無線攜能通信系統(tǒng)中的魯棒波束成形技術(shù)研究.pdf

1、近兩年新興的無線攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT)技術(shù)，是無線通信技術(shù)與無線輸電技術(shù)交叉融合的科研結(jié)晶，因其能夠?qū)崿F(xiàn)了信息和能量的同時傳輸，自提出以來就受到了人們的廣泛關(guān)注?；诙嗵炀€技術(shù)的廣泛應用，波束成形技術(shù)能夠有效抑制SWIPT系統(tǒng)的多址干擾。然而，多天線系統(tǒng)SWIPT技術(shù)的傳輸性能很大程度上依賴于發(fā)射機獲取的信道狀態(tài)信息(Channe

2、l State Information, CSI)，不同信道誤差模型和應用場景下的傳輸機制成為SWIPT技術(shù)的魯棒波束成形研究中的關(guān)鍵和難點，本文圍繞這些難點進行了研究。
　　(1)針對基于功率分裂式接收機的多輸入單輸出(Multiple Input Single Output, MISO) SWIPT系統(tǒng)廣播信道魯棒波束成形和功率分裂聯(lián)合設計問題，在確定性信道誤差模型下研究發(fā)射功率最小化問題，基于最差性能的優(yōu)化設計理念，提出了一

3、種基于松弛近似的魯棒算法。為了提高基于松弛近似的魯棒算法的性能，采用拉格朗日乘子法，提出了一種基于嚴格近似的魯棒算法。仿真結(jié)果表明所提基于嚴格近似的魯棒算法性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的魯棒波束成形算法。為了解決小區(qū)內(nèi)的覆蓋中存在盲點的問題，研究了在確定性信道誤差下基于SWIPT的多用戶分布式天線系統(tǒng)(Distributed Antenna Systems, DAS)，在信干噪比(Signal to Interference plus Noise

4、Ratio, SINR)均衡準則下，提出了一種基于二分法的次優(yōu)波束成形和功率分裂聯(lián)合設計算法。仿真結(jié)果驗證了所提算法的魯棒性和有效性。
　　(2)針對基于分離式接收的 MISO-SWIPT系統(tǒng)魯棒波束成形設計問題，在確定性信道矢量誤差模型和確定性信道方差誤差模型下，研究最小公平性SINR最大化問題，基于最差性能的優(yōu)化設計理念，分別提出了魯棒波束成形設計方案。仿真結(jié)果顯示：基于信道矢量誤差下的魯棒算法的系統(tǒng)性能優(yōu)于基于信道方差誤差下

5、的魯棒算法，但是以較高的復雜度為代價換取的。而基于信道方差誤差下的魯棒算法較好地實現(xiàn)了系統(tǒng)性能與計算復雜度的折中。
　　(3)考慮到無線電信號的廣播特性，SWIPT技術(shù)中存在著信息泄露及被竊聽的安全隱患。針對多用戶MISO-SWIPT系統(tǒng)竊聽信道模型中合法信道CSI是理想的和竊聽信道 CSI存在誤差情況，研究隨機性信道誤差模型下發(fā)射功率最小化問題，基于中斷性能的安全傳輸設計理念，根據(jù)連續(xù)凸逼近方法(Successive Conve

6、x Approximation, SCA)，提出了一種基于SCA的迭代算法，在保證逐漸逼近最優(yōu)魯棒波束成形的同時不降低系統(tǒng)保密性能。此外，將所提到的算法推廣到合法信道CSI是和竊聽信道CSI均存在誤差情況。仿真結(jié)果表明：對比傳統(tǒng)的魯棒波束成形設計策略，所提算法具有低復雜度、高性能特點。
　　(4)基于安全傳輸和能量采集考慮，將人工噪聲輔助方法引入到 SWIPT系統(tǒng)的物理層安全中。針對多用戶多輸入多輸出(Multiple Input

7、 Multiple Output, MIMO) SWIPT系統(tǒng)竊聽信道模型下行鏈路發(fā)送波束成形矢量、人工噪聲協(xié)方差矩陣和功率分裂因子聯(lián)合設計問題，在理想CSI情況和確定性CSI誤差情況下，以有用信息功率最小化為準則，提出了一種基于序貫參數(shù)凸逼近(Sequential Parametric Convex Approximation, SPCA)迭代的次優(yōu)算法。該算法將SPCA方法、一階泰勒近似和線性近似方法有機結(jié)合，通過固定點迭代方式逐漸