毫米波MIMO-NOMA系统：SWIPT下的安全能效优化

摘要：本文针对存在窃听者且合法用户使用功率分裂器进行能量转换的场景，探讨了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（Secure Energy Efficiency, SEE）优化问题。文章首先依据信道状态信息对合法用户进行分组，并在每组中选择簇头。接着，利用NOMA技术和混合数字模拟预编码技术设计多波束，以服务各个用户簇。进一步，文章深入研究了如何优化发射功率及功率分配系数以实现SEE的最大化。通过应用Dinkelbach方法和一阶泰勒展开，将原始的非凸问题转换为可解的凸优化问题，进而提出了一种迭代优化算法来求解原问题。仿真结果验证了提出的方案能显著提升系统的安全能效。 在毫米波通信中，由于其高频率特性，可以提供更大的带宽资源，从而支持更高的数据传输速率。然而，这也增加了信号被非法窃听的风险。非正交多址接入（NOMA）技术允许多个用户在同一时频资源上共享，通过功率域的多用户分离实现更高的频谱效率。在本文的研究中，NOMA与毫米波MIMO结合，不仅提升了通信效率，还增强了系统的安全性。 同时，无线携能通信（Wireless Energy Transfer, WET）技术，即SWIPT（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer），允许用户同时接收信息和能量，这在本文中表现为合法用户的功率分裂器。通过这种方式，用户可以在接收数据的同时收集能量，为设备供电，进一步提高系统的能源效率。 文章的核心在于解决安全能效的优化问题。作者采用了一种基于信道状态信息的用户分组策略，并通过NOMA和混合数字模拟预编码技术来设计服务波束，有效地服务于不同用户。接着，提出了一个安全能效最大化的优化模型，涉及发射功率和功率分配的优化。通过应用Dinkelbach算法，一个非凸问题被转化为一系列凸子问题，再利用一阶泰勒展开简化优化过程。这一系列方法确保了在满足安全要求的同时，系统能效达到最大化。 仿真结果显示，所提出的优化策略能显著提升毫米波MIMO-NOMA系统的安全能效，证明了这种方法的有效性和实用性。这项工作为未来毫米波通信网络在保障安全和提高能源效率方面提供了理论基础和技术参考，对于构建更安全、更绿色的无线通信系统具有重要意义。