樊自甫，蒲秋羽，王正強(qiáng)，萬(wàn)曉榆

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

目前，隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療、安防、政府、交通等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，人們對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的業(yè)務(wù)需求也隨之提高，各類語(yǔ)音、圖像、視頻通信業(yè)務(wù)量的爆炸式增加將使得人們對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)流量的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)今天[1]。

在傳統(tǒng)的無(wú)線信息傳輸中，有研究人員提出大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)[2]。在基站端配置大量天線的大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠有效消除用戶間干擾，提高系統(tǒng)頻譜效率(Spectral Efficiency，SE)和能量效率(Energy Efficiency，EE)[3-5]，可實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)高速率高能效數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)。雖然大規(guī)模MIMO可提升系統(tǒng)頻效和能效，但增加了能源損耗[6]。

為降低系統(tǒng)功耗，無(wú)線能量傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)吸引了研究人員極大關(guān)注。不同于傳統(tǒng)的有線能源，WPT技術(shù)利用無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬟f能量進(jìn)行無(wú)線充電[7]，替代傳統(tǒng)有線電塔[6]，可延長(zhǎng)能量受限網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備的壽命[8]，提升系統(tǒng)充電的靈活性和便捷性。同時(shí)無(wú)線信息和能量傳輸(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技術(shù)在近年也受到廣泛關(guān)注[9-11]。SWIPT技術(shù)是由WPT技術(shù)發(fā)展而來(lái)的攜能通信技術(shù)，SWIPT接收端利用周圍環(huán)境的電磁源或定向傳輸?shù)纳漕l信號(hào)源進(jìn)行能量采集，代替了傳統(tǒng)的電網(wǎng)和能源[12]，可以減少系統(tǒng)的功率損耗。利用不同的接收機(jī)架構(gòu)，SWIPT可以實(shí)現(xiàn)信息和能量協(xié)同傳輸。

SWIPT技術(shù)有助于降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)綠色通信。因此，將大規(guī)模MIMO技術(shù)與SWIPT技術(shù)相結(jié)合的攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以兼具SWIPT和大規(guī)模MIMO技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶[13]。如何設(shè)計(jì)算法有效分配攜能大規(guī)模MIMO資源，成為了當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

1 攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

1.1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型

MIMO技術(shù)的特點(diǎn)是在發(fā)射側(cè)和接收側(cè)均采用了多天線機(jī)制，獨(dú)立信道個(gè)數(shù)得到擴(kuò)展，時(shí)間單元內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量得到提升，頻譜效率和傳輸鏈路可靠性實(shí)現(xiàn)顯著提升。同時(shí)，由于MIMO技術(shù)的多天線機(jī)制，系統(tǒng)的分集特性也使得系統(tǒng)魯棒性得到大幅提升[14]。隨著MIMO系統(tǒng)中基站(Base Station，BS)天線數(shù)的增加，系統(tǒng)性能隨之提升，因此，考慮增加MIMO系統(tǒng)天線陣列(上百上千的數(shù)量級(jí))，這樣的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)的研究重點(diǎn)[15]。

大規(guī)模MIMO作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠?qū)崿F(xiàn)提升能效和頻效的雙重目標(biāo)，大規(guī)模MIMO技術(shù)在兼具傳統(tǒng)MIMO技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，能夠充分發(fā)揮大規(guī)模天線陣列在空間自由度方面的優(yōu)勢(shì)，提升系統(tǒng)容量、頻效和能效。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的一般模型由圖1所示，其中基站端配備大規(guī)模天線陣列，擴(kuò)展了獨(dú)立信道個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)超密集連接，用戶端可以從基站發(fā)送的信號(hào)中獲取信息或能量。

圖1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)示例Fig.1 Massive MIMO system model

1.2 無(wú)線能量傳輸技術(shù)模型

WPT技術(shù)可以利用射頻(Radio Frequency，RF)波和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電[16]，延長(zhǎng)能量受限網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。由于存在這些特點(diǎn)，使得WPT目前正在被廣泛研究[17-18]。

從無(wú)線能量傳輸?shù)脑沓霭l(fā)，目前WPT技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)方式有3種：電磁感應(yīng)、電磁耦合共振和電磁輻射?；陔姶鸥袘?yīng)的WPT技術(shù)采用變壓器原理，是一種非接觸式能量傳輸技術(shù)；基于電磁耦合共振的WPT技術(shù)利用發(fā)射側(cè)和接收側(cè)諧振器間的場(chǎng)能量作為媒介完成能量傳輸。但這兩種技術(shù)依賴于近場(chǎng)電磁波，由于無(wú)線能量傳輸距離非常有限，且電磁場(chǎng)與能量收集電路需要對(duì)齊，故在遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膱?chǎng)景下實(shí)用性有限。本文主要關(guān)注采用電磁輻射方式進(jìn)行無(wú)線能量傳輸?shù)难芯俊?/p>

與傳統(tǒng)的有線能量傳輸不同，采用電磁輻射方式的WPT技術(shù)主要是從RF波中采集能量，即通過(guò)射頻信號(hào)的形式可以實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，延長(zhǎng)能量受限網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。無(wú)線能量傳輸能夠有效解決直接供電方式中存在的電線漏電、短路風(fēng)險(xiǎn)、布線成本高等缺陷，較之傳統(tǒng)電能傳輸方式具有安全、靈活等優(yōu)勢(shì)。采用電磁輻射方式的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)一般如圖2所示，其中功率信標(biāo)通常以RF波的形式向周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)輻射能量，在能量采集輻射域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)利用配備的能量采集電路收集并轉(zhuǎn)化這部分能量。

圖2 無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)示例Fig.2 Wireless power transfer system model

1.3 攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型

在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的場(chǎng)景下，引入WPT技術(shù)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor Node，SN)供電，將大規(guī)模MIMO與WPT技術(shù)相結(jié)合，能夠幫助實(shí)現(xiàn)5G領(lǐng)域的節(jié)能降耗。攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)采用的傳輸協(xié)議，主要包括功率分割協(xié)議、時(shí)間分割協(xié)議等。在功率分割協(xié)議中，將基站發(fā)送功率的一部分用于信息傳輸(Wireless Information Transfer，WIT)，另一部分用于能量傳輸(WPT)；時(shí)間分割協(xié)議，是在傳感網(wǎng)絡(luò)中采用的“采集”—“傳輸”兩階段協(xié)議。圖3給出了采用時(shí)間分割協(xié)議的攜能大規(guī)模MIMO的一種系統(tǒng)模型。第一個(gè)時(shí)隙為能量傳輸階段，第二個(gè)時(shí)隙為信息傳輸階段。在WPT階段，基站(Base Station，BS)向用戶節(jié)點(diǎn)傳輸能量；在WIT階段內(nèi)，用戶節(jié)點(diǎn)利用收集到的這些能量傳輸信息到BS，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在具有下行傳輸需求的場(chǎng)景中，基站也可傳輸信息到用戶節(jié)點(diǎn)。

圖3 攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)示例Fig.3 Wireless power transfer enabled massive MIMO system model

2 攜能大規(guī)模MIMO資源分配

由于攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)資源分配問(wèn)題一般是非凸優(yōu)化問(wèn)題，如何針對(duì)攜能大規(guī)模MIMO資源基于一定性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)最優(yōu)及其低復(fù)雜度的近似最優(yōu)的資源分配算法是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。現(xiàn)有的工作方向包含頻效、能效、安全性、覆蓋率[19-20]、容量[21-22]及能耗[23]等。本文重點(diǎn)考慮頻效、能效、安全性，下面分別從這三方面展開(kāi)研究。

2.1 基于頻效的資源分配

在攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，系統(tǒng)的頻效是衡量系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。提出合適的資源分配算法以優(yōu)化系統(tǒng)的頻效是通信領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。文獻(xiàn)[24-32]研究了攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的頻效優(yōu)化問(wèn)題。

文獻(xiàn)[24]考慮將非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)應(yīng)用于毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，提出在基于混合預(yù)編碼的MIMO-NOMA系統(tǒng)中同時(shí)應(yīng)用無(wú)線信息和能量傳輸，使用簇頭選擇算法為每個(gè)波束選擇用戶，然后完成用戶分組預(yù)編碼和分組；通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化功率分配和SWIPT的功率分割因子，研究系統(tǒng)可達(dá)和速率最大化問(wèn)題，并提出了一種求解非凸問(wèn)題的迭代優(yōu)化算法；結(jié)果表明，與采用SWIPT的高性能MIMO-NOMA相比，所提方案具有更高的頻效和能效。文獻(xiàn)[25]通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化預(yù)編碼矩陣和時(shí)間分配向量來(lái)最大化多用戶MIMO全雙工無(wú)線攜能通信網(wǎng)絡(luò)(Full-Duplex Wireless Powered Communication Network，F(xiàn)D-WPCN)的總吞吐量。通過(guò)交替優(yōu)化預(yù)編碼矩陣和時(shí)間分配向量，提出了一種兩步迭代算法來(lái)尋找最優(yōu)解；結(jié)果表明，該方案的性能明顯優(yōu)于等時(shí)間功率分配等標(biāo)準(zhǔn)方案。文獻(xiàn)[26]研究了多用戶MIMO認(rèn)知無(wú)線攜能通信網(wǎng)絡(luò)(Wireless Powered Communication Network，WPCN)，其中一個(gè)次用戶WPCN與一個(gè)主用戶無(wú)線信息傳輸系統(tǒng)共享頻譜?；谥饔脩舭l(fā)射器和次用戶混合接入點(diǎn)(Hybrid Access Point，HAP)之間的合作水平，該文研究了兩種不同的認(rèn)知WPCN協(xié)議?？紤]對(duì)主用戶的干擾門限約束，對(duì)于這兩種不同協(xié)議，提出了最大化系統(tǒng)總吞吐量問(wèn)題，采用迭代優(yōu)化算法確定全局最優(yōu)解。結(jié)果表明，該算法的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的等功率分配算法。文獻(xiàn)[27]研究了基于MIMO的無(wú)線供電地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Powered Underground Sensor Networks，WPUSN)的吞吐量的最大化問(wèn)題。在保證QoS條件下，優(yōu)化波束賦形向量和時(shí)間分配權(quán)重，以最大限度地提高WPUSN系統(tǒng)吞吐量這一個(gè)非凸優(yōu)化問(wèn)題。為了求解該問(wèn)題，將其轉(zhuǎn)化為可求解的凸優(yōu)化子問(wèn)題，最后給出一個(gè)閉式解，仿真結(jié)果驗(yàn)證了其高效性。

上述文獻(xiàn)僅僅是考慮到系統(tǒng)總頻效的優(yōu)化，因?yàn)橄到y(tǒng)總頻效最大化并不能確保每個(gè)用戶的頻效達(dá)到最優(yōu)，因此在進(jìn)行資源分配時(shí)可能會(huì)引起不同用戶之間分配不平衡，導(dǎo)致用戶資源分配存在公平性問(wèn)題。文獻(xiàn)[28-32]研究了攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的用戶公平性頻效優(yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[28]研究了一種基于無(wú)線能量傳輸?shù)拇笠?guī)模MIMO系統(tǒng)，首先用戶使用混合接入點(diǎn)HAP收集的能量的一部分發(fā)送導(dǎo)頻；然后，HAP利用獲得的信道估計(jì)，將無(wú)線能量傳遞給下行用戶；最后，用戶使用一部分收集的能量發(fā)送上行數(shù)據(jù)。為保證用戶傳輸速率的公平性，該文研究了最大化所有用戶中最小用戶速率的問(wèn)題。通過(guò)分別固定其他優(yōu)化變量的方法，推導(dǎo)漸進(jìn)最優(yōu)能量分配系數(shù)、時(shí)間分配系數(shù)、功率分割因子，求解問(wèn)題的漸進(jìn)最優(yōu)解。文獻(xiàn)[29]研究了具有多用戶MIMO信道的無(wú)線攜能通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提出了一種基于迫零(Zero Forced,ZF)的傳輸方法。在用戶傳輸功率由基站下行功率決定的約束下，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化上行功率分配矢量、預(yù)編碼器和合并器，最大化基于ZF的上行傳輸?shù)淖钚∮脩羲俾?，提出了牛頓迭代算法來(lái)求解。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的WPCN傳輸方案相比，該方法具有至少3 dB的信噪比增益；與內(nèi)點(diǎn)法的最優(yōu)方法相比，該方法可達(dá)和速率損失較小。文獻(xiàn)[30]研究了無(wú)線攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中以最大化最小用戶速率為目標(biāo)的資源分配算法，提出了一種基于二分法的閉式功率分配和最優(yōu)時(shí)間分配算法來(lái)最大化系統(tǒng)中用戶的最小速率，仿真結(jié)果表明該算法在用戶最小速率和能量效率方面具有有效的折中。文獻(xiàn)[31]考慮一個(gè)在非相關(guān)瑞利信道條件下的無(wú)蜂窩的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，其中多天線接入點(diǎn)(Access Points，APs)通過(guò)無(wú)線功率傳輸輔助單天線用戶設(shè)備(User Equipments，UEs)。該文提出一種交替優(yōu)化算法，研究了AP和UE在傳輸功率約束下，最大化用戶的最小頻效的問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，與其他方案相比，該算法的公平性得到了提高。此外，增加AP的數(shù)量在一定程度上能提高頻譜效率。文獻(xiàn)[32]考慮非線性能量采集模型、上行鏈路傳輸信息、下行鏈路傳輸功率，在文獻(xiàn)[31]的基礎(chǔ)上，增加了大規(guī)模衰落解碼(Large-scale Fading Decoding，LSFD)向量這一優(yōu)化變量，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化AP、UE的功率控制系數(shù)和LSFD，最大化最小用戶頻效；并采用交替優(yōu)化算法求解，結(jié)果表明，相比以往工作提高了算法收斂性。

目前基于攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)頻效優(yōu)化的資源分配算法的研究主要集中在功率分配[24,28-32]、時(shí)間分配[25-27,28,30]、預(yù)編碼優(yōu)化[25,27,29]等方面，通過(guò)研究多參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻效，可以充分利用系統(tǒng)資源。

2.2 基于能效的資源分配

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，除了頻效這一性能指標(biāo)之外，考慮到系統(tǒng)節(jié)能通信，能效也是一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。如何對(duì)攜能大規(guī)模MIMO能效優(yōu)化問(wèn)題建模、設(shè)計(jì)資源優(yōu)化算法，成為當(dāng)前攜能通信一個(gè)重要研究領(lǐng)域。文獻(xiàn)[33-42]研究了攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中能效優(yōu)化問(wèn)題。

文獻(xiàn)[33]對(duì)無(wú)線攜能系統(tǒng)的整體功率傳輸效率和能效進(jìn)行了研究。其中多天線(BS)使用無(wú)線能量傳輸為下行單天線能量收集用戶充電，用戶利用收集到的能量向上行鏈路上的基站傳送信息。根據(jù)基站天線數(shù)量和用戶數(shù)量等關(guān)鍵參數(shù)，推導(dǎo)出基站的最優(yōu)發(fā)射功率。隨著天線數(shù)量的增加，提高發(fā)射功率可以提高天線數(shù)量適中至較大時(shí)的輻射強(qiáng)度，該系統(tǒng)在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下運(yùn)行具有較高的能效。文獻(xiàn)[34]研究了采用NOMA的上行毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效最大化問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種模擬-數(shù)字混合波束形成方案，以減少BS的射頻鏈數(shù)量；考慮用戶服務(wù)質(zhì)量要求下，提出能效最大化的功率分配問(wèn)題，并采用一種迭代算法來(lái)求解該問(wèn)題。文獻(xiàn)[35]考慮一個(gè)采用頻分雙工(Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD)的攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。在保證不同用戶延遲中斷需求的條件下，提出基于二分法的功率分配算法，通過(guò)優(yōu)化在基站上的傳輸功率分配來(lái)最大化往返能效；結(jié)果表明，所提出的功率分配方法能夠顯著提高系統(tǒng)的往返能效。文獻(xiàn)[36]考慮了一種具有無(wú)線供電的大規(guī)模MIMO輔助的多信道放大和轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)，中繼通過(guò)能量波束形成向用戶端供電，同時(shí)協(xié)助實(shí)現(xiàn)無(wú)線信息傳輸；針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)，采用兩層迭代算法，提出了一種新的用于全局能效優(yōu)化的節(jié)能資源分配方案。文獻(xiàn)[37]考慮具有無(wú)線供電的多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，針對(duì)信道估計(jì)不完全的情況，從波束形成設(shè)計(jì)、天線選擇、功率分配及時(shí)間分割等方面提出系統(tǒng)能效優(yōu)化的問(wèn)題；采用基于非線性分式規(guī)劃的方法找到最優(yōu)功率與時(shí)間分配，提出了一種節(jié)能的資源分配策略。文獻(xiàn)[38]針對(duì)攜能傳輸大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，聯(lián)合用戶功率分配、基站傳輸功率和時(shí)間分配，采用塊坐標(biāo)下降法優(yōu)化總能效?？紤]一個(gè)具有無(wú)線信息和能量傳輸?shù)拇笠?guī)模MIMO系統(tǒng)，文獻(xiàn)[39]研究了無(wú)線能量傳輸下的多小區(qū)大規(guī)模MIMO-NOMA網(wǎng)絡(luò)的能效資源分配問(wèn)題，采用時(shí)間分割協(xié)議劃分能量采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，提出一種功率、時(shí)間、子載波和天線選擇的聯(lián)合分配方案，以獲得最優(yōu)的能量效率性能。文獻(xiàn)[40]研究了基于能量采集的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能效優(yōu)化問(wèn)題，文中聯(lián)合優(yōu)化能量塔發(fā)射功率、能量采集時(shí)間，最大化上行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能效，提出了一種聯(lián)合優(yōu)化算法，通過(guò)分式規(guī)劃理論將原非凸問(wèn)題進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換，再利用塊坐標(biāo)下降方法進(jìn)行迭代求解；仿真表明，與均時(shí)最小QoS保證算法、吞吐量資源分配算法相比，該算法提高了系統(tǒng)能效。

文獻(xiàn)[34-40]的資源分配算法研究都是針對(duì)系統(tǒng)總能效或用戶總能效的優(yōu)化?？紤]到用戶公平性，文獻(xiàn)[41-42]研究了攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的用戶公平性能效優(yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[41]研究了采用先收后送協(xié)議的攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。采用二次變換方法，首先將非凸能效最大化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為等價(jià)優(yōu)化問(wèn)題；在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于迭代算法的高效功率和時(shí)間分配算法，最大化用戶的最小能效，仿真結(jié)果表明了該算法的有效性。文獻(xiàn)[42]考慮一個(gè)基站發(fā)送信息和能量給多個(gè)能量收集接收器的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)基站的功率分配比例和接收機(jī)的功率分割(或時(shí)間切換)因子，分別研究了接收機(jī)之間的最大化最小傳輸速率和最大化系統(tǒng)能效，提出高效的資源分配算法得到問(wèn)題最優(yōu)解；仿真結(jié)果表明，功率分割模式在最小傳輸速率和系統(tǒng)能效方面的表現(xiàn)都優(yōu)于時(shí)間切換模式。

目前基于攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能效優(yōu)化的資源分配算法的研究主要集中在功率分配[34-42]、時(shí)間分配[36-42]、載波分配[39]、預(yù)編碼優(yōu)化[37]、天線選擇[37,39]等方面，考慮多個(gè)參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化的資源分配算法，提升系統(tǒng)性能的效果更佳。

2.3 基于安全性的資源分配

除了頻效與能效這兩種性能指標(biāo)，隨著人們對(duì)通信保密率的要求越來(lái)越高，為了保障各類業(yè)務(wù)通信保密性，攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的通信安全性成為無(wú)線通信領(lǐng)域一個(gè)重要研究方向。文獻(xiàn)[43-49]研究了攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于安全性的資源分配問(wèn)題。

文獻(xiàn)[43]研究了無(wú)線供電中繼系統(tǒng)中安全通信的高效功率分配問(wèn)題，推導(dǎo)了保密中斷容量的封閉表達(dá)式，通過(guò)最大化系統(tǒng)安全能量效率(即安全中斷容量與總能耗的比值)，得到了一種節(jié)能的功率分配方案，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。文獻(xiàn)[44]研究了大規(guī)模MIMO全雙工無(wú)線供電通信網(wǎng)絡(luò)中的保密吞吐量問(wèn)題，在該系統(tǒng)中包含兩組傳感器節(jié)點(diǎn)，第一組為信息發(fā)射器(Information Transmitters，ITs)，第二組為能量接收器(Energy Receivers，ERs)，考慮雙時(shí)槽協(xié)議，ERs被認(rèn)為是ITs的潛在竊聽(tīng)者；提出一種兩階段次優(yōu)方法，考慮在ERs接收能量約束的情況下，對(duì)功率分配和時(shí)隙時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，最大限度地提高ITs的保密吞吐量。在無(wú)蜂窩的攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[45]研究了基于安全的SWIPT問(wèn)題，聯(lián)合優(yōu)化功率控制因子，在最壞情況下最大化遍歷保密率(Ergodic Secrecy Rate，ESR)這一非凸問(wèn)題，利用變量替換將該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題，提出一種基于松弛半定規(guī)劃的全局最優(yōu)調(diào)度算法進(jìn)行求解，仿真結(jié)果表明了該算法的有效性。文獻(xiàn)[46]研究了在瑞利衰落信道上的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的SWIPT問(wèn)題，在用戶保密率和采集功率約束的情況下，聯(lián)合優(yōu)化基站天線傾斜角、人工噪聲協(xié)方差、功率分配和功率分割比，以最小化基站總發(fā)射功率；提出了一種迭代算法求解該問(wèn)題，數(shù)值結(jié)果表明，該方案優(yōu)于傳統(tǒng)的三維MIMO方案。文獻(xiàn)[47]針對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)的安全能效問(wèn)題，研究了聯(lián)合優(yōu)化基站發(fā)送功率及功率分配系數(shù)，以最大化系統(tǒng)的安全能效這一個(gè)非凸問(wèn)題；提出應(yīng)用丁克巴赫的方法和一階泰勒展開(kāi)式將其轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題，采用一種迭代優(yōu)化算法求解原問(wèn)題，結(jié)果表明所提方案能夠有效提高系統(tǒng)的安全能效。文獻(xiàn)[48]研究了采用SWIPT的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行安全傳輸問(wèn)題，提出聯(lián)合優(yōu)化功率分割比和采集能量分配系數(shù)，以最大化可達(dá)保密速率，利用證明函數(shù)單調(diào)性推導(dǎo)問(wèn)題的閉式解，數(shù)值模擬驗(yàn)證了該問(wèn)題的保密速率的封閉式表達(dá)式是正確的。

在保證系統(tǒng)安全性的同時(shí)，考慮到用戶公平性問(wèn)題，在基于SWIPT的下行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[49]研究了通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化基站傳輸功率和功率分割比，以最大化用戶最小安全能效這一非凸優(yōu)化問(wèn)題；采用分式規(guī)劃將其轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化子問(wèn)題，采用一階泰勒展開(kāi)法和逐次凸逼近法求解子問(wèn)題；提出了一種基于二分法的安全能效資源分配算法，求解系統(tǒng)的最大化用戶最小安全能效。

上述基于攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)通信安全性的資源分配算法的研究，優(yōu)化變量的選擇主要集中在功率分配[43-47]、時(shí)間分配[44]、功率分割比[46,48-49]、天線傾斜角[46]、基站發(fā)送功率[47,49]、能量分配系數(shù)[48]方面，將通信系統(tǒng)安全性與性能指標(biāo)結(jié)合，同時(shí)考慮聯(lián)合多個(gè)參數(shù)進(jìn)行性能優(yōu)化，使系統(tǒng)性能分析更加全面。

2.4 對(duì)比分析

頻效和能效是通信系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，安全性是保證通信質(zhì)量的重要需求。由于現(xiàn)在研究中出現(xiàn)的大多數(shù)待求解的優(yōu)化問(wèn)題都是非凸的，在進(jìn)行求解前需要采用合適的算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行凸優(yōu)化處理。對(duì)以上關(guān)于攜能大規(guī)模MIMO資源分配算法相關(guān)工作進(jìn)行總結(jié)，表1列舉了各個(gè)優(yōu)化方法優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)表1可看出，基于頻效和能效優(yōu)化的部分非凸問(wèn)題的處理需要聯(lián)合采用多種方法，例如文獻(xiàn)[39]，能效優(yōu)化問(wèn)題首先通過(guò)分式規(guī)劃進(jìn)行問(wèn)題轉(zhuǎn)化，然后基于拉格朗日對(duì)偶法設(shè)計(jì)迭代算法，通過(guò)交替優(yōu)化的方法求解問(wèn)題。

表1 攜能大規(guī)模MIMO資源分配算法相關(guān)研究工作總結(jié)

3 未來(lái)趨勢(shì)

近年來(lái)攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的資源優(yōu)化建模與算法設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為無(wú)線通信中一大熱點(diǎn)。目前大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的研究大多基于優(yōu)化和速率、全局能效以及安全性的問(wèn)題，但還缺乏從多維度聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)資源的考慮，許多復(fù)雜和重要的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究和探索，針對(duì)這些問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容有：

(1) 低精度量化的預(yù)編碼

預(yù)編碼技術(shù)是毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)[50-52]中的一項(xiàng)有潛力的信號(hào)處理技術(shù)，利用天線陣列中陣元的幅度和相位的可調(diào)性，可以獲取更高的波束增益[53]。但預(yù)編碼系統(tǒng)的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converters，DACs)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converters，ADCs)的功率消耗過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致部署成本升高，采用低精度DACs/ADCs能有效降低能耗[54]。由于低精度量化存在低功耗、低復(fù)雜度的優(yōu)勢(shì)，使其成為未來(lái)預(yù)編碼技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。目前基于低精度量化的有限碼本預(yù)編碼[55]算法針對(duì)攜能大規(guī)模MIMO的相關(guān)研究還相對(duì)較少，有待在未來(lái)的工作中進(jìn)行進(jìn)一步探索研究。

(2) 信息年齡方向

現(xiàn)有的關(guān)于大規(guī)模MIMO的研究，大多集中在能量采集、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)的一些性能指標(biāo)。但在某些應(yīng)用場(chǎng)景下，例如一些重要的中央控制系統(tǒng)中，信息新鮮度和數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)性的重要性更加突出。而作為衡量系統(tǒng)性能指標(biāo)的吞吐量和時(shí)延并不能有效地測(cè)量信息新鮮度。近年有研究人員引入信息年齡(Age of Information，AoI)[56-58]作為新的性能指標(biāo)來(lái)量化無(wú)線信息狀態(tài)更新的新鮮度，它被定義為最新收到的狀態(tài)自生成到接收所經(jīng)歷的時(shí)間[59-60]。在攜能大規(guī)模MIMO中，如何分析和優(yōu)化AoI性能并提出有效的資源分配算法，也是未來(lái)值得研究的方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的資源分配算法進(jìn)行了分析。首先，分別介紹了大規(guī)模MIMO技術(shù)、WPT技術(shù)以及攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)；然后，對(duì)攜能大規(guī)模MIMO的系統(tǒng)資源分配算法的研究現(xiàn)狀從頻效、能效、安全性三方面進(jìn)行了對(duì)比分析；最后，分析了當(dāng)前研究現(xiàn)狀的不足，并對(duì)下一步的研究方向進(jìn)行了展望。針對(duì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基于低精度量化的有限碼本預(yù)編碼問(wèn)題，以及以信息年齡為性能優(yōu)化目標(biāo)的資源分配問(wèn)題，也是未來(lái)值得進(jìn)一步研究的方向。