基于SWIPT的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下安全能效资源优化
发布时间：2022-01-11 06:48
在存在窃听者且合法用户配备功率分裂器用于能量转化的条件下,对毫米波大规模多输入多输出（MIMO）非正交多址接入（NOMA）系统的安全能效（SEE）问题进行了研究。首先根据信道状态信息对合法用户进行分组并选出各组的簇头,然后利用NOMA技术和混合数字模拟预编码技术设计多个波束分别服务于各簇。在此基础上,研究优化发送功率及功率分配系数的安全能效最大化问题。应用Dinkelbach技术和一阶泰勒展开式将原非凸问题转化为凸优化问题,进而提出一种迭代优化算法获得最初问题的解。仿真结果表明,所提方案有效提高了系统的安全能效。
【文章来源】：通信学报. 2020,41(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
混合模拟数字预编码系统
第8期赵飞等：基于SWIPT的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下安全能效资源优化·81·大规模MIMO-NOMA系统，该系统包括K个合法用户和一个窃听用户，基站配置NRF个射频链和NTX根天线，合法用户均配有功率分裂器，可以把接收射频信号的一部分转化为能量。图1存在窃听用户的下行毫米波大规模MIMO-NOMA系统混合模拟数字预编码系统一般分为全连接和子连接2种结构。全连接结构如图2(a)所示，每条射频链通过NTX个移相器连接所有天线，共需要NTXNRF个移相器。子连接结构如图2(b)所示，每个射频链仅连接一个子天线阵列。假设每个射频链连接TXRFNN根天线且为整数，则基站需要NTX个移相器。与全连接结构相比，子连接结构硬件复杂度较低且节能，但会损耗系统传输速率[18]。如图1所示，混合模拟数字预编码系统首先需要对所有合法用户进行分组，并选出各组的簇头，然后根据簇头设计混合预编码，使一个波束通过NOMA技术来服务该簇内的合法用户。假设每个簇至少包含一个合法用户（即K≥NRF），将K个合法用户分组为L个簇（即NRF=L）。采用文献[18]的方法选出簇头，并根据等效信道互相关性对所有合法用户分为Ml个分组（l∈{1,…,L}），其表示第l个簇中合法用户的集合。本文利用NOMA技术和串行干扰消除（SIC,successiveinterferencecancellation）技术来消除波束内较弱信道增益信号对较强信号的干扰。假设每个簇中的合法用户根据信道增益按由强到弱顺序进行排列，第l个簇中第m个合法用户记为合法用户(l,m)，其接收信号为1,,,,,,,1,,,,1++i
南辔槐忍厥?B=4。假设每条射频链的功率PRF=300mW，移相器功率PPS=40mW，基带功率PB=200mW[17]。对于全连接结构和子连接结构所需的移相器个数分别为NPSF=NTXNRF和NPSS=NTX。本文方案的收敛性能分析如图3所示。从图3可以发现，本文方案在内层迭代10次后频谱效率得到收敛，外层迭代不到20次收敛曲线便趋于稳定。图3本文方案的收敛性能分析不同天线结构和不同射频链数目情况下最大安全频谱效率随总发射功率限制Pmax的变化如图4所示。从图4可以看出，所有结构的安全频谱效率均随Pmax的增大而增大，其中，全数字迫零预编码下的安全速率最高，这是由于每条射频链连接一根天线，可以任意调节信号的幅度和相位，从而获得最大的复用增益。由图4还可以看出，相同射频链路条件下，全连接结构的安全频谱效率大于子连接结构的安全频谱效率，这是因为全连接结构的每一条射频链连接所有天线实现了全阵列增益，而子连接结构只连接到一个子天线阵列。此外，通过不同射频链数目的比较可以发现，增加射频链数量可以显著提高系统安全频谱效率。图4系统安全频谱效率随Pmax的变化情况系统安全能效的仿真结果如图5所示，表示不同天线结构和不同射频链数目情况下最大安全能效随着总发射功率限制Pmax变化的情况。从图5可以看出，在所有天线结构下，当总发射功率限制Pmax较小时，安全能效均随着Pmax的增大而增大。当Pmax≥8dB时，安全能效的曲线趋于水平。这是由于当Pmax较小时，安全能效的增加主要取决于安全速率的增加；而当Pmax达到一定阈值时，安全速率的增加已无法补偿发射功率的消耗，使发射
【参考文献】：
期刊论文
[1]5G若干关键技术评述[J]. 张平,陶运铮,张治. 通信学报. 2016(07)
本文编号：3582308
【文章来源】：通信学报. 2020,41(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
混合模拟数字预编码系统
第8期赵飞等：基于SWIPT的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下安全能效资源优化·81·大规模MIMO-NOMA系统，该系统包括K个合法用户和一个窃听用户，基站配置NRF个射频链和NTX根天线，合法用户均配有功率分裂器，可以把接收射频信号的一部分转化为能量。图1存在窃听用户的下行毫米波大规模MIMO-NOMA系统混合模拟数字预编码系统一般分为全连接和子连接2种结构。全连接结构如图2(a)所示，每条射频链通过NTX个移相器连接所有天线，共需要NTXNRF个移相器。子连接结构如图2(b)所示，每个射频链仅连接一个子天线阵列。假设每个射频链连接TXRFNN根天线且为整数，则基站需要NTX个移相器。与全连接结构相比，子连接结构硬件复杂度较低且节能，但会损耗系统传输速率[18]。如图1所示，混合模拟数字预编码系统首先需要对所有合法用户进行分组，并选出各组的簇头，然后根据簇头设计混合预编码，使一个波束通过NOMA技术来服务该簇内的合法用户。假设每个簇至少包含一个合法用户（即K≥NRF），将K个合法用户分组为L个簇（即NRF=L）。采用文献[18]的方法选出簇头，并根据等效信道互相关性对所有合法用户分为Ml个分组（l∈{1,…,L}），其表示第l个簇中合法用户的集合。本文利用NOMA技术和串行干扰消除（SIC,successiveinterferencecancellation）技术来消除波束内较弱信道增益信号对较强信号的干扰。假设每个簇中的合法用户根据信道增益按由强到弱顺序进行排列，第l个簇中第m个合法用户记为合法用户(l,m)，其接收信号为1,,,,,,,1,,,,1++i
南辔槐忍厥?B=4。假设每条射频链的功率PRF=300mW，移相器功率PPS=40mW，基带功率PB=200mW[17]。对于全连接结构和子连接结构所需的移相器个数分别为NPSF=NTXNRF和NPSS=NTX。本文方案的收敛性能分析如图3所示。从图3可以发现，本文方案在内层迭代10次后频谱效率得到收敛，外层迭代不到20次收敛曲线便趋于稳定。图3本文方案的收敛性能分析不同天线结构和不同射频链数目情况下最大安全频谱效率随总发射功率限制Pmax的变化如图4所示。从图4可以看出，所有结构的安全频谱效率均随Pmax的增大而增大，其中，全数字迫零预编码下的安全速率最高，这是由于每条射频链连接一根天线，可以任意调节信号的幅度和相位，从而获得最大的复用增益。由图4还可以看出，相同射频链路条件下，全连接结构的安全频谱效率大于子连接结构的安全频谱效率，这是因为全连接结构的每一条射频链连接所有天线实现了全阵列增益，而子连接结构只连接到一个子天线阵列。此外，通过不同射频链数目的比较可以发现，增加射频链数量可以显著提高系统安全频谱效率。图4系统安全频谱效率随Pmax的变化情况系统安全能效的仿真结果如图5所示，表示不同天线结构和不同射频链数目情况下最大安全能效随着总发射功率限制Pmax变化的情况。从图5可以看出，在所有天线结构下，当总发射功率限制Pmax较小时，安全能效均随着Pmax的增大而增大。当Pmax≥8dB时，安全能效的曲线趋于水平。这是由于当Pmax较小时，安全能效的增加主要取决于安全速率的增加；而当Pmax达到一定阈值时，安全速率的增加已无法补偿发射功率的消耗，使发射
【参考文献】：
期刊论文
[1]5G若干关键技术评述[J]. 张平,陶运铮,张治. 通信学报. 2016(07)
本文编号：3582308
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