【摘 要】
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近年来,毫米波大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）系统由于能够提供更高的系统容量和用户公平性,被认为是未来B5G/6G通信网络中一种很有前景的技术,但大规模天线带来了巨大的能源损耗,因此,毫米波系统的能效问题是未来通信网络急需解决的问题之一。另外,由于无线通信
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近年来,毫米波大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）系统由于能够提供更高的系统容量和用户公平性,被认为是未来B5G/6G通信网络中一种很有前景的技术,但大规模天线带来了巨大的能源损耗,因此,毫米波系统的能效问题是未来通信网络急需解决的问题之一。另外,由于无线通信传输的开放性,对于未来拥有海量接入设备的通信网络,其安全传输将面临更大的挑战。为了平衡毫米波大规模MIMO-NOMA系统的安全通信和绿色通信,安全能效作为一种新型系统性能指标也越来越受到关注。本文基于未来B5G/6G的海量无线设备物联网应用场景和星地集成网络应用场景,研究了毫米波大规模MIMO-NOMA系统的安全速率和安全能效最大化问题,针对新的应用场景,构建了新的系统模型和优化问题,并提出了相应求解方案。本文研究的具体内容为:1.针对存在窃听者情况下毫米波大规模MIMO系统的安全和能效问题,构建了一个基于用户分簇的混合预编码NOMA系统模型,在基站总发射功率约束条件下提出一个系统安全速率最大化问题。为有效提高系统安全性同时降低计算复杂度,将用户分簇方案和功率分配方案分别进行优化设计,首先提出一个基于安全性的用户分簇方案,使生成的波束有效避开窃听者的同时增大合法用户的覆盖率;其次针对非凸的安全速率最大化问题,提出一种基于逐次凸逼近（Successive Convex Approximation,SCA）的功率分配算法获得原问题的可行解。仿真结果表明本文所提的用户分簇方案能够更好的提升系统安全性;混合预编码方案相比传统全数字预编码在达到相同安全速率情况下,安全能效指标最高提升了60%;并且基于混合预编码的NOMA系统比OMA系统具有更高的安全速率和安全能效。2.考虑到无线携能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT）技术可以给未来拥有海量无线设备的物联网提供巨大的节能潜力,并且针对毫米波大规模MIMO系统安全能效低下问题,构建一个基于SWIPT的毫米波大规模MIMO-NOMA系统模型,在发射功率和能量采集约束条件下,形成一个安全能效最大化问题,提出一种基于Bi-section的功率分配和功率分裂联合优化算法,考虑到收敛的稳定性和计算复杂度,又提出一种基于更新迭代的功率分配和功率分裂联合优化算法。仿真结果对比了所提两种算法的收敛性;验证了安全速率和安全能效之间的关系,结果表明若仅追求安全速率提升,将导致系统安全能效急剧下降;当功率限制到一定阈值后,安全速率的增加将无法补偿功率的消耗,安全能效不再随着功率限制增加而增加;同时验证了在相同发射功率约束条件下,混合预编码方案相比传统全数字预编码方案的安全能效提升了50%。3.考虑到未来卫星通信网络和地面网络融合的场景,将安全能效引入到毫米波大规模MIMO-NOMA星地集成网络的评价指标中,构建一个初级卫星网络和次级地面网络共享毫米波频段的系统模型。为减小基站对地球站的同频干扰,提出一种基于抑制同频干扰的新型用户分簇方案。针对系统安全能效最大化问题,在非理想窃听者信道状态信息情况下,提出一种基于S-procedure的功率分配和功率分裂联合优化算法得到原问题的可行解。仿真结果表明所提新型用户分簇方案有效抑制了基站对地球站的干扰;全连接结构混合预编码相比传统全数字预编码,在给定的发射功率条件下,以不到3%的安全速率损失能够换取30%的安全能效提升;部分连接预编码结构在相同功率约束条件下,比传统全数字预编码方案的安全能效提升了40%。
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