在存在竊聽者且合法用戶配備功率分裂器用于能量轉(zhuǎn)化的條件下,對毫米波大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）非正交多址接入（NOMA）系統(tǒng)的安全能效（SEE）問題進(jìn)行了研究。首先根據(jù)信道狀態(tài)信息對合法用戶進(jìn)行分組并選出各組的簇頭,然后利用NOMA技術(shù)和混合數(shù)字模擬預(yù)編碼技術(shù)設(shè)計(jì)多個波束分別服務(wù)于各簇。在此基礎(chǔ)上,研究優(yōu)化發(fā)送功率及功率分配系數(shù)的安全能效最大化問題。應(yīng)用Dinkelbach技術(shù)和一階泰勒展開式將原非凸問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題,進(jìn)而提出一種迭代優(yōu)化算法獲得最初問題的解。仿真結(jié)果表明,所提方案有效提高了系統(tǒng)的安全能效。 

【文章來源】：通信學(xué)報. 2020,41(08)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

混合模擬數(shù)字預(yù)編碼系統(tǒng)

第8期趙飛等：基于SWIPT的毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)下安全能效資源優(yōu)化·81·大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括K個合法用戶和一個竊聽用戶，基站配置NRF個射頻鏈和NTX根天線，合法用戶均配有功率分裂器，可以把接收射頻信號的一部分轉(zhuǎn)化為能量。圖1存在竊聽用戶的下行毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)混合模擬數(shù)字預(yù)編碼系統(tǒng)一般分為全連接和子連接2種結(jié)構(gòu)。全連接結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，每條射頻鏈通過NTX個移相器連接所有天線，共需要NTXNRF個移相器。子連接結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，每個射頻鏈僅連接一個子天線陣列。假設(shè)每個射頻鏈連接TXRFNN根天線且為整數(shù)，則基站需要NTX個移相器。與全連接結(jié)構(gòu)相比，子連接結(jié)構(gòu)硬件復(fù)雜度較低且節(jié)能，但會損耗系統(tǒng)傳輸速率[18]。如圖1所示，混合模擬數(shù)字預(yù)編碼系統(tǒng)首先需要對所有合法用戶進(jìn)行分組，并選出各組的簇頭，然后根據(jù)簇頭設(shè)計(jì)混合預(yù)編碼，使一個波束通過NOMA技術(shù)來服務(wù)該簇內(nèi)的合法用戶。假設(shè)每個簇至少包含一個合法用戶（即K≥NRF），將K個合法用戶分組為L個簇（即NRF=L）。采用文獻(xiàn)[18]的方法選出簇頭，并根據(jù)等效信道互相關(guān)性對所有合法用戶分為Ml個分組（l∈{1,…,L}），其表示第l個簇中合法用戶的集合。本文利用NOMA技術(shù)和串行干擾消除（SIC,successiveinterferencecancellation）技術(shù)來消除波束內(nèi)較弱信道增益信號對較強(qiáng)信號的干擾。假設(shè)每個簇中的合法用戶根據(jù)信道增益按由強(qiáng)到弱順序進(jìn)行排列，第l個簇中第m個合法用戶記為合法用戶(l,m)，其接收信號為1,,,,,,,1,,,,1++i

南轡槐忍厥?B=4。假設(shè)每條射頻鏈的功率PRF=300mW，移相器功率PPS=40mW，基帶功率PB=200mW[17]。對于全連接結(jié)構(gòu)和子連接結(jié)構(gòu)所需的移相器個數(shù)分別為NPSF=NTXNRF和NPSS=NTX。本文方案的收斂性能分析如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，本文方案在內(nèi)層迭代10次后頻譜效率得到收斂，外層迭代不到20次收斂曲線便趨于穩(wěn)定。圖3本文方案的收斂性能分析不同天線結(jié)構(gòu)和不同射頻鏈數(shù)目情況下最大安全頻譜效率隨總發(fā)射功率限制Pmax的變化如圖4所示。從圖4可以看出，所有結(jié)構(gòu)的安全頻譜效率均隨Pmax的增大而增大，其中，全數(shù)字迫零預(yù)編碼下的安全速率最高，這是由于每條射頻鏈連接一根天線，可以任意調(diào)節(jié)信號的幅度和相位，從而獲得最大的復(fù)用增益。由圖4還可以看出，相同射頻鏈路條件下，全連接結(jié)構(gòu)的安全頻譜效率大于子連接結(jié)構(gòu)的安全頻譜效率，這是因?yàn)槿B接結(jié)構(gòu)的每一條射頻鏈連接所有天線實(shí)現(xiàn)了全陣列增益，而子連接結(jié)構(gòu)只連接到一個子天線陣列。此外，通過不同射頻鏈數(shù)目的比較可以發(fā)現(xiàn)，增加射頻鏈數(shù)量可以顯著提高系統(tǒng)安全頻譜效率。圖4系統(tǒng)安全頻譜效率隨Pmax的變化情況系統(tǒng)安全能效的仿真結(jié)果如圖5所示，表示不同天線結(jié)構(gòu)和不同射頻鏈數(shù)目情況下最大安全能效隨著總發(fā)射功率限制Pmax變化的情況。從圖5可以看出，在所有天線結(jié)構(gòu)下，當(dāng)總發(fā)射功率限制Pmax較小時，安全能效均隨著Pmax的增大而增大。當(dāng)Pmax≥8dB時，安全能效的曲線趨于水平。這是由于當(dāng)Pmax較小時，安全能效的增加主要取決于安全速率的增加；而當(dāng)Pmax達(dá)到一定閾值時，安全速率的增加已無法補(bǔ)償發(fā)射功率的消耗，使發(fā)射

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]5G若干關(guān)鍵技術(shù)評述[J]. 張平,陶運(yùn)錚,張治.  通信學(xué)報. 2016(07)



本文編號：3582308