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无线携能通信同时传输信息和能量信号，提高了频谱效率和能量利用率，越来越受到学术界和工业界的关注。无线携能传输使得有限电池能量供应的移动设备能同时解码信息和收集能量，这将极大提升移动设备的性能和应用范围。随着无线传感器和无线发射接收机变得越来越小和更加高能效，无线携能通信技术有望广泛应用于分布式的移动终端设计。
由于无线信道的开放性，无线携能通信可变、可控的覆盖范围，可以相应地改变发信者、收信者、窃听者之间的信道条件，使基于物理层安全的能效优化成为值得深入研究的问题。
随着无线携能通信技术的发展，研究无线携能通信的能量效率与物理层安全问题具有很大现实与应用价值。本文结合该方向的最新研究成果，主要研究了无线携能通信的能量效率优化与物理层安全问题。
本文的主要工作与贡献包括以下四个方面：
1.多个多天线窃听者的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)安全通信SWIPT系统的能效优化。该系统中合法接收端利用功率分裂(Power Splitting,PS)方案同时解码信息和获取能量。为了削弱窃听者的接收能力，并为合法的接收方提供能量，发射机在传输过程中还会发出人为噪声(Artificial Noise, AN)。假设发射端不能完美获得EH接收端的信道状态信息(Channel State Information, CSI),在发送端总发射功率和收集能量的约束下，通过联合设计预编码矩阵、人工噪声协方差矩阵和功率分裂因子，最大化最差情况下的安全能量效率。所构建问题是非凸且半无限的，难以直接求解。为了解决这一问题，首先利用分式规划理论将其目标函数转化为参数化的多项式减法形式，将原问题转化为参数规划问题，用S-Procedure来处理CSI误差引起的非凸性，将半无限约束转化为等效的线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)，利用一阶泰勒级数展开将参数规划问题转化为易于处理的优化问题。在此基础上，提出了一种基于Dinkelbach方法的两层优化迭代算法。
2.针对上述MIMO安全通信SWIPT系统研究场景和优化目标，提出了两种内层优化算法。由于目标函数和约束项中变量间的耦合以及信道不确定性导致的半无限约束，内层优化问题仍然是非凸的难以求解。针对这一非凸问题，提出了两种求解方案。
a.虽然近似等效后的问题仍然是非凸的，通过揭示其隐藏的原始可分解性，提出了基于交替优化(Alternating Optimization, AO)技术的迭代算法
b.基于等价变换实现变量解耦的凸优化算法。首先借助于S-Procedure处理CSI误差引起的非凸性。提出一种新颖的等价变换以消除变量之间的耦合。最后利用一阶泰勒级数展开将内层非凸问题转化为凸优化问题，对该问题通过内点法求解。
3.安全多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)SWIPT系统能效优化。安全MISOSWIPT系统中单天线合法用户采用PS方案以同时解码信息和收集能量，发送给合法接收者的信息可能被多个单天线窃听者偷听。人工噪声嵌入到承载信息的信号中，用于干扰窃听者并给合法用户提供能量。在此情况下研究了发射功率和收获能量约束下的安全能量效率最大化问题。由于原问题目标函数的分式形式和变量间的耦合，很难优化求解。为了得到最优解，首先，引入辅助变量，将优化问题转化为两层优化问题。外层问题是一个单变量优化问题，利用一维线搜索算法求解。对于内层优化问题，基于半定松弛(Semidefinite Relaxation, SDR)技术，通过巧妙的变换，解除了变量间的耦合，提出了一种罚函数结合凸差规划(Difference of two-convex functions, DC)的方法，通过对非凸目标函数和约束的线性化得到近似凸问题。在此基础上，提出了一种最优波束成形方案，以获得最优解。
4.多用户无线供电全双工自能量回收系统的能效优化。在系统存在多个潜在窃听者的情况下，能量受限的全双工信息发送端和空闲用户由专用能量发送端无线供电。在信道状态信息不完美的情况下，以比例安全速率和空闲用户收集的能量为约束条件，通过联合优化能量发送端的传输协方差矩阵、信息发送端的信息波束成形、人工噪声协方差矩阵和空闲用户的功率分裂因子，最大化最差情况下的安全能量效率。由于非凸比例安全速率约束和非凸安全能量效率(Secrecy Energy Efficiency,SEE)函数的存在，使得构造的SEE优化问题比传统的EE优化问题更加复杂。为了求解该优化问题，首先利用问题结构简化SEE优化问题，基于引入的参数，用凸约束和凹约束代替等式约束，采用SDR、泰勒级数近似技术和增广S-procedure方法将原非凸优化问题转化为易于有效处理的凸问题。
由于无线信道的开放性，无线携能通信可变、可控的覆盖范围，可以相应地改变发信者、收信者、窃听者之间的信道条件，使基于物理层安全的能效优化成为值得深入研究的问题。
随着无线携能通信技术的发展，研究无线携能通信的能量效率与物理层安全问题具有很大现实与应用价值。本文结合该方向的最新研究成果，主要研究了无线携能通信的能量效率优化与物理层安全问题。
本文的主要工作与贡献包括以下四个方面：
1.多个多天线窃听者的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)安全通信SWIPT系统的能效优化。该系统中合法接收端利用功率分裂(Power Splitting,PS)方案同时解码信息和获取能量。为了削弱窃听者的接收能力，并为合法的接收方提供能量，发射机在传输过程中还会发出人为噪声(Artificial Noise, AN)。假设发射端不能完美获得EH接收端的信道状态信息(Channel State Information, CSI),在发送端总发射功率和收集能量的约束下，通过联合设计预编码矩阵、人工噪声协方差矩阵和功率分裂因子，最大化最差情况下的安全能量效率。所构建问题是非凸且半无限的，难以直接求解。为了解决这一问题，首先利用分式规划理论将其目标函数转化为参数化的多项式减法形式，将原问题转化为参数规划问题，用S-Procedure来处理CSI误差引起的非凸性，将半无限约束转化为等效的线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)，利用一阶泰勒级数展开将参数规划问题转化为易于处理的优化问题。在此基础上，提出了一种基于Dinkelbach方法的两层优化迭代算法。
2.针对上述MIMO安全通信SWIPT系统研究场景和优化目标，提出了两种内层优化算法。由于目标函数和约束项中变量间的耦合以及信道不确定性导致的半无限约束，内层优化问题仍然是非凸的难以求解。针对这一非凸问题，提出了两种求解方案。
a.虽然近似等效后的问题仍然是非凸的，通过揭示其隐藏的原始可分解性，提出了基于交替优化(Alternating Optimization, AO)技术的迭代算法
b.基于等价变换实现变量解耦的凸优化算法。首先借助于S-Procedure处理CSI误差引起的非凸性。提出一种新颖的等价变换以消除变量之间的耦合。最后利用一阶泰勒级数展开将内层非凸问题转化为凸优化问题，对该问题通过内点法求解。
3.安全多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)SWIPT系统能效优化。安全MISOSWIPT系统中单天线合法用户采用PS方案以同时解码信息和收集能量，发送给合法接收者的信息可能被多个单天线窃听者偷听。人工噪声嵌入到承载信息的信号中，用于干扰窃听者并给合法用户提供能量。在此情况下研究了发射功率和收获能量约束下的安全能量效率最大化问题。由于原问题目标函数的分式形式和变量间的耦合，很难优化求解。为了得到最优解，首先，引入辅助变量，将优化问题转化为两层优化问题。外层问题是一个单变量优化问题，利用一维线搜索算法求解。对于内层优化问题，基于半定松弛(Semidefinite Relaxation, SDR)技术，通过巧妙的变换，解除了变量间的耦合，提出了一种罚函数结合凸差规划(Difference of two-convex functions, DC)的方法，通过对非凸目标函数和约束的线性化得到近似凸问题。在此基础上，提出了一种最优波束成形方案，以获得最优解。
4.多用户无线供电全双工自能量回收系统的能效优化。在系统存在多个潜在窃听者的情况下，能量受限的全双工信息发送端和空闲用户由专用能量发送端无线供电。在信道状态信息不完美的情况下，以比例安全速率和空闲用户收集的能量为约束条件，通过联合优化能量发送端的传输协方差矩阵、信息发送端的信息波束成形、人工噪声协方差矩阵和空闲用户的功率分裂因子，最大化最差情况下的安全能量效率。由于非凸比例安全速率约束和非凸安全能量效率(Secrecy Energy Efficiency,SEE)函数的存在，使得构造的SEE优化问题比传统的EE优化问题更加复杂。为了求解该优化问题，首先利用问题结构简化SEE优化问题，基于引入的参数，用凸约束和凹约束代替等式约束，采用SDR、泰勒级数近似技术和增广S-procedure方法将原非凸优化问题转化为易于有效处理的凸问题。