí)數(shù)展開的迭代算法，并證明了所提迭代算法的收斂性。仿真結(jié)果表明，所提算法可以實(shí)現(xiàn)安全能量效率的最大化，并且在小發(fā)送功率區(qū)域，該算法還可以同時(shí)最大化系統(tǒng)的安全速率。
　　

6、3.考慮了具有保密消息的MISO SWIPT廣播信道場(chǎng)景，并提出了一個(gè)基于總發(fā)送功率最小化的安全傳輸方案。該方案通過聯(lián)合優(yōu)化發(fā)送波束成形矢量、噪聲協(xié)方差矩陣以及接收者功率劃分因子，在滿足每個(gè)接收者的安全速率和能量獲取約束的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)總發(fā)送功率最小化。同時(shí)，提出了一個(gè)基于兩階段優(yōu)化的迭代算法來求解原優(yōu)化問題。具體來講，首先固定每個(gè)接收者的信干噪比進(jìn)而通過半定松弛技術(shù)得到對(duì)應(yīng)問題的全局最優(yōu)解，然后通過K維窮舉搜索的方式獲得原優(yōu)化問題的最優(yōu)解

7、。另外，考慮到K維窮舉搜索的運(yùn)算復(fù)雜度過高，進(jìn)一步提出了一個(gè)基于遺傳算法的低復(fù)雜度次優(yōu)算法來求解原優(yōu)化問題。
　　4.針對(duì)具有保密消息的MISO SWIPT廣播信道中發(fā)送者發(fā)送給每個(gè)接收者的秘密消息還有可能被額外竊聽者竊聽的問題，進(jìn)一步研究了具有額外竊聽者及秘密消息的MISO SWIPT系統(tǒng)的安全傳輸方案設(shè)計(jì)。該方案以最小化系統(tǒng)的總發(fā)送功率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)考慮每個(gè)接收者的安全速率和能量獲取要求。類似地，首先提出了一個(gè)基于兩階段優(yōu)化

8、的算法來處理原非凸優(yōu)化問題，然后進(jìn)一步提出了一個(gè)基于粒子群算法的低復(fù)雜度次優(yōu)算法。隨后，將上述安全波束設(shè)計(jì)推廣到合作竊聽的情況。所謂合作竊聽是指額外竊聽者和潛在竊聽者組成一個(gè)虛擬的多天線竊聽者，從而保密消息面臨更為嚴(yán)重的安全威脅。此情況下約束集中包含行列式函數(shù)，因此對(duì)應(yīng)優(yōu)化問題的求解面臨更大的挑戰(zhàn)?；趦呻A段優(yōu)化的框架，本文通過采用基本的矩陣不等式結(jié)果以及半定松弛技術(shù)對(duì)相應(yīng)的優(yōu)化問題進(jìn)行了有效的求解。最后，考慮發(fā)送者僅知道部分信道狀態(tài)信

9、息的情況，進(jìn)一步提出了魯棒安全傳輸方案設(shè)計(jì)。
　　5.考慮了無線能量傳輸系統(tǒng)與認(rèn)知無線電系統(tǒng)共存的場(chǎng)景，并設(shè)計(jì)了一種積極利用同頻干擾的協(xié)作預(yù)編碼傳輸方案。與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)不同，此場(chǎng)景下同頻干擾被視為有益的資源而不是有害的因素。具體來講，認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的次用戶產(chǎn)生的同頻干擾對(duì)無線能量傳輸系統(tǒng)中的能量接收者來說是一個(gè)能量源，因此此同頻干擾為有益的。同時(shí)，無線能量傳輸系統(tǒng)中的能量發(fā)送者產(chǎn)生的同頻干擾對(duì)認(rèn)知無線電系統(tǒng)來說是一種人工噪

10、聲，可以幫助其實(shí)現(xiàn)安全通信，因此也是有益的。針對(duì)此場(chǎng)景，所提協(xié)作預(yù)編碼傳輸方案以和發(fā)送功率最小化為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)考慮認(rèn)知無線電系統(tǒng)中次用戶的安全速率、主用戶的干擾溫度以及無線能量傳輸系統(tǒng)中能量接收者的能量獲取等要求。通過利用一階泰勒級(jí)數(shù)展開和拉格朗日對(duì)偶分解的方法，提出了一個(gè)迭代算法來求解原設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的非凸優(yōu)化問題。此外，證明了所提算法可以單調(diào)收斂到原優(yōu)化問題的一個(gè)KKT點(diǎn)，并分析了所提算法的復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，所提協(xié)作預(yù)編碼設(shè)計(jì)方案可

11、以同時(shí)減小次用戶的發(fā)送功率以及能量發(fā)送者的發(fā)送功率。
　　6.針對(duì)無線能量傳輸與無線信息傳輸共存場(chǎng)景下多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)之間存在沖突的問題，提出了一種多目標(biāo)預(yù)編碼傳輸方案設(shè)計(jì)來平衡此共存場(chǎng)景下多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的沖突。具體來講，基于多目標(biāo)優(yōu)化框架，將安全傳輸協(xié)方差設(shè)計(jì)建模成多目標(biāo)優(yōu)化問題，從而可以實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸系統(tǒng)中的獲取能量和無線信息傳輸系統(tǒng)中的安全速率同時(shí)最大化。為求解此非凸多目標(biāo)優(yōu)化問題，本文首先得到其對(duì)應(yīng)的烏托邦點(diǎn)。然后，利用加