樊自甫，蒲秋羽，王正強，萬曉榆

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引言

目前，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代網(wǎng)絡技術在醫(yī)療、安防、政府、交通等領域的深入應用，人們對無線通信技術的業(yè)務需求也隨之提高，各類語音、圖像、視頻通信業(yè)務量的爆炸式增加將使得人們對無線數(shù)據(jù)流量的需求遠遠超過今天[1]。

在傳統(tǒng)的無線信息傳輸中，有研究人員提出大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術[2]。在基站端配置大量天線的大規(guī)模MIMO技術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]，可實現(xiàn)未來網(wǎng)絡高速率高能效數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕恕ｋm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，無線能量傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)技術在無線通信領域內(nèi)吸引了研究人員極大關注。不同于傳統(tǒng)的有線能源，WPT技術利用無線傳輸?shù)姆绞絺鬟f能量進行無線充電[7]，替代傳統(tǒng)有線電塔[6]，可延長能量受限網(wǎng)絡或設備的壽命[8]，提升系統(tǒng)充電的靈活性和便捷性。同時無線信息和能量傳輸(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技術在近年也受到廣泛關注[9-11]。SWIPT技術是由WPT技術發(fā)展而來的攜能通信技術，SWIPT接收端利用周圍環(huán)境的電磁源或定向傳輸?shù)纳漕l信號源進行能量采集，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。利用不同的接收機架構(gòu)，SWIPT可以實現(xiàn)信息和能量協(xié)同傳輸。

SWIPT技術有助于降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)綠色通信。因此，將大規(guī)模MIMO技術與SWIPT技術相結(jié)合的攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以兼具SWIPT和大規(guī)模MIMO技術兩者的優(yōu)點，同時服務多個用戶[13]。如何設計算法有效分配攜能大規(guī)模MIMO資源，成為了當前研究熱點。

1 攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

1.1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型

MIMO技術的特點是在發(fā)射側(cè)和接收側(cè)均采用了多天線機制，獨立信道個數(shù)得到擴展，時間單元內(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現(xiàn)顯著提升。同時，由于MIMO技術的多天線機制，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)，這樣的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為當前無線通信技術的研究重點[15]。

大規(guī)模MIMO作為5G的關鍵技術之一，能夠?qū)崿F(xiàn)提升能效和頻效的雙重目標，大規(guī)模MIMO技術在兼具傳統(tǒng)MIMO技術優(yōu)勢的同時，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，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，擴展了獨立信道個數(shù)，實現(xiàn)超密集連接，用戶端可以從基站發(fā)送的信號中獲取信息或能量。

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

1.2 無線能量傳輸技術模型

WPT技術可以利用射頻(Radio Frequency，RF)波和網(wǎng)絡基礎設施對設備進行供電[16]，延長能量受限網(wǎng)絡的使用壽命。由于存在這些特點，使得WPT目前正在被廣泛研究[17-18]。

從無線能量傳輸?shù)脑沓霭l(fā)，目前WPT技術的主要實現(xiàn)方式有3種：電磁感應、電磁耦合共振和電磁輻射?；陔姶鸥袘腤PT技術采用變壓器原理，是一種非接觸式能量傳輸技術；基于電磁耦合共振的WPT技術利用發(fā)射側(cè)和接收側(cè)諧振器間的場能量作為媒介完成能量傳輸。但這兩種技術依賴于近場電磁波，由于無線能量傳輸距離非常有限，且電磁場與能量收集電路需要對齊，故在遠距離傳輸?shù)膱鼍跋聦嵱眯杂邢蕖１疚闹饕P注采用電磁輻射方式進行無線能量傳輸?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技術主要是從RF波中采集能量，即通過射頻信號的形式可以實現(xiàn)能量的傳輸，延長能量受限網(wǎng)絡的使用壽命。無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、短路風險、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。采用電磁輻射方式的無線能量傳輸系統(tǒng)一般如圖2所示，其中功率信標通常以RF波的形式向周圍的傳感器節(jié)點輻射能量，在能量采集輻射域內(nèi)，傳感器節(jié)點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)的場景下，引入WPT技術對傳感器節(jié)點(Sensor Node，SN)供電，將大規(guī)模MIMO與WPT技術相結(jié)合，能夠幫助實現(xiàn)5G領域的節(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)；時間分割協(xié)議，是在傳感網(wǎng)絡中采用的“采集”—“傳輸”兩階段協(xié)議。圖3給出了采用時間分割協(xié)議的攜能大規(guī)模MIMO的一種系統(tǒng)模型。第一個時隙為能量傳輸階段，第二個時隙為信息傳輸階段。在WPT階段，基站(Base Station，BS)向用戶節(jié)點傳輸能量；在WIT階段內(nèi)，用戶節(jié)點利用收集到的這些能量傳輸信息到BS，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在具有下行傳輸需求的場景中，基站也可傳輸信息到用戶節(jié)點。

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)資源分配問題一般是非凸優(yōu)化問題，如何針對攜能大規(guī)模MIMO資源基于一定性能指標進行優(yōu)化，設計最優(yōu)及其低復雜度的近似最優(yōu)的資源分配算法是一項極具挑戰(zhàn)性的工作?，F(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。本文重點考慮頻效、能效、安全性，下面分別從這三方面展開研究。

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)性能的一個重要指標。提出合適的資源分配算法以優(yōu)化系統(tǒng)的頻效是通信領域的一個重點研究方向。文獻[24-32]研究了攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的頻效優(yōu)化問題。

文獻[24]考慮將非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)應用于毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，提出在基于混合預編碼的MIMO-NOMA系統(tǒng)中同時應用無線信息和能量傳輸，使用簇頭選擇算法為每個波束選擇用戶，然后完成用戶分組預編碼和分組；通過聯(lián)合優(yōu)化功率分配和SWIPT的功率分割因子，研究系統(tǒng)可達和速率最大化問題，并提出了一種求解非凸問題的迭代優(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[25]通過聯(lián)合優(yōu)化預編碼矩陣和時間分配向量來最大化多用戶MIMO全雙工無線攜能通信網(wǎng)絡(Full-Duplex Wireless Powered Communication Network，F(xiàn)D-WPCN)的總吞吐量。通過交替優(yōu)化預編碼矩陣和時間分配向量，提出了一種兩步迭代算法來尋找最優(yōu)解；結(jié)果表明，該方案的性能明顯優(yōu)于等時間功率分配等標準方案。文獻[26]研究了多用戶MIMO認知無線攜能通信網(wǎng)絡(Wireless Powered Communication Network，WPCN)，其中一個次用戶WPCN與一個主用戶無線信息傳輸系統(tǒng)共享頻譜?；谥饔脩舭l(fā)射器和次用戶混合接入點(Hybrid Access Point，HAP)之間的合作水平，該文研究了兩種不同的認知WPCN協(xié)議?？紤]對主用戶的干擾門限約束，對于這兩種不同協(xié)議，提出了最大化系統(tǒng)總吞吐量問題，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[27]研究了基于MIMO的無線供電地下傳感器網(wǎng)絡(Wireless Powered Underground Sensor Networks，WPUSN)的吞吐量的最大化問題。在保證QoS條件下，優(yōu)化波束賦形向量和時間分配權重，以最大限度地提高WPUSN系統(tǒng)吞吐量這一個非凸優(yōu)化問題。為了求解該問題，將其轉(zhuǎn)化為可求解的凸優(yōu)化子問題，最后給出一個閉式解，仿真結(jié)果驗證了其高效性。

上述文獻僅僅是考慮到系統(tǒng)總頻效的優(yōu)化，因為系統(tǒng)總頻效最大化并不能確保每個用戶的頻效達到最優(yōu)，因此在進行資源分配時可能會引起不同用戶之間分配不平衡，導致用戶資源分配存在公平性問題。文獻[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)化問題。文獻[28]研究了一種基于無線能量傳輸?shù)拇笠?guī)模MIMO系統(tǒng)，首先用戶使用混合接入點HAP收集的能量的一部分發(fā)送導頻；然后，HAP利用獲得的信道估計，將無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題。通過分別固定其他優(yōu)化變量的方法，推導漸進最優(yōu)能量分配系數(shù)、時間分配系數(shù)、功率分割因子，求解問題的漸進最優(yōu)解。文獻[29]研究了具有多用戶MIMO信道的無線攜能通信網(wǎng)絡系統(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，通過聯(lián)合優(yōu)化上行功率分配矢量、預編碼器和合并器，最大化基于ZF的上行傳輸?shù)淖钚∮脩羲俾剩岢隽伺ｎD迭代算法來求解。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)點法的最優(yōu)方法相比，該方法可達和速率損失較小。文獻[30]研究了無線攜能大規(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)時間分配算法來最大化系統(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[31]考慮一個在非相關瑞利信道條件下的無蜂窩的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，其中多天線接入點(Access Points，APs)通過無線功率傳輸輔助單天線用戶設備(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[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[31]的基礎上，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]、時間分配[25-27,28,30]、預編碼優(yōu)化[25,27,29]等方面，通過研究多參數(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

在無線通信系統(tǒng)中，除了頻效這一性能指標之外，考慮到系統(tǒng)節(jié)能通信，能效也是一個關鍵性指標。如何對攜能大規(guī)模MIMO能效優(yōu)化問題建模、設計資源優(yōu)化算法，成為當前攜能通信一個重要研究領域。文獻[33-42]研究了攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中能效優(yōu)化問題。

文獻[33]對無線攜能系統(tǒng)的整體功率傳輸效率和能效進行了研究。其中多天線(BS)使用無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)量等關鍵參數(shù)，推導出基站的最優(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)量適中至較大時的輻射強度，該系統(tǒng)在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下運行具有較高的能效。文獻[34]研究了采用NOMA的上行毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能效最大化問題，設計了一種模擬-數(shù)字混合波束形成方案，以減少BS的射頻鏈數(shù)量；考慮用戶服務質(zhì)量要求下，提出能效最大化的功率分配問題，并采用一種迭代算法來求解該問題。文獻[35]考慮一個采用頻分雙工(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，通過優(yōu)化在基站上的傳輸功率分配來最大化往返能效；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[36]考慮了一種具有無線供電的大規(guī)模MIMO輔助的多信道放大和轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡，中繼通過能量波束形成向用戶端供電，同時協(xié)助實現(xiàn)無線信息傳輸；針對該網(wǎng)絡，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[37]考慮具有無線供電的多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，針對信道估計不完全的情況，從波束形成設計、天線選擇、功率分配及時間分割等方面提出系統(tǒng)能效優(yōu)化的問題；采用基于非線性分式規(guī)劃的方法找到最優(yōu)功率與時間分配，提出了一種節(jié)能的資源分配策略。文獻[38]針對攜能傳輸大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，在保證用戶服務質(zhì)量的前提下，聯(lián)合用戶功率分配、基站傳輸功率和時間分配，采用塊坐標下降法優(yōu)化總能效。考慮一個具有無線信息和能量傳輸?shù)拇笠?guī)模MIMO系統(tǒng)，文獻[39]研究了無線能量傳輸下的多小區(qū)大規(guī)模MIMO-NOMA網(wǎng)絡的能效資源分配問題，采用時間分割協(xié)議劃分能量采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，提出一種功率、時間、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[40]研究了基于能量采集的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能效優(yōu)化問題，文中聯(lián)合優(yōu)化能量塔發(fā)射功率、能量采集時間，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，通過分式規(guī)劃理論將原非凸問題進行等價轉(zhuǎn)換，再利用塊坐標下降方法進行迭代求解；仿真表明，與均時最小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[34-40]的資源分配算法研究都是針對系統(tǒng)總能效或用戶總能效的優(yōu)化。考慮到用戶公平性，文獻[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)化問題。文獻[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題轉(zhuǎn)化為等價優(yōu)化問題；在此基礎上，提出了一種基于迭代算法的高效功率和時間分配算法，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[42]考慮一個基站發(fā)送信息和能量給多個能量收集接收器的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，通過聯(lián)合設計基站的功率分配比例和接收機的功率分割(或時間切換)因子，分別研究了接收機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]、時間分配[36-42]、載波分配[39]、預編碼優(yōu)化[37]、天線選擇[37,39]等方面，考慮多個參數(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，隨著人們對通信保密率的要求越來越高，為了保障各類業(yè)務通信保密性，攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的通信安全性成為無線通信領域一個重要研究方向。文獻[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題。

文獻[43]研究了無線供電中繼系統(tǒng)中安全通信的高效功率分配問題，推導了保密中斷容量的封閉表達式，通過最大化系統(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)果驗證了該方案的有效性。文獻[44]研究了大規(guī)模MIMO全雙工無線供電通信網(wǎng)絡中的保密吞吐量問題，在該系統(tǒng)中包含兩組傳感器節(jié)點，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)，考慮雙時槽協(xié)議，ERs被認為是ITs的潛在竊聽者；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，對功率分配和時隙時間進行優(yōu)化，最大限度地提高ITs的保密吞吐量。在無蜂窩的攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，文獻[45]研究了基于安全的SWIPT問題，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)這一非凸問題，利用變量替換將該問題轉(zhuǎn)化為線性問題，提出一種基于松弛半定規(guī)劃的全局最優(yōu)調(diào)度算法進行求解，仿真結(jié)果表明了該算法的有效性。文獻[46]研究了在瑞利衰落信道上的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的SWIPT問題，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[47]針對毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)的安全能效問題，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)的安全能效這一個非凸問題；提出應用丁克巴赫的方法和一階泰勒展開式將其轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，采用一種迭代優(yōu)化算法求解原問題，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[48]研究了采用SWIPT的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行安全傳輸問題，提出聯(lián)合優(yōu)化功率分割比和采集能量分配系數(shù)，以最大化可達保密速率，利用證明函數(shù)單調(diào)性推導問題的閉式解，數(shù)值模擬驗證了該問題的保密速率的封閉式表達式是正確的。

在保證系統(tǒng)安全性的同時，考慮到用戶公平性問題，在基于SWIPT的下行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，文獻[49]研究了通過聯(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)化問題；采用分式規(guī)劃將其轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化子問題，采用一階泰勒展開法和逐次凸逼近法求解子問題；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)安全性與性能指標結(jié)合，同時考慮聯(lián)合多個參數(shù)進行性能優(yōu)化，使系統(tǒng)性能分析更加全面。

2.4 對比分析

頻效和能效是通信系統(tǒng)的重要性能指標，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)化問題都是非凸的，在進行求解前需要采用合適的算法對問題進行凸優(yōu)化處理。對以上關于攜能大規(guī)模MIMO資源分配算法相關工作進行總結(jié)，表1列舉了各個優(yōu)化方法優(yōu)缺點。通過表1可看出，基于頻效和能效優(yōu)化的部分非凸問題的處理需要聯(lián)合采用多種方法，例如文獻[39]，能效優(yōu)化問題首先通過分式規(guī)劃進行問題轉(zhuǎn)化，然后基于拉格朗日對偶法設計迭代算法，通過交替優(yōu)化的方法求解問題。

表1 攜能大規(guī)模MIMO資源分配算法相關研究工作總結(jié)

3 未來趨勢

近年來攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的資源優(yōu)化建模與算法設計，已經(jīng)成為無線通信中一大熱點。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，許多復雜和重要的問題有待進一步研究和探索，針對這些問題，需要進一步研究的內(nèi)容有：

(1) 低精度量化的預編碼

預編碼技術是毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)[50-52]中的一項有潛力的信號處理技術，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)的功率消耗過高，會導致部署成本升高，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、低復雜度的優(yōu)勢，使其成為未來預編碼技術的重點研究方向。目前基于低精度量化的有限碼本預編碼[55]算法針對攜能大規(guī)模MIMO的相關研究還相對較少，有待在未來的工作中進行進一步探索研究。

(2) 信息年齡方向

現(xiàn)有的關于大規(guī)模MIMO的研究，大多集中在能量采集、復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)的一些性能指標。但在某些應用場景下，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)傳輸及時性的重要性更加突出。而作為衡量系統(tǒng)性能指標的吞吐量和時延并不能有效地測量信息新鮮度。近年有研究人員引入信息年齡(Age of Information，AoI)[56-58]作為新的性能指標來量化無線信息狀態(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，也是未來值得研究的方向。

4 結(jié)束語

本文對攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的資源分配算法進行了分析。首先，分別介紹了大規(guī)模MIMO技術、WPT技術以及攜能大規(guī)模MIMO系統(tǒng)；然后，對攜能大規(guī)模MIMO的系統(tǒng)資源分配算法的研究現(xiàn)狀從頻效、能效、安全性三方面進行了對比分析；最后，分析了當前研究現(xiàn)狀的不足，并對下一步的研究方向進行了展望。針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基于低精度量化的有限碼本預編碼問題，以及以信息年齡為性能優(yōu)化目標的資源分配問題，也是未來值得進一步研究的方向。