高媛媛， 王小雨， 李 娜， 王光裕

(陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

通過(guò)射頻(radio frequency, RF)電磁波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器等能量受限節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量采集(energy harvesting, EH)的無(wú)線(xiàn)攜能通信系統(tǒng)(simultaneous wireless information and power transfer, SWIPT)成為近幾年研究的熱點(diǎn)，SWIPT同時(shí)具備無(wú)線(xiàn)信息傳輸(wireless information transmission, WIT)和無(wú)線(xiàn)能量傳輸(wireless power transmission, WPT)的功能。這一研究熱點(diǎn)的興起與5G、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things, IoT)的發(fā)展密切相關(guān)。

隨著IoT被列為新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，成千上萬(wàn)的設(shè)備終端在傳感器網(wǎng)絡(luò)中相互連接[1]。IoT是具有參數(shù)感知、信號(hào)處理和通信等功能的設(shè)備通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)形式互聯(lián)而形成的大規(guī)模生態(tài)系統(tǒng)。眾所周知，5G蜂窩移動(dòng)通信三大應(yīng)用場(chǎng)景之一就是IoT，而且IoT具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于電腦互聯(lián)而形成的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模。誠(chéng)然，在5G出現(xiàn)之前，人們熟悉的遠(yuǎn)程抄水表、電表，或汽車(chē)、煤礦、煉鋼等工業(yè)制造企業(yè)的工業(yè)自動(dòng)化等，都可以看成為某種形式的IoT，只是5G的出現(xiàn)使得原本的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)可以無(wú)縫連接成更為可靠、更易管理的廣域網(wǎng)，同時(shí)使得更多的諸如遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、交通管理、災(zāi)害救援、智慧城市和智慧家庭等人工智能應(yīng)用成為可能。因此有“4G改變生活，5G改變社會(huì)”的說(shuō)法，但信息技術(shù)的發(fā)展也帶來(lái)了巨大的能耗，盡管5G的能量效率是4G的26倍之多，但它所連接的設(shè)備數(shù)量卻可能是4G的1 000倍甚至更多。因此讓通信系統(tǒng)單位能量能發(fā)揮更高的通信效率，從而進(jìn)行“綠色通信”也成為未來(lái)通信發(fā)展的重要目標(biāo)之一。研究一方面是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行[2-4]，另一方面，是通過(guò)降低數(shù)量巨多分布巨廣的IoT設(shè)備的功耗從而提高它們的生命周期。一種可行的辦法是讓這些設(shè)備可以從周?chē)h(huán)境中采集到能量，作為傳統(tǒng)電池供電的替代或補(bǔ)充手段，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、機(jī)械能、熱能等[5]，但在很多場(chǎng)合，這些能量并不是隨時(shí)隨地存在，如水下探測(cè)、地下隧道、軍事監(jiān)測(cè)等，而RF電磁波一方面具有無(wú)處不在的特點(diǎn)，另一方面采集RF電磁波能量的硬件模塊實(shí)現(xiàn)起來(lái)要比其他貯能方式便宜得多，這一點(diǎn)對(duì)于IoT設(shè)備來(lái)說(shuō)尤其重要[6]。蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正是通過(guò)電磁波在空中的傳播來(lái)傳輸信息的，只是人們以前并沒(méi)有從中獲取能量的需求，具有高密度無(wú)線(xiàn)連接特性的現(xiàn)代IoT的迅猛發(fā)展為這一強(qiáng)勁需求提供了大量的看得見(jiàn)摸得著的應(yīng)用場(chǎng)景，一方面現(xiàn)代IoT網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模實(shí)在太大，另一方面節(jié)點(diǎn)分布范圍過(guò)廣，長(zhǎng)期以來(lái)，作為IoT的“皮膚”，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network, WSN)面臨的最顯著瓶頸是如何維持網(wǎng)絡(luò)能夠持續(xù)正常工作。由于傳感器通常由電池供電，這些電池需要定期充電或更換。而很多場(chǎng)景下，更換傳感器電池非常困難甚至完全不可能實(shí)現(xiàn)[1]。如果傳感器可以利用SWIPT技術(shù)在交互信息的同時(shí)獲取能量，那么就不需要考慮充電或更換電池的問(wèn)題，極大降低能耗和維護(hù)成本，因此SWIPT為WSN或IoT供電問(wèn)題提供了終極解決方案。

過(guò)去的幾年里，關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)SWIPT的研究層出不窮[7-8]，包括理論研究和系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面。

首先系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方面有了較大的進(jìn)展。在已有的實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋HSWIPT系統(tǒng)中，RF能量傳輸所采用的頻段通常是微波(300 MHz～30 GHz)[9]或毫米波(30～300 GHz)[10]頻段，最為常見(jiàn)的方法是用超寬帶(ultra wide band, UWB)RF信號(hào)進(jìn)行通信和定位，而用特高頻頻段(300 MHz～3 GHz)內(nèi)的RF信號(hào)完成能量傳輸功能[11-12]。文獻(xiàn)[12]給出了利用射頻識(shí)別(radio frequency identification, RFID)標(biāo)簽進(jìn)行室內(nèi)高精度定位的UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)框圖，如圖1所示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在868 MHz頻率點(diǎn)上的EH、室內(nèi)空間物體的位置跟蹤等功能，其中RFID標(biāo)簽無(wú)電池供電，通過(guò)接收被稱(chēng)為“能量淋浴”供能單元發(fā)出的電磁波進(jìn)行EH，具體來(lái)說(shuō)就是采用一個(gè)RF單音信號(hào)為附近所有的RFID標(biāo)簽充電，然后標(biāo)簽利用該電能在3～5 GHz UWB頻段上完成定位功能，實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明該系統(tǒng)定位精度可以達(dá)到1 cm，充電距離可以超過(guò)10 m。

圖1 UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)框圖

文獻(xiàn)[13]采用的是微波頻段5.8 GHz充電，場(chǎng)景如圖2所示，是一個(gè)航天器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中共有6個(gè)無(wú)線(xiàn)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，每隔1 s向基站發(fā)送溫度信息，基站同時(shí)作為微波功率傳輸(microwave power transfer,MPT)信標(biāo)，采用時(shí)分復(fù)用方式來(lái)接收傳感器發(fā)出的溫度信號(hào)，如圖3所示。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)主要由有源集成天線(xiàn)和混合半導(dǎo)體集成電路組成，其中整流器自動(dòng)切換電路使得射頻轉(zhuǎn)換直流的轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到最大。

圖2 5.8 GHz頻段航天器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖3 5.8 GHz頻段航天器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)隙劃分

文獻(xiàn)[14，15]中給出了一種利用商用藍(lán)牙低能耗(bluetooth low energy,BLE)設(shè)備實(shí)現(xiàn)SWIPT的電路設(shè)計(jì)方法。設(shè)備采用的信源為商用藍(lán)牙模塊，從信源發(fā)出的信號(hào)為連續(xù)波或多音信號(hào)，如頻移鍵控(frequency-shift keying，F(xiàn)SK)、高斯頻移鍵控(gaussian frequency-shift keying，GFSK)信號(hào)，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)電路由匹配網(wǎng)絡(luò)和倍壓整流器構(gòu)成，如圖4所示。其中電感L1起到雙工器的作用，直流電流通過(guò)負(fù)載電阻RL1完成EH功能，同時(shí)，通過(guò)調(diào)頻信號(hào)到調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)即含有負(fù)載電阻RL2的電路完成對(duì)輸入信號(hào)的解調(diào)，恢復(fù)出發(fā)送的比特流信息。電路仿真結(jié)果如圖5所示，其中BLE信源工作于2.426 GHz，數(shù)據(jù)速率分別為1 Mb/s(圖5(a))以及125 kb/s(圖5(b))。當(dāng)輸入功率為1 mW時(shí)，從RF轉(zhuǎn)換成直流的EH效率達(dá)到了47%。

圖4 SWIPT(能量收集以及FSK調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程)在同一電路內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸入

圖5 BLE解調(diào)器數(shù)據(jù)速率分別為1 Mb/s 和125 kb/s時(shí)的輸出電壓

SWIPT中需要特別關(guān)注的一個(gè)重要方面是如何在不損失信息傳輸效率的前提下提升能量轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency, PCE)，現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是按照使其通信性能達(dá)到最佳為目標(biāo)來(lái)考慮的，如為了使數(shù)字通信系統(tǒng)的抗噪聲性能達(dá)到最好，接收端對(duì)其調(diào)制方式的解調(diào)通常都采用相干解調(diào)，相干解調(diào)一個(gè)基本需求是需要本地晶振產(chǎn)生一個(gè)本地載波，還需要相應(yīng)的載波同步、幀同步和位同步系統(tǒng)配合，都是相當(dāng)消耗能量的電路。而SWIPT需要考慮信息傳輸速率和PCE的折中優(yōu)化問(wèn)題[16]，其主要目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化調(diào)制信號(hào)的設(shè)計(jì)使得一方面在EH方面提高直流輸出功率，另一方面提高信息傳輸速率，使兩者聯(lián)合最佳。

目前大部分關(guān)于聯(lián)合優(yōu)化SWIPT系統(tǒng)的研究，如資源配置[17]、功率或時(shí)間分割[18]、調(diào)制技術(shù)優(yōu)化均是以接收端采用相干解調(diào)即需要本地晶振為前提的[19]。不采用相干解調(diào)的SWIPT調(diào)制技術(shù)利用二極管的非線(xiàn)性特性進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)，這類(lèi)系統(tǒng)的性能高度依賴(lài)二極管的非線(xiàn)性特性，經(jīng)典的香農(nóng)公式也不再適用?？梢灶A(yù)見(jiàn)，如何從理論和實(shí)踐角度對(duì)這類(lèi)無(wú)本地晶振SWIPT系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的研究將會(huì)成為一個(gè)新的熱點(diǎn)，例如依據(jù)不同的環(huán)境、工作電平對(duì)多種調(diào)制方式進(jìn)行組合，或設(shè)計(jì)出新的波形體制[20]。

文獻(xiàn)[21]中提出了兩種FSK調(diào)制方法，一種采用均勻間隔多載波FSK調(diào)制并通過(guò)優(yōu)化峰-均功率比來(lái)提升WPT轉(zhuǎn)換效率(圖6)，另一種采用非均勻間隔多載波FSK調(diào)制(圖7)，在表示同一符號(hào)的不同載波間采用不同的頻率間隔，使得每個(gè)符號(hào)中能容納更多的信息，從而提高頻譜利用率和信息傳輸速率。這兩種FSK調(diào)制均不同于一般意義上的數(shù)字通信系統(tǒng)中使用的FSK調(diào)制方式，接收端無(wú)需消耗能量的本地晶振電路，利用了二極管的非線(xiàn)性特性，用同一個(gè)整流電路既完成EH功能，又完成FSK信號(hào)的非相干解調(diào)，如圖8所示。本地采用非相干解調(diào)，無(wú)需本地載波，原因在于一是假設(shè)傳感器工作于信噪比較高的環(huán)境，二是一般來(lái)說(shuō)傳感器的傳輸速率要求不高。

圖6 M=4的三音均勻FSK方式的信號(hào)模型

圖7 M=4的三音非均勻FSK方式的信號(hào)模型

理論研究方面，關(guān)于具有SWIPT功能的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)大致可以劃分成5種類(lèi)型：WSN、中繼網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同多點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)(cooperative multipoint, CoMP)、協(xié)同移動(dòng)云(collaborative mobile cloud, CMC)和認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬WSN[3-4]。無(wú)線(xiàn)攜能通信的策略一般被分為兩種：基于功率切割(power splitting, PS)或時(shí)間切分(time switching, TS)[22-23]。PS策略將接收到的功率進(jìn)行切割，一部分功率用來(lái)傳輸信息，另一部分功率用來(lái)EH。而TS策略將傳輸時(shí)隙進(jìn)行切分，一部分時(shí)間用來(lái)傳輸信息，另一部分時(shí)間用于信號(hào)處理。

SWIPT的使能技術(shù)主要包含多天線(xiàn)傳輸技術(shù)、高效EH技術(shù)、資源配置技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)等。多天線(xiàn)傳輸技術(shù)是解決SWIPT系統(tǒng)傳輸范圍過(guò)小的解決方案之一，在獲得多天線(xiàn)增益的同時(shí)，模擬域和數(shù)字域的雙重波束成形，使得能量的傳輸更為集中。與5G采用毫米波、6G采用太赫茲一樣的考慮，SWIPT系統(tǒng)也必須采用更高的通信頻率來(lái)減小天線(xiàn)的體積。而由多個(gè)用戶(hù)組成帶來(lái)的多用戶(hù)干擾問(wèn)題，可以由各種現(xiàn)有的干擾消除技術(shù)(例如，塊對(duì)角化預(yù)編碼[24]，將信息發(fā)送到無(wú)干擾接收器并向其他接收器發(fā)送能量)來(lái)解決。

高效EH技術(shù)對(duì)于SWIPT系統(tǒng)尤其重要，因?yàn)镾WIPT系統(tǒng)必須在盡可能少的固定來(lái)源能源情況下，實(shí)現(xiàn)綠色通信和自我維持的目標(biāo)。與太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐等傳統(tǒng)能量回收源不同，收發(fā)設(shè)備的位置對(duì)SWIPT中的能量回收性能影響很大。在策略研究方面，有研究采用機(jī)會(huì)主義和合作的方式，如支持SWIPT的發(fā)射器以周期性方式或時(shí)變方式工作，當(dāng)系統(tǒng)中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的功率水平時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉 SWIPT以減少開(kāi)銷(xiāo)，當(dāng)系統(tǒng)中的大部分節(jié)點(diǎn)都缺電時(shí)，可以開(kāi)啟SWIPT為節(jié)點(diǎn)供電。又如文獻(xiàn)[25]中提出在平坦衰落信道的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)鏈路中，存在時(shí)變多用戶(hù)干擾時(shí)的最佳時(shí)間切換規(guī)則，其中假設(shè)接收器沒(méi)有固定電源，因此需要從干擾或發(fā)射機(jī)發(fā)送的預(yù)期信號(hào)中補(bǔ)充能量。文獻(xiàn)[26]研究了在信息傳輸效率和EH效率之間實(shí)現(xiàn)折中的中繼選擇問(wèn)題，提出了最佳權(quán)衡的中繼選擇策略。

SWIPT系統(tǒng)中的資源分配技術(shù)主要是指優(yōu)化系統(tǒng)中各種有限資源的利用，如能量、帶寬、時(shí)間、空間等。當(dāng)然，必須滿(mǎn)足關(guān)于相關(guān)參數(shù)的任何要求或預(yù)定義的約束。由于RF信號(hào)的雙重身份，同時(shí)傳輸信息和能量需要同時(shí)考慮資源分配、功率控制和用戶(hù)調(diào)度問(wèn)題。首先，機(jī)會(huì)功率控制可以通過(guò)利用信道衰落特性來(lái)提高能量和信息傳輸效率。其次，可以調(diào)度信道增益高的空閑用戶(hù)進(jìn)行功率傳輸，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化功率控制的考慮下，系統(tǒng)容量和收集的能量均顯著增加，并且平均收集的能量也可以得到改善。此外，資源分配是減輕無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中干擾的有效方式。通過(guò)SWIPT，對(duì)系統(tǒng)的有害干擾可以轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的有用能量?；诟蓴_的資源分配機(jī)制可以收集干擾并將其定向到特定的耗能設(shè)備，從而提高系統(tǒng)性能。

信號(hào)處理技術(shù)方面，SWIPT的一個(gè)主要問(wèn)題是能量傳輸效率的衰減，這是由傳輸距離增加時(shí)路徑損耗的傳播引起的。波束成形作為一種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，可應(yīng)用于 SWIPT 以提高其功率傳輸效率，而無(wú)需額外帶寬或增加發(fā)射功率。事實(shí)上，波束成形已被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)SWIPT的主要技術(shù)。除了波束成形之外，如果傳遞給接收器的平均功率高于某個(gè)要求的閾值，那么無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統(tǒng)中的傳輸功率會(huì)隨時(shí)間變化。因此，信息可以通過(guò)隨時(shí)間改變其功率電平而在能量信號(hào)中編碼，從而在不降低功率傳輸效率的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的信息傳輸。為了強(qiáng)調(diào)這種能量信號(hào)在WPT和WIT中的雙重用途，由此產(chǎn)生的調(diào)制方案稱(chēng)為能量調(diào)制。在文獻(xiàn)[27]中提出了一種受空間調(diào)制影響的新的通用調(diào)制機(jī)制。這種新調(diào)制使用多個(gè)天線(xiàn)，適用于 SWIPT，尤其是通過(guò)能量模式傳輸信息。關(guān)于脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation, PPM)和脈沖幅度調(diào)制(pulse amplitude modulation, PAM)，可以設(shè)想以下兩種能量模式[28]： (1) 在空間域中使用的類(lèi)似PPM基于位置的能量模式；(2) 完全依賴(lài)于正值的類(lèi)似PAM 基于強(qiáng)度的能量模式。

未來(lái)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要一張網(wǎng)具備全場(chǎng)景、全類(lèi)型的物聯(lián)能力，支撐千億規(guī)模的物聯(lián)連接。具體而言，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)要能支撐不同速率檔位的物聯(lián)類(lèi)型，匹配行業(yè)差異化需求，不僅能確定性滿(mǎn)足工業(yè)場(chǎng)景中的大上行、低時(shí)延、高可靠連接需求，能精細(xì)匹配從kbps到Gbps之間的各種高、中、低速率連接類(lèi)型，還將在蜂窩網(wǎng)引入超低功耗、無(wú)源連接的新形態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)源物聯(lián)覆蓋距離比現(xiàn)有技術(shù)提升10倍以上，滿(mǎn)足海量的無(wú)源連接需求。

大規(guī)模多輸入多輸出(multiple-input multiple-output, MIMO)[29]是提高5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜和能源效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，依據(jù)其天線(xiàn)部署的方式，可以劃分為集中式和分布式，5G采用的基本是集中式，即大規(guī)劃天線(xiàn)陣列集中部署在基站端(base station, BS)。集中部署信號(hào)的好處是信號(hào)處理簡(jiǎn)單、容易管理，但存在邊緣效應(yīng)、小區(qū)授權(quán)用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量不均勻等問(wèn)題。而分布式部署方式將天線(xiàn)或稱(chēng)接入點(diǎn)(access point, AP)在服務(wù)區(qū)域內(nèi)分散部署，通過(guò)協(xié)同工作方式，聯(lián)合處理信號(hào)進(jìn)行編譯碼[30]。因此網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍增大，小區(qū)間干擾減弱，抗陰影衰落能力得到增強(qiáng)[31]，同時(shí)還帶來(lái)功耗大大降低[32]，其代價(jià)是分布式天線(xiàn)需要大量的回程信道，信號(hào)處理也更為復(fù)雜。隨著5G毫米波頻段向6G太赫茲頻段的發(fā)展，電磁波波長(zhǎng)越來(lái)越小，每一個(gè)基站的覆蓋范圍變得更小，因而需要分布更廣、數(shù)量更大、部署更為密集的基站來(lái)進(jìn)行大范圍的覆蓋，去蜂窩大規(guī)模 MIMO 應(yīng)運(yùn)而生。作為分布式大規(guī)模天線(xiàn)中的一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，去蜂窩大規(guī)模 MIMO用大量分布式部署的AP通過(guò)中央處理器(central processing unit, CPU)的連接，相互協(xié)同地為極少數(shù)用戶(hù)提供統(tǒng)一的優(yōu)質(zhì)服務(wù)[33]。與集中式大規(guī)模MIMO相比，去蜂窩大規(guī)模 MIMO 具備更高的宏分集增益、頻譜利用率和能源效率[34-35]等。此外，從RF信號(hào)進(jìn)行EH的角度出發(fā)，大量分布式部署的天線(xiàn)減小了基站和用戶(hù)之間的距離，降低了EH過(guò)程受路徑損耗、通信范圍限制的影響，更加利于SWIPT技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。

然而，從安全性的角度出發(fā)，大量分布式部署的天線(xiàn)在減小了基站和用戶(hù)之間距離的同時(shí)，也減小了基站與竊聽(tīng)者之間的距離，一定程度上更容易導(dǎo)致信息泄露和惡意竊聽(tīng)，尤其是當(dāng)有主動(dòng)竊聽(tīng)者存在時(shí)。文獻(xiàn)[36]表明，與集中式大規(guī)模 MIMO 網(wǎng)絡(luò)相比，由于Cell-free Massive MIMO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的開(kāi)放性和時(shí)頻資源的共享性，去蜂窩大規(guī)模MIMO更容易受到導(dǎo)頻污染攻擊的主動(dòng)竊聽(tīng)安全威脅。本文針對(duì)存在主動(dòng)竊聽(tīng)的基于SWIPT去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的安全傳輸問(wèn)題進(jìn)行了初步的研究并給出了一個(gè)解決方案。

綜上所述，SWIPT技術(shù)不僅為傳感器網(wǎng)絡(luò)和IoT設(shè)備的用電問(wèn)題帶來(lái)了非常好的解決方案，對(duì)于短距離通信能量有限的移動(dòng)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，也具備一定的前瞻性[37]。通常意義上，總吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸速率等性能指標(biāo)最大化，和利用SWIPT技術(shù)盡可能地收集能量，二者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行折中優(yōu)化[38]。鑒于此，本文提出了網(wǎng)絡(luò)采集能量和安全性能限制(MMF-ESC)的PC方案，保證了每個(gè)用戶(hù)采集的能量足夠大，以及竊聽(tīng)者的可達(dá)速率足夠小的要求，該方案為并發(fā)數(shù)據(jù)和能源供應(yīng)的合法用戶(hù)提供了顯著的再生可能性和便利性。

1 系統(tǒng)模型

考慮在單天線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的去蜂窩大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)中，存在M個(gè)AP(相當(dāng)于集中式MIMO的天線(xiàn))，共同為K個(gè)合法授權(quán)用戶(hù)(M?K)提供能量傳輸及信息傳輸服務(wù)。主動(dòng)竊聽(tīng)者 Eve 竊聽(tīng)某特定合法用戶(hù)的信息，假設(shè)被竊用戶(hù)為第k0個(gè)用戶(hù)。 該系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)均隨機(jī)分布，在TDD協(xié)議下完美同步。 如圖9所示，所有AP同時(shí)為每個(gè)用戶(hù)服務(wù)，并與CPU相連。

圖9 存在主動(dòng)竊聽(tīng)者情況的去蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)框圖

1.1 上行信道估計(jì)階段

第m個(gè)AP接收到的導(dǎo)頻信號(hào)為

(1)

式中：Put和Pue分別表示合法用戶(hù)和 Eve 的平均上行功率；wp,m～CN(0,σ2Iτu)為加性高斯白噪聲 (AWGN) 向量。

AP對(duì)上述接收信號(hào)yp,m進(jìn)行處理，寫(xiě)為

(2)

根據(jù)最小均方誤差 (MMSE) 方法，AP 得到的信道估計(jì)值為

(3)

(4)

除此之外，還可以獲得估計(jì)信道的數(shù)值特征，這是至關(guān)重要的。寫(xiě)為

(5)

(6)

1.2 下行SWIPT階段

假設(shè)合法用戶(hù)有權(quán)進(jìn)行 EH，但 Eve 無(wú)權(quán)進(jìn)行 EH， Eve 的能源供應(yīng)來(lái)自電網(wǎng)電源或內(nèi)置電池。用sdk表示用戶(hù)的歸一化信號(hào)，E(|sdk|2)=1。則AP發(fā)送的信號(hào)符號(hào)為

(7)

在信息下行傳輸過(guò)程中，第k個(gè)用戶(hù)接收到的信號(hào)可以表示為

(8)

式中wd,k～CN(0,σ2)為第k個(gè)用戶(hù)處的AWGN。

結(jié)合SWIPT 系統(tǒng)，將相干間隔的結(jié)構(gòu)劃分如圖10所示。xk可分為3個(gè)部分，以便合法用戶(hù)使用TS和PS的混合EH策略。α和θ分別表示TS和PS比率因子，滿(mǎn)足0≤α≤1，0≤θ≤1。第一個(gè)傳輸階段：在ατd內(nèi)根據(jù)TS協(xié)議，利用開(kāi)關(guān)裝置切換到合法用戶(hù)的EH電路上，進(jìn)行EH；第二個(gè)傳輸階段：在(1-α)τd內(nèi)根據(jù)PS協(xié)議，每個(gè)信息承載符號(hào)的功率用以能量形式存儲(chǔ)的占比為θ，其余的功率進(jìn)行信息傳輸。這兩個(gè)傳輸階段采集到的總能量被儲(chǔ)存起來(lái)以備在下一個(gè)時(shí)隙中使用。

圖10 單位相干間隔內(nèi)的傳輸結(jié)構(gòu)

第一階段，在ατd期間，xk通過(guò)TS協(xié)議執(zhí)行完成EH工作。 采集到的能量可以表示為

(9)

式中：κ表示PCE，0<κ<1。

第二階段，在(1-α)τd期間，xk轉(zhuǎn)化為能量的部分為

(10)

第k個(gè)用戶(hù)對(duì)剩余部分信號(hào)進(jìn)行解碼，得到

因此，第k個(gè)用戶(hù)期望采集到的總能量為

(12)

同時(shí)，持續(xù)供電的 Eve 解譯信號(hào)，得到

2 采集的能量和可達(dá)速率分析

結(jié)合MRT預(yù)編碼技術(shù)和線(xiàn)性EH模型，展開(kāi)式(14)可以清楚地表達(dá)第k個(gè)用戶(hù)采集到的總能量

為便于實(shí)現(xiàn)并得到更一般的結(jié)果，假設(shè)用戶(hù)僅已知統(tǒng)計(jì)CSI，這可能會(huì)獲得較少的sdk和zk之間的互信息量。 基于信息論理論，主信道容量的下界可以代表第k個(gè)用戶(hù)的可達(dá)速率。 因此，可以推斷如下

(15)

式中γk為用戶(hù)的信干噪比(SINR)。 一般表達(dá)式可以由式(16) 給出。

其具體的展開(kāi)形式為

(17)

式 (17) 的推導(dǎo)也與文獻(xiàn)[7，19]的研究相同，此處不再贅述。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在最糟糕的安全情況，即Eve能夠知道瞬時(shí)信道增益。 從本質(zhì)上講，Eve很難準(zhǔn)確獲取CSI信息，這是一個(gè)極其悲觀的假設(shè)。竊聽(tīng)容量的上限可表示為

(18)

(19)

具體可以擴(kuò)展為

(20)

3 基于最大-最小公平算法的迭代功率控制(MMF-ESC PC)方案

為實(shí)現(xiàn)采集能量和網(wǎng)絡(luò)安全的網(wǎng)絡(luò)公平要求，提出了一種發(fā)射功率控制方案(MMF-ESC)。 具體而言，安全性就是使得Eve 的可達(dá)速率必須小于某一個(gè)閾值，EH上使得合法用戶(hù)必須采集到足夠的能量來(lái)提供可持續(xù)通信，以便在下一個(gè)時(shí)隙發(fā)送導(dǎo)頻序列。優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為所有用戶(hù)中的最小可達(dá)遍歷速率最大化。模型優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)描述如下

(21)

通過(guò)復(fù)雜的推導(dǎo)，最終，功率優(yōu)化問(wèn)題可以改寫(xiě)為

k=1,…,K

0≤μm≤1m=1,…,M

k=1,…,K

(22)

表1 MMF-ESC PC方案

4 仿真結(jié)果及分析

仿真系統(tǒng)假設(shè)在一個(gè)1×1 km2正方形范圍內(nèi)均勻隨機(jī)分布有M個(gè)AP、K個(gè)合法用戶(hù)和一個(gè)主動(dòng)竊聽(tīng)者。主要仿真參數(shù)如表2所示。給出了去蜂窩大規(guī)模MIMO下行鏈路性能的仿真結(jié)果。

表2 仿真參數(shù)

本文提出的安全傳輸方法為MMF-ESC PC方案，以網(wǎng)絡(luò)中最小的合法授權(quán)用戶(hù)可達(dá)速率最大化為優(yōu)化目標(biāo)，并保證了合法授權(quán)用戶(hù)進(jìn)行收集的能量可維持其不間斷工作，同時(shí)限制網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)攻擊者的竊聽(tīng)速率在閾值之下。圖11和圖12分別表示經(jīng)100次迭代某次固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置后，下行鏈路可達(dá)速率和采集到的能量示意圖。首先，網(wǎng)絡(luò)未進(jìn)行PC優(yōu)化時(shí)，往往可達(dá)速率較低的用戶(hù)可以采集的能量較多，這說(shuō)明同頻用戶(hù)對(duì)其干擾嚴(yán)重，在實(shí)際通信過(guò)程中極大可能影響甚至中斷該用戶(hù)正常通信傳輸，驗(yàn)證了該P(yáng)C優(yōu)化算法可以保障網(wǎng)絡(luò)所有授權(quán)用戶(hù)一致的高服務(wù)質(zhì)量。其次，在EH方面，MMF-ESC PC算法為能量供給不足的用戶(hù)提升至閾值，以支撐其下個(gè)時(shí)隙正常工作，相反，則削弱EH過(guò)剩的用戶(hù)能量。這一現(xiàn)象與上述服務(wù)質(zhì)量一致性相輔相成，MMF-ESC PC算法的引入勢(shì)必帶來(lái)用戶(hù)可達(dá)速率的改善，因此當(dāng)需要提升某用戶(hù)EH能力時(shí)，PC變量趨向增加有用信息的比重，當(dāng)需要減弱某用戶(hù)EH能力時(shí)，PC變量做適當(dāng)調(diào)整，盡可能降低用戶(hù)間干擾分量。另一方面，在討論網(wǎng)絡(luò)安全性時(shí)，MMF-ESC PC算法控制竊聽(tīng)者Eve的SINR閾值參數(shù)為1.2，即網(wǎng)絡(luò)安全性要求竊聽(tīng)速率必須小于等于0.26 b/s/Hz，由圖12可知，未進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，Eve的下行鏈路可達(dá)速率為0.35 b/s/Hz，利用MMF-ESC PC算法后，Eve的下行鏈路可達(dá)速率降至0.07 b/s/Hz，由此可見(jiàn)，MMF-ESC PC算法在保證所有用戶(hù)的傳輸速率一致的同時(shí)，有效提高了網(wǎng)絡(luò)安全性能。

圖11 合法用戶(hù)和 Eve的可達(dá)速率直方仿真圖

圖12 合法用戶(hù)采集的能量直方仿真圖

圖13 合法用戶(hù)的最低平均可達(dá)速率三維仿真圖

5 結(jié)論

本文研究了存在主動(dòng)竊聽(tīng)者的Cell-free大規(guī)模MIMO SWIPT安全傳輸問(wèn)題。在TS/PS混合模式下，通過(guò)分析得到合法用戶(hù)期望采集的能量、可達(dá)速率的下界，以及Eve可達(dá)速率上界的閉合表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，提出了以合法用戶(hù)最小可達(dá)速率最大化為優(yōu)化目標(biāo)的功率控制(MMF-ESC PC)方案。該算法基于Cell-Free大規(guī)模MIMO的特點(diǎn)，在滿(mǎn)足用戶(hù)EH和網(wǎng)絡(luò)安全性能要求的同時(shí)，保證了QoS的一致性。隨后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出的MMF-ESC PC方案的有效性。分析了不同參數(shù)，如TS/PS比率因子、固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎掠脩?hù)的位置對(duì)系統(tǒng)可達(dá)速率、可達(dá)安全速率和可采集能量的影響。得到了一些有指導(dǎo)意義的結(jié)論，如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)可達(dá)速率或安全性有較高要求時(shí)，應(yīng)避免通過(guò) TS 協(xié)議來(lái)補(bǔ)充合法用戶(hù)的能量。而在有些情況下，可以犧牲單個(gè)用戶(hù)可以采集的多余能量，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)用戶(hù)可能達(dá)到的最高速率。該算法使得網(wǎng)絡(luò)的最低可達(dá)速率提高2.5倍，并有效地將Eve的可達(dá)速率控制在預(yù)定閾值以下，實(shí)現(xiàn)了EH及安全傳輸?shù)哪康摹?/p>