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)交叉融合的一個前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向，其利用射頻(RF)信號實(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景下的多目標(biāo)預(yù)編碼。具體研究內(nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下:
　　1.針對多用戶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)計在數(shù)學(xué)上是一個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、問題等價為容易處理的上鏡圖形式，然后利用半定松弛技術(shù)將對應(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)的方法對原優(yōu)化問題進(jìn)行了魯棒波束成形設(shè)計。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)計準(zhǔn)則的預(yù)編碼設(shè)計仍是一個開放性問題，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，提出了一個基于一階泰勒級數(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廣播信道場景，并提出了一個基于總發(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，提出了一個基于兩階段優(yōu)化的迭代算法來求解原優(yōu)化問題。具體來講，首先固定每個接收者的信干噪比進(jìn)而通過半定松弛技術(shù)得到對應(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.針對具有保密消息的MISO SWIPT廣播信道中發(fā)送者發(fā)送給每個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。該方案以最小化系統(tǒng)的總發(fā)送功率為設(shè)計目標(biāo)，同時考慮每個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。
　　5.考慮了無線能量傳輸系統(tǒng)與認(rèn)知無線電系統(tǒng)共存的場景，并設(shè)計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)生的同頻干擾對無線能量傳輸系統(tǒng)中的能量接收者來說是一個能量源，因此此同頻干擾為有益的。同時，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。針對此場景，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)計準(zhǔn)則，同時考慮認(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數(shù)展開和拉格朗日對偶分解的方法，提出了一個迭代算法來求解原設(shè)計對應(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)計方案可

11、以同時減小次用戶的發(fā)送功率以及能量發(fā)送者的發(fā)送功率。
　　6.針對無線能量傳輸與無線信息傳輸共存場景下多個設(shè)計目標(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)計來平衡此共存場景下多個設(shè)計目標(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，本文首先得到其對應(yīng)的烏托邦點(diǎn)。然后，利用加