智能反射面辅助无线供能通信网络中信息时效性和安全能量效率研究.pdf
摘要
摘要
随着5G(FifthGeneration,5G)的商用化，6G(SixthGeneration,6G)已迈入研发关
键期。通信技术的迭代对物联网中的各项性能提出了更高的要求。因此网络性能的
单独优化和综合权衡成为新的挑战。面对环境复杂、能量受限的实时物联网应用场
景，能量收集(EnergyHarvesting,EH)技术经常被用来解决低功耗设备的能量供应
问题。信息年龄(AgeofInformation,AoI)、能量效率(EnergyEfficiency,EE)和安全速
率(SecrecyRate,SR)等性能指标被用来评估网络的信息时效性、能量利用率和安全
性。现有优化性能的研究往往依赖于已有的或单一的评价指标，而忽略了不同指标
之间的内在联系，导致实际应用的价值不高。此外，由于通信环境不同，需要设计
不同的EH方案来满足网络的能量需求。而EH过程必然会对AoI等指标产生影
响。因此需要有针对性的信息传输方案来进一步优化或折衷网络性能。目前，移动
通信关键技术的创新和融合成为了提高物联网综合性能的突破口。因此论文将智
能反射面(ReconfigurableIntelligenceSurface,RIS)、无线携能通信等创新技术和协
作非正交多址(CooperativeNonOrthogonalMultipleAccess,C-NOMA)，物理层安全
等传统技术集成到无线通信网络中，提出了新的综合评价指标，并设计了两种采用
不同供能方式的短分组传输方案，以探索AoI、EE，SR等性能指标的权衡和优化。
具体研究内容如下:
(1)针对RIS集成的无线供能通信NOMA网络，论文提出了一种先供能后通
信的短分组传输方案，在解决能量受限问题的基础上提升了信息的时效性。首先，
结合网络模型和AoI的演变，得到了以完全充电概率、中断概率和平均块错误率
为自变量的长期平均AoI方程，用以表征信息的时效性；其次，通过数学分析，分
别推导了三个自变量的闭式表达式，用以求解不同参数设置下的AoI值；最后，利
用建模仿真和数值分析，验证了表达式的准确性以及RIS辅助短分组传输方案在
提升信息时效性方面的优越性。
(2)针对RIS和人工噪声(ArtificialNoise,AN)集成的无线携能通信网络，论文
提出了一种同时供能通信的短分组传输方案，并设计了一种联合优化算法，以折衷
信息时效性、能量利用率和物理层安全。首先，结合网络模型和峰值AoI、能量效
率以及安全速率的定义，提出了新的综合评价指标，即峰值信息年龄与安全能量效
率的比值，用以表征系统的整体性能；其次，考虑到AoI与能量消耗的反对关系，
将优化目标分为两个子问题，分别是满足最小能量收集阈值前提下的安全速率最
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西北师范大学硕士学位论文
大化和满足最小传输速率阈值前提下的能量效率最大化，使用半正定松弛、交替优
化和奇异值分解等方法求解最优参数；最后，利用优化仿真和数值分析，验证了所
提优化算法的有效性以及RIS和AN辅助短分组传输方案在提升系统综合性能方
面的优越性。
关键词：智能反射面；信息年龄；安全能量效率；无线携能通信；协作非正交
多址；物理层安全
II
目录
目录
第1章绪论1
1.1研究背景和意义1
1.2国内外研究现状分析4
1.3论文结构安排和研究内容7
第2章相关概念及关键技术9
2.1非正交多址和协作通信技术9
2.2智能反射面技术11
2.3无线供能通信和无线携能通信技术13
2.4物理层安全技术14
2.5信息年龄、能量效率、安全速率15
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