大規(guī)模多天線賦能無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的深度剖析與創(chuàng)新探索一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)已廣泛滲透到人們生活和工作的各個(gè)領(lǐng)域。從2G、3G到4G、5G，乃至未來(lái)的6G，無(wú)線通信系統(tǒng)不斷迭代更新，其發(fā)展目標(biāo)始終圍繞著滿足用戶對(duì)高速率、大容量、低延遲通信以及更長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的需求。在過(guò)去的幾十年里，無(wú)線通信取得了巨大的進(jìn)步，從最初僅能支持語(yǔ)音通話的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，逐漸發(fā)展成為如今能夠承載海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜網(wǎng)絡(luò)。然而，無(wú)線設(shè)備的電池續(xù)航問(wèn)題一直是限制其使用時(shí)間和性能的主要瓶頸之一。傳統(tǒng)的無(wú)線通信方法只專注于信息傳輸，而忽視了能量傳輸，這使得無(wú)線設(shè)備不得不頻繁充電或更換電池，給用戶帶來(lái)極大不便。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、可穿戴智能設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，大量低功耗設(shè)備和無(wú)線傳感器需要持續(xù)穩(wěn)定的能量供應(yīng)以維持通信，這對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的能量傳輸能力提出了更高的要求。在此背景下，無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸（SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer，SWIPT）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)充分利用無(wú)線射頻信號(hào)既能傳輸信號(hào)又能攜帶能量的特性，在傳輸信息的同時(shí)收集能量，有效擺脫了傳統(tǒng)電池容量的束縛，為解決無(wú)線設(shè)備的能量供應(yīng)問(wèn)題提供了新的思路，因此引起了學(xué)術(shù)界與業(yè)界的廣泛關(guān)注。大規(guī)模多天線技術(shù)作為一種重要的無(wú)線通信技術(shù)，在提升無(wú)線通信系統(tǒng)性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在無(wú)線通信中，多天線系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)天線之間的協(xié)同工作，可以提高信號(hào)覆蓋范圍、增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量、減少信號(hào)干擾，從而顯著提升整體通信系統(tǒng)的性能。大規(guī)模多天線系統(tǒng)在基站端采用超大規(guī)模天線陣列（如數(shù)百個(gè)天線或更多），能夠帶來(lái)諸多性能優(yōu)勢(shì)，例如顯著提高頻譜效率、增大系統(tǒng)容量、增強(qiáng)信號(hào)的可靠性和抗干擾能力等。將大規(guī)模多天線技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，能夠利用其提供的空間復(fù)用增益來(lái)提高信道容量以及信息與能量協(xié)同傳輸速率，有效解決傳輸質(zhì)量效率低、速度慢等問(wèn)題，對(duì)于推動(dòng)無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)的發(fā)展具有極大的促進(jìn)作用。此外，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用的不斷推陳出新，用戶對(duì)信息與能量協(xié)同傳輸質(zhì)量的要求也在逐漸提高，單天線的信息與能量協(xié)同傳輸已難以滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求。大規(guī)模多天線技術(shù)的引入，使得系統(tǒng)能夠在相同的時(shí)間和頻率資源上同時(shí)傳輸多個(gè)信息流，大大提高了系統(tǒng)的傳輸效率和性能。在5G乃至未來(lái)的6G通信系統(tǒng)中，大規(guī)模多天線技術(shù)已成為關(guān)鍵技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和用戶體驗(yàn)。在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)并獲取能量，大規(guī)模多天線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的高效能量傳輸和信息交互，保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本研究聚焦于基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)，旨在深入探究該系統(tǒng)的性能優(yōu)化和資源利用效率提升的方案與算法。通過(guò)對(duì)大規(guī)模多天線技術(shù)在無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，有望豐富和完善無(wú)線通信技術(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和質(zhì)量，為未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展提供理論支持和技術(shù)參考。這不僅有助于推動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、無(wú)線電子設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用，還能為解決無(wú)線設(shè)備的能量供應(yīng)問(wèn)題提供切實(shí)可行的解決方案，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)作為解決無(wú)線設(shè)備能量供應(yīng)問(wèn)題的創(chuàng)新方案，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都引發(fā)了廣泛的關(guān)注和深入的研究。在理論探索與技術(shù)研發(fā)層面，眾多研究人員聚焦于如何提升能量傳輸效率、優(yōu)化信息傳輸可靠性以及實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同優(yōu)化。在國(guó)外，許多知名科研機(jī)構(gòu)和高校走在了研究的前沿。美國(guó)斯坦福大學(xué)的學(xué)者在早期對(duì)無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸?shù)幕A(chǔ)理論展開(kāi)研究，分析了無(wú)線射頻信號(hào)同時(shí)傳輸信息和能量的可行性，并通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了信息傳輸速率與能量傳輸效率之間的關(guān)系，為后續(xù)研究奠定了理論基石。此后，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)多用戶場(chǎng)景下的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸進(jìn)行研究，提出了基于時(shí)分多址（TDMA）和頻分多址（FDMA）的資源分配算法，有效提升了多用戶系統(tǒng)中信息與能量傳輸?shù)墓叫院驼w性能。在大規(guī)模多天線技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸方面，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了大規(guī)模多天線系統(tǒng)能夠顯著提高能量傳輸效率和信息傳輸速率，并且在復(fù)雜的無(wú)線信道環(huán)境下具有更強(qiáng)的抗干擾能力。他們深入研究了大規(guī)模多天線系統(tǒng)中的波束賦形技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化波束方向和形狀，實(shí)現(xiàn)了能量和信息的精準(zhǔn)傳輸，減少了對(duì)其他用戶的干擾。在國(guó)內(nèi)，高校和科研機(jī)構(gòu)也在積極開(kāi)展相關(guān)研究，并取得了一系列具有影響力的成果。西安電子科技大學(xué)的李龍教授課題組在電磁超表面攜能通信方面取得突破進(jìn)展，提出了一種高性能聯(lián)合調(diào)制功率放大可編程超表面攜能通信系統(tǒng)。該成果利用頻率正交性和有源功率放大可編程超表面靈活的空間場(chǎng)操控能力，實(shí)現(xiàn)了具有低峰均比能信信號(hào)的高效率傳輸攜能通信系統(tǒng)，為未來(lái)B5G/6G通信和無(wú)線傳感網(wǎng)萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代提供全新的技術(shù)范式。華中科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則針對(duì)無(wú)線信息和能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中的資源分配問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了時(shí)間切換和功率分配聯(lián)合的方法，通過(guò)合理調(diào)整時(shí)間因子和功率因子，實(shí)現(xiàn)了智能反射面狀態(tài)切換，保證了用戶端實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量，提高了智能反射面在能量吸收階段的能量收集效率以及系統(tǒng)能效。盡管國(guó)內(nèi)外在無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸領(lǐng)域取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型大多基于理想的信道條件，對(duì)于實(shí)際復(fù)雜多變的無(wú)線信道環(huán)境（如存在嚴(yán)重多徑衰落、陰影效應(yīng)等）的適應(yīng)性較差，導(dǎo)致理論分析結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用存在一定偏差。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，大規(guī)模多天線系統(tǒng)和相控陣列系統(tǒng)雖被廣泛應(yīng)用于無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸，但存在造價(jià)高昂、效率低、空間調(diào)控靈活性弱、可實(shí)現(xiàn)性差等問(wèn)題。此外，目前的研究在多用戶場(chǎng)景下的資源分配公平性和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面仍有待進(jìn)一步提高，難以滿足不同用戶對(duì)信息和能量傳輸?shù)亩鄻踊枨蟆?.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)，致力于解決當(dāng)前無(wú)線通信中設(shè)備能量供應(yīng)和通信性能的關(guān)鍵問(wèn)題，為未來(lái)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展提供創(chuàng)新的理論支持和可行的技術(shù)方案。具體研究目標(biāo)和內(nèi)容如下：研究目標(biāo)：構(gòu)建精準(zhǔn)有效的基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)理論模型，全面考慮實(shí)際無(wú)線信道的復(fù)雜特性，包括多徑衰落、陰影效應(yīng)、噪聲干擾等因素，使模型能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下的性能表現(xiàn)。研發(fā)高效的資源分配算法和傳輸策略，在滿足用戶對(duì)信息傳輸速率和能量需求的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用，提高頻譜效率和能量傳輸效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的理論模型、算法及策略的有效性和優(yōu)越性，為實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，并推動(dòng)大規(guī)模多天線技術(shù)在無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)模型構(gòu)建：深入研究大規(guī)模多天線系統(tǒng)的特性，結(jié)合無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸?shù)脑?，?gòu)建綜合考慮信道衰落、噪聲干擾、能量轉(zhuǎn)換效率等因素的系統(tǒng)模型。分析不同天線配置（如均勻線性陣列、均勻圓陣等）和傳輸模式（如時(shí)分雙工TDD、頻分雙工FDD）對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為后續(xù)的算法設(shè)計(jì)和性能分析奠定基礎(chǔ)。信道估計(jì)與預(yù)測(cè)：針對(duì)復(fù)雜多變的無(wú)線信道環(huán)境，研究適用于大規(guī)模多天線系統(tǒng)的信道估計(jì)與預(yù)測(cè)方法。利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道估計(jì)模型，充分挖掘信道的時(shí)變特性和空間相關(guān)性，提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，為信息與能量的高效傳輸提供可靠的信道狀態(tài)信息。資源分配算法設(shè)計(jì)：以最大化系統(tǒng)頻譜效率、能量傳輸效率或用戶公平性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)聯(lián)合優(yōu)化信息傳輸和能量傳輸?shù)馁Y源分配算法。研究功率分配、時(shí)間分配、子載波分配等資源分配策略，考慮多用戶場(chǎng)景下的資源競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的合理分配。例如，提出基于博弈論的資源分配算法，通過(guò)用戶之間的博弈過(guò)程，達(dá)到資源分配的納什均衡，提高系統(tǒng)整體性能。傳輸策略研究：探索適合大規(guī)模多天線系統(tǒng)的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸策略，如波束賦形技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)等。通過(guò)優(yōu)化波束方向和形狀，實(shí)現(xiàn)能量和信息的精準(zhǔn)傳輸，減少對(duì)其他用戶的干擾，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。研究不同傳輸策略在不同信道條件下的性能表現(xiàn)，為實(shí)際應(yīng)用提供靈活的傳輸策略選擇。性能分析與評(píng)估：基于所構(gòu)建的系統(tǒng)模型和設(shè)計(jì)的算法、策略，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行全面深入的分析與評(píng)估。通過(guò)理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)，研究系統(tǒng)在不同參數(shù)設(shè)置和信道條件下的頻譜效率、能量傳輸效率、誤碼率、用戶公平性等性能指標(biāo)，分析各因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，驗(yàn)證算法和策略的有效性和優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用軟件定義無(wú)線電（SDR）技術(shù)和硬件平臺(tái)，如USRP（UniversalSoftwareRadioPeripheral），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件原型。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，測(cè)試系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的性能，如室內(nèi)環(huán)境、室外環(huán)境、移動(dòng)場(chǎng)景等，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法參數(shù)，確保研究成果的實(shí)用性和可靠性。1.4研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，全面深入地探索基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)，旨在為該領(lǐng)域提供創(chuàng)新性的解決方案和理論支持。在研究過(guò)程中，將采用理論分析與建模的方法，通過(guò)深入剖析大規(guī)模多天線系統(tǒng)和無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸?shù)幕驹恚Y(jié)合數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式運(yùn)算，建立精確反映系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型?？紤]到無(wú)線信道的復(fù)雜性，運(yùn)用概率論、隨機(jī)過(guò)程等數(shù)學(xué)工具，對(duì)信道衰落、噪聲干擾等因素進(jìn)行量化分析，為后續(xù)的算法設(shè)計(jì)和性能評(píng)估奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)理論分析，推導(dǎo)系統(tǒng)在不同條件下的性能邊界，如信息傳輸速率的上限、能量傳輸效率的最優(yōu)值等，從而明確系統(tǒng)的優(yōu)化方向。此外，本研究還將采用仿真分析的方法，借助MATLAB、NS-3等專業(yè)仿真軟件，搭建基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。在仿真過(guò)程中，精確設(shè)置各種參數(shù)，如天線數(shù)量、信道模型、功率分配策略等，模擬系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的運(yùn)行情況。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的詳細(xì)分析，研究系統(tǒng)性能隨參數(shù)變化的規(guī)律，評(píng)估不同算法和策略對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)比不同資源分配算法在系統(tǒng)頻譜效率、能量傳輸效率等方面的表現(xiàn)，篩選出性能最優(yōu)的算法，為實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。本研究還將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用軟件定義無(wú)線電（SDR）技術(shù)和硬件設(shè)備，如USRP（UniversalSoftwareRadioPeripheral），實(shí)現(xiàn)基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的硬件原型。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，采集真實(shí)數(shù)據(jù)，并與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法參數(shù)，確保研究成果的實(shí)用性和可靠性，為大規(guī)模多天線技術(shù)在無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：模型創(chuàng)新：構(gòu)建了全面考慮實(shí)際無(wú)線信道復(fù)雜特性（如多徑衰落、陰影效應(yīng)、噪聲干擾等）以及能量轉(zhuǎn)換效率的系統(tǒng)模型，使理論模型能夠更準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下的性能表現(xiàn)，為后續(xù)的研究提供了更可靠的基礎(chǔ)。算法創(chuàng)新：提出了基于博弈論和深度學(xué)習(xí)的聯(lián)合優(yōu)化信息傳輸和能量傳輸?shù)馁Y源分配算法?；诓┺恼摰乃惴ㄍㄟ^(guò)用戶之間的博弈過(guò)程，實(shí)現(xiàn)資源分配的納什均衡，提高系統(tǒng)整體性能和用戶公平性；結(jié)合深度學(xué)習(xí)的算法能夠充分挖掘信道的時(shí)變特性和空間相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)信道狀態(tài)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和資源的智能分配，有效提升系統(tǒng)的頻譜效率和能量傳輸效率。策略創(chuàng)新：探索了基于智能反射面（IRS）輔助的大規(guī)模多天線無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸策略。利用智能反射面能夠靈活調(diào)控?zé)o線信號(hào)傳播特性的優(yōu)勢(shì)，與大規(guī)模多天線系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能量和信息的高效傳輸。通過(guò)優(yōu)化智能反射面的反射系數(shù)和大規(guī)模多天線的波束賦形，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，減少信號(hào)干擾，為無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸提供了新的技術(shù)思路。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1大規(guī)模多天線系統(tǒng)理論2.1.1基本原理與架構(gòu)大規(guī)模多天線系統(tǒng)作為無(wú)線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其基本原理是在基站端部署數(shù)量眾多的天線，一般可達(dá)幾十甚至幾百根，相比傳統(tǒng)多天線系統(tǒng)，天線數(shù)量有了顯著提升。通過(guò)這些天線的協(xié)同工作，充分利用空間自由度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸。當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)遠(yuǎn)大于用戶天線數(shù)時(shí)，基站到各個(gè)用戶的信道將趨于正交，這使得用戶間干擾得以有效降低，同時(shí)巨大的陣列增益能夠顯著提升每個(gè)用戶的信噪比。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站配置大量的天線數(shù)目，利用同一個(gè)時(shí)頻資源同時(shí)服務(wù)若干個(gè)UE，充分發(fā)掘系統(tǒng)的空間自由度，從而增強(qiáng)了基站同時(shí)接收和發(fā)送多路不同信號(hào)的能力，大大提高了頻譜利用率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。大規(guī)模多天線系統(tǒng)的架構(gòu)主要由天線陣列、射頻前端、基帶處理單元等部分組成。天線陣列是系統(tǒng)的核心部分，由多個(gè)天線單元按照特定的排列方式組成，常見(jiàn)的陣列形式有均勻線性陣列（ULA）、均勻圓陣（UCA）等。不同的陣列形式在波束賦形、空間分辨率等方面具有不同的特性。均勻線性陣列在水平方向上具有較好的波束掃描性能，適用于覆蓋范圍較廣的場(chǎng)景；而均勻圓陣則在全方位覆蓋和角度分辨率方面表現(xiàn)出色，更適合對(duì)覆蓋范圍要求較為均勻的場(chǎng)景。射頻前端負(fù)責(zé)將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，并通過(guò)天線發(fā)射出去，同時(shí)接收來(lái)自天線的射頻信號(hào)并轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)。其主要包括功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、濾波器等組件，這些組件的性能直接影響著系統(tǒng)的信號(hào)傳輸質(zhì)量和效率?；鶐幚韱卧?jiǎng)t承擔(dān)著信號(hào)處理、信道估計(jì)、預(yù)編碼、解碼等關(guān)鍵任務(wù)，通過(guò)對(duì)基帶信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)信息的準(zhǔn)確傳輸和接收。它采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法和技術(shù)，對(duì)大量的天線數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以滿足系統(tǒng)對(duì)高速率、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中，大規(guī)模多天線系統(tǒng)的架構(gòu)還需要考慮與其他通信系統(tǒng)的兼容性和協(xié)同工作。在5G通信網(wǎng)絡(luò)中，大規(guī)模多天線系統(tǒng)需要與核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等進(jìn)行有效連接和協(xié)同，以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的高效運(yùn)行。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，還需要采用冗余設(shè)計(jì)、備份機(jī)制等措施，確保在部分組件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，大規(guī)模多天線系統(tǒng)的架構(gòu)也在不斷演進(jìn)和優(yōu)化，以適應(yīng)未來(lái)通信系統(tǒng)對(duì)更高性能、更低成本、更小尺寸的要求。例如，采用新型的天線材料和制造工藝，提高天線的性能和集成度；研發(fā)更高效的射頻前端和基帶處理技術(shù)，降低系統(tǒng)的功耗和成本。2.1.2關(guān)鍵技術(shù)解析大規(guī)模多天線系統(tǒng)包含一系列關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)相互配合，共同實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的提升。波束賦形技術(shù)是其中的核心技術(shù)之一，其基本原理是通過(guò)調(diào)整天線陣列中各天線單元的相位和幅度，使信號(hào)在空間中形成特定形狀的波束，從而將信號(hào)能量集中到特定的方向，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量和頻譜效率。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，波束賦形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多用戶傳輸、多流傳輸和干擾抑制等功能。通過(guò)對(duì)不同用戶的信道狀態(tài)信息進(jìn)行分析，為每個(gè)用戶生成獨(dú)立的波束，使基站能夠在相同的時(shí)頻資源上同時(shí)向多個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)，有效提高了系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。波束賦形技術(shù)還可以通過(guò)調(diào)整波束方向，避開(kāi)干擾源，降低信號(hào)干擾，提高通信質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，波束賦形技術(shù)需要準(zhǔn)確獲取信道狀態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)精確的波束指向和信號(hào)增強(qiáng)。獲取信道狀態(tài)信息的方法包括基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)、基于反饋的信道狀態(tài)信息傳輸?shù)??；趯?dǎo)頻的信道估計(jì)是在發(fā)送信號(hào)中插入已知的導(dǎo)頻序列，接收端通過(guò)對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)的檢測(cè)和分析，估計(jì)信道的特性；基于反饋的信道狀態(tài)信息傳輸則是接收端將估計(jì)得到的信道狀態(tài)信息反饋給發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)這些信息進(jìn)行波束賦形的設(shè)計(jì)。信道估計(jì)也是大規(guī)模多天線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，準(zhǔn)確的信道估計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)傳輸至關(guān)重要。由于大規(guī)模多天線系統(tǒng)中天線數(shù)量眾多，信道特性變得更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法面臨著計(jì)算復(fù)雜度高、估計(jì)精度低等挑戰(zhàn)。因此，需要研究適用于大規(guī)模多天線系統(tǒng)的信道估計(jì)方法?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的信道估計(jì)方法近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注，通過(guò)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，對(duì)大量的信道數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立信道模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信道狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)。基于深度學(xué)習(xí)的信道估計(jì)方法能夠自動(dòng)提取信道特征，提高估計(jì)精度和實(shí)時(shí)性。通過(guò)構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）或循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN），對(duì)信道數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)信道狀態(tài)的快速準(zhǔn)確估計(jì)。此外，還可以結(jié)合壓縮感知理論，利用信道的稀疏特性，減少信道估計(jì)所需的導(dǎo)頻數(shù)量，降低計(jì)算復(fù)雜度，提高估計(jì)效率。在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，信道狀態(tài)會(huì)受到多徑衰落、陰影效應(yīng)、多普勒頻移等因素的影響，導(dǎo)致信道時(shí)變且復(fù)雜。因此，信道估計(jì)方法需要具備良好的抗干擾能力和適應(yīng)性，能夠在不同的信道條件下準(zhǔn)確估計(jì)信道狀態(tài)，為波束賦形、預(yù)編碼等技術(shù)提供可靠的信道信息支持。2.2無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸理論2.2.1協(xié)同傳輸機(jī)制無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸?shù)暮诵臋C(jī)制基于射頻信號(hào)的特性，射頻信號(hào)不僅能攜帶信息進(jìn)行傳輸，還能傳遞能量。在該機(jī)制下，發(fā)送端發(fā)射的射頻信號(hào)同時(shí)承擔(dān)著信息和能量的載體角色。接收端接收到信號(hào)后，通過(guò)特定的設(shè)備和技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將其中的信息和能量分離并加以利用。具體而言，發(fā)送端首先對(duì)需要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行編碼和調(diào)制，將信息加載到射頻信號(hào)上。采用正交幅度調(diào)制（QAM）技術(shù)，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為不同幅度和相位的射頻信號(hào)，使得信號(hào)能夠攜帶信息。在發(fā)送射頻信號(hào)時(shí)，發(fā)送端會(huì)根據(jù)接收端的位置、信道狀態(tài)以及能量需求等因素，合理調(diào)整信號(hào)的功率、頻率和相位等參數(shù)，以確保信號(hào)能夠有效地傳輸?shù)浇邮斩?，并在接收端產(chǎn)生足夠的能量用于收集。接收端在接收到射頻信號(hào)后，利用射頻能量收集器將信號(hào)中的能量轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)在電池或其他儲(chǔ)能設(shè)備中，為設(shè)備供電。射頻能量收集器通常由天線、整流器和儲(chǔ)能元件等組成。天線負(fù)責(zé)接收射頻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；整流器則將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，以便于儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)。同時(shí)，接收端通過(guò)解調(diào)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始的信息，實(shí)現(xiàn)信息的接收。在解調(diào)過(guò)程中，接收端會(huì)根據(jù)信號(hào)的調(diào)制方式和編碼規(guī)則，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和解碼，從而獲取發(fā)送端發(fā)送的信息。在實(shí)際的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，還需要考慮信道衰落、噪聲干擾等因素對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。由于無(wú)線信道的復(fù)雜性，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到多徑衰落、陰影效應(yīng)等影響，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱、失真，從而影響信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和能量傳輸?shù)男?。為了?yīng)對(duì)這些問(wèn)題，系統(tǒng)通常采用信道估計(jì)、編碼糾錯(cuò)、分集技術(shù)等方法來(lái)提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。通過(guò)信道估計(jì)技術(shù)，接收端可以實(shí)時(shí)獲取信道狀態(tài)信息，發(fā)送端根據(jù)這些信息調(diào)整信號(hào)的傳輸參數(shù)，以適應(yīng)信道變化；編碼糾錯(cuò)技術(shù)則可以在信號(hào)傳輸過(guò)程中添加冗余信息，接收端通過(guò)解碼和糾錯(cuò)算法，恢復(fù)出正確的信息；分集技術(shù)則通過(guò)在多個(gè)路徑上傳輸信號(hào)，利用信號(hào)的冗余性來(lái)提高傳輸?shù)目煽啃浴４送?，為了?shí)現(xiàn)信息和能量的高效協(xié)同傳輸，還需要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配，包括功率分配、時(shí)間分配和頻率分配等。在功率分配方面，需要根據(jù)信息傳輸和能量傳輸?shù)男枨?，合理分配發(fā)送端的發(fā)射功率，以確保信息傳輸?shù)目煽啃院湍芰總鬏數(shù)男?；在時(shí)間分配方面，需要根據(jù)接收端對(duì)信息和能量的需求，合理安排信息傳輸和能量傳輸?shù)臅r(shí)間間隔，以提高系統(tǒng)的整體性能；在頻率分配方面，需要根據(jù)信號(hào)的特性和信道的情況，合理選擇信號(hào)的傳輸頻率，以避免頻率干擾，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。2.2.2傳輸模式分類無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸主要存在三種典型的傳輸模式，分別為時(shí)間切換（TimeSwitching，TS）模式、功率分割（PowerSplitting，PS）模式和天線選擇（AntennaSelection，AS）模式，每種模式都有其獨(dú)特的工作方式和適用場(chǎng)景。時(shí)間切換模式的工作原理是將傳輸時(shí)間劃分為不同的時(shí)隙，在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，接收端專門用于收集能量，而在另一個(gè)時(shí)隙內(nèi)則專注于信息接收。在一個(gè)傳輸周期T內(nèi)，將時(shí)間分為兩個(gè)部分，其中\(zhòng)tauT時(shí)間段用于能量收集，(1-\tau)T時(shí)間段用于信息接收，\tau為時(shí)間切換因子，取值范圍在0到1之間。這種模式的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的硬件設(shè)備來(lái)同時(shí)處理信息和能量。在一些對(duì)成本和復(fù)雜度要求較低的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，時(shí)間切換模式能夠通過(guò)合理設(shè)置時(shí)間切換因子，滿足節(jié)點(diǎn)對(duì)能量收集和信息傳輸?shù)幕拘枨?。然而，該模式也存在一定的局限性，由于時(shí)間被分割，信息傳輸和能量收集不能同時(shí)進(jìn)行，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體效率受到一定影響。當(dāng)能量收集需求較大時(shí)，分配給信息傳輸?shù)臅r(shí)間會(huì)相應(yīng)減少，從而影響信息傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量。功率分割模式則是在接收端采用功率分配器，將接收到的射頻信號(hào)按照一定比例分割為兩路，一路用于能量收集，另一路用于信息解碼。接收端接收到總功率為P的射頻信號(hào)，通過(guò)功率分配器將其分為\rhoP用于能量收集，(1-\rho)P用于信息解碼，\rho為功率分割因子，取值范圍在0到1之間。這種模式的優(yōu)勢(shì)在于能夠同時(shí)進(jìn)行信息傳輸和能量收集，在一定程度上提高了系統(tǒng)效率。在一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中，如實(shí)時(shí)視頻傳輸，功率分割模式可以在保證視頻信息傳輸?shù)?，收集能量，維持設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行。但功率分割模式對(duì)功率分配器的精度要求較高，若功率分配不準(zhǔn)確，可能會(huì)影響信息傳輸和能量收集的效果。功率分配器的精度誤差可能導(dǎo)致分配給能量收集的功率不足，無(wú)法滿足設(shè)備的能量需求，或者分配給信息解碼的功率過(guò)低，影響信息傳輸?shù)目煽啃?。天線選擇模式是利用多天線系統(tǒng)，通過(guò)選擇合適的天線來(lái)分別進(jìn)行信息傳輸和能量收集。在多天線系統(tǒng)中，不同的天線具有不同的特性，有些天線在能量收集方面表現(xiàn)較好，有些天線則更適合信息傳輸。通過(guò)智能算法和控制電路，根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)、能量需求和信息傳輸要求，動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)的天線用于能量收集，選擇其他合適的天線用于信息傳輸。這種模式充分利用了多天線系統(tǒng)的空間自由度，能夠在一定程度上提高信息傳輸和能量收集的性能。在一些復(fù)雜的無(wú)線通信環(huán)境中，如存在多徑衰落和干擾的場(chǎng)景，天線選擇模式可以通過(guò)選擇具有較好信道條件的天線進(jìn)行信息傳輸，提高信息傳輸?shù)目煽啃?；同時(shí)選擇適合能量收集的天線，提高能量收集的效率。然而，天線選擇模式需要精確的信道狀態(tài)信息和復(fù)雜的天線選擇算法，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和計(jì)算量。準(zhǔn)確獲取信道狀態(tài)信息需要進(jìn)行頻繁的信道估計(jì)和反饋，這會(huì)占用一定的系統(tǒng)資源；復(fù)雜的天線選擇算法也需要較高的計(jì)算能力，對(duì)系統(tǒng)的硬件性能提出了更高的要求。三、系統(tǒng)模型與關(guān)鍵技術(shù)3.1系統(tǒng)模型構(gòu)建3.1.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)的基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)架構(gòu)主要由基站、用戶設(shè)備以及無(wú)線信道組成。在基站端，配備大規(guī)模天線陣列，可采用均勻線性陣列（ULA）或均勻圓陣（UCA）等形式，天線數(shù)量通常達(dá)到幾十甚至上百根，以充分利用空間自由度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸和能量的精準(zhǔn)輻射。通過(guò)這些大量的天線，基站能夠在同一時(shí)間和頻率資源上同時(shí)與多個(gè)用戶設(shè)備進(jìn)行通信，顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率和容量。用戶設(shè)備則分布在基站的覆蓋范圍內(nèi)，每個(gè)用戶設(shè)備配備少量天線（一般為1-4根），用于接收來(lái)自基站的信息和能量。用戶設(shè)備不僅具備信息解碼功能，還集成了射頻能量收集模塊，能夠?qū)⒔邮盏降纳漕l信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能，為設(shè)備自身供電或存儲(chǔ)起來(lái)供后續(xù)使用。射頻能量收集模塊通常包括天線、整流器和儲(chǔ)能元件等部分，天線負(fù)責(zé)接收射頻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；整流器則將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，以便儲(chǔ)能元件進(jìn)行存儲(chǔ)。無(wú)線信道作為信號(hào)傳輸?shù)拿浇?，?huì)受到多徑衰落、陰影效應(yīng)和噪聲干擾等因素的影響。多徑衰落是由于信號(hào)在傳播過(guò)程中遇到障礙物反射、散射等，導(dǎo)致多個(gè)不同路徑的信號(hào)到達(dá)接收端，這些信號(hào)之間相互干涉，使得接收信號(hào)的幅度和相位發(fā)生隨機(jī)變化；陰影效應(yīng)是指信號(hào)在傳播過(guò)程中受到大型建筑物、地形等阻擋，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱；噪聲干擾則包括熱噪聲、人為噪聲等，會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。為了應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜的信道特性，系統(tǒng)需要采用有效的信道估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)，以確保信息和能量的可靠傳輸。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，該系統(tǒng)架構(gòu)可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和室外環(huán)境。在室內(nèi)環(huán)境，如辦公樓、商場(chǎng)等，由于空間相對(duì)封閉，多徑衰落和陰影效應(yīng)較為嚴(yán)重，大規(guī)模多天線系統(tǒng)可以通過(guò)精確的波束賦形技術(shù)，將信號(hào)能量集中指向目標(biāo)用戶設(shè)備，減少信號(hào)干擾，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量。在室外環(huán)境，如城市街道、小區(qū)等，用戶設(shè)備分布較為分散，且移動(dòng)性較強(qiáng)，系統(tǒng)需要具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠根據(jù)用戶設(shè)備的位置和移動(dòng)速度實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸策略，以保證信息和能量的穩(wěn)定傳輸。通過(guò)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)和采用先進(jìn)的技術(shù)手段，該系統(tǒng)能夠在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)高效的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸，滿足用戶對(duì)通信和能量的需求。3.1.2數(shù)學(xué)模型建立為了深入分析基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的性能，需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)基站配備N根天線，用戶設(shè)備配備M根天線，信道矩陣表示為\mathbf{H}\in\mathbb{C}^{M\timesN}，其中\(zhòng)mathbb{C}表示復(fù)數(shù)域。信道矩陣\mathbf{H}的元素h_{ij}表示從基站第j根天線到用戶設(shè)備第i根天線的信道衰落系數(shù)，它綜合考慮了多徑衰落、陰影效應(yīng)等因素對(duì)信道的影響。多徑衰落可通過(guò)瑞利衰落或萊斯衰落模型進(jìn)行描述，瑞利衰落模型適用于不存在直射路徑的信道環(huán)境，信道衰落系數(shù)服從瑞利分布；萊斯衰落模型則適用于存在較強(qiáng)直射路徑的信道環(huán)境，信道衰落系數(shù)服從萊斯分布。陰影效應(yīng)可通過(guò)對(duì)數(shù)正態(tài)分布來(lái)描述，即信道衰落系數(shù)在平均值附近呈現(xiàn)對(duì)數(shù)正態(tài)分布?；景l(fā)送的信號(hào)向量為\mathbf{x}\in\mathbb{C}^{N\times1}，滿足功率約束\mathbb{E}[\mathbf{x}^H\mathbf{x}]\leqP_t，其中P_t為基站的總發(fā)射功率，\mathbb{E}[\cdot]表示數(shù)學(xué)期望，(\cdot)^H表示共軛轉(zhuǎn)置。用戶設(shè)備接收到的信號(hào)向量\mathbf{y}\in\mathbb{C}^{M\times1}可表示為：\mathbf{y}=\sqrt{P_t}\mathbf{H}\mathbf{x}+\mathbf{n}其中，\mathbf{n}\in\mathbb{C}^{M\times1}是加性高斯白噪聲向量，其元素服從均值為0、方差為\sigma^2的復(fù)高斯分布，即n_i\sim\mathcal{CN}(0,\sigma^2)，i=1,2,\cdots,M。加性高斯白噪聲是無(wú)線通信中常見(jiàn)的噪聲模型，它反映了信道中各種隨機(jī)噪聲源對(duì)信號(hào)的干擾。在無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸中，考慮時(shí)間切換（TS）模式和功率分割（PS）模式。在時(shí)間切換模式下，傳輸時(shí)間被劃分為兩個(gè)時(shí)隙，在能量收集時(shí)隙，用戶設(shè)備將接收到的信號(hào)全部用于能量收集，收集到的能量E可表示為：E=\eta\tauP_t\|\mathbf{H}\mathbf{x}\|^2其中，\eta為能量轉(zhuǎn)換效率，表示射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能的效率，一般取值在0到1之間；\tau為能量收集時(shí)隙占總傳輸時(shí)間的比例，0\leq\tau\leq1；\|\cdot\|表示向量的范數(shù)。在信息傳輸時(shí)隙，用戶設(shè)備對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行信息解碼，信息傳輸速率R可通過(guò)香農(nóng)公式計(jì)算：R=(1-\tau)\log_2(1+\frac{P_t\|\mathbf{H}\mathbf{w}\|^2}{\sigma^2})其中，\mathbf{w}是用于信息傳輸?shù)牟ㄊx形向量，滿足\|\mathbf{w}\|^2=1。在功率分割模式下，用戶設(shè)備采用功率分配器將接收到的信號(hào)按比例\rho（0\leq\rho\leq1）分割為兩路，一路用于能量收集，另一路用于信息解碼。收集到的能量E為：E=\eta\rhoP_t\|\mathbf{H}\mathbf{x}\|^2信息傳輸速率R為：R=\log_2(1+\frac{(1-\rho)P_t\|\mathbf{H}\mathbf{w}\|^2}{\sigma^2})通過(guò)建立上述數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的性能進(jìn)行量化分析，為后續(xù)的資源分配算法設(shè)計(jì)和傳輸策略研究提供理論基礎(chǔ)。在研究資源分配算法時(shí)，可以以最大化系統(tǒng)的能量傳輸效率和信息傳輸速率為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化時(shí)間切換因子\tau、功率分割因子\rho以及波束賦形向量\mathbf{w}等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。在研究傳輸策略時(shí)，可以根據(jù)信道狀態(tài)信息和用戶需求，選擇合適的傳輸模式（時(shí)間切換模式或功率分割模式），以提高系統(tǒng)的整體性能。3.2關(guān)鍵技術(shù)研究3.2.1波束賦形技術(shù)波束賦形技術(shù)作為大規(guī)模多天線系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，在無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸中發(fā)揮著舉足輕重的作用。其核心原理是通過(guò)精心調(diào)整天線陣列中各天線單元的相位和幅度，使信號(hào)在空間中巧妙地形成特定形狀的波束，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量的精準(zhǔn)聚焦與定向傳輸。在基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，基站端配備的大規(guī)模天線陣列為波束賦形提供了豐富的空間自由度，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶設(shè)備的具體位置、信道狀態(tài)以及業(yè)務(wù)需求，靈活且精準(zhǔn)地控制波束的方向和形狀。為了實(shí)現(xiàn)信息與能量的高效傳輸，需要深入研究適用于該系統(tǒng)的波束賦形算法。傳統(tǒng)的波束賦形算法如最大比傳輸（MRT）算法，在理想信道條件下能夠有效地將信號(hào)能量集中指向目標(biāo)用戶，從而提高信號(hào)傳輸?shù)膹?qiáng)度和可靠性。在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，信道往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)變特性，存在多徑衰落、陰影效應(yīng)以及噪聲干擾等諸多不利因素，這使得傳統(tǒng)的MRT算法在性能上受到一定程度的限制。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員提出了基于信道狀態(tài)信息（CSI）的自適應(yīng)波束賦形算法。該算法通過(guò)實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，能夠根據(jù)信道的動(dòng)態(tài)變化及時(shí)調(diào)整波束賦形向量，使波束始終精確地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶，從而顯著提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率?；谧钚【秸`差（MMSE）準(zhǔn)則的自適應(yīng)波束賦形算法，通過(guò)最小化接收信號(hào)與原始信號(hào)之間的均方誤差，能夠有效地抑制噪聲干擾，提高信號(hào)的可靠性；基于信干噪比（SINR）最大化的自適應(yīng)波束賦形算法，則通過(guò)最大化接收信號(hào)的信干噪比，能夠有效抵抗多徑衰落和干擾，提高信號(hào)的傳輸性能。除了傳統(tǒng)的基于優(yōu)化理論的波束賦形算法，近年來(lái)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的波束賦形算法也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性映射能力和學(xué)習(xí)能力，能夠自動(dòng)從大量的信道數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到信道的復(fù)雜特征和規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波束賦形向量的智能優(yōu)化。通過(guò)構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）模型，將信道狀態(tài)信息作為輸入，輸出最優(yōu)的波束賦形向量，能夠在復(fù)雜的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效的波束賦形。與傳統(tǒng)算法相比，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波束賦形算法具有更好的適應(yīng)性和魯棒性，能夠在不同的信道條件下都保持較好的性能。然而，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的波束賦形算法也存在一些不足之處，計(jì)算復(fù)雜度較高，需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和計(jì)算資源，這在一定程度上限制了其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，如何降低基于機(jī)器學(xué)習(xí)的波束賦形算法的計(jì)算復(fù)雜度，提高其計(jì)算效率和實(shí)時(shí)性，是未來(lái)研究的重要方向之一。3.2.2功率分配策略在基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，功率分配策略是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，合理的功率分配能夠顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率、能量傳輸效率以及用戶的服務(wù)質(zhì)量。由于系統(tǒng)需要同時(shí)兼顧信息傳輸和能量傳輸?shù)男枨?，且不同用戶的信道條件、業(yè)務(wù)需求以及能量需求存在差異，因此功率分配問(wèn)題變得尤為復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，研究人員提出了多種功率分配策略。在單用戶場(chǎng)景下，基于注水原理的功率分配算法是一種經(jīng)典的策略。該算法的核心思想是根據(jù)信道增益的大小來(lái)分配發(fā)射功率，將更多的功率分配給信道條件較好的子信道，就如同往不同深度的容器中注水一樣，使每個(gè)子信道的信噪比達(dá)到相同的水平，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化。在實(shí)際應(yīng)用中，單用戶場(chǎng)景相對(duì)較少，多用戶場(chǎng)景更為常見(jiàn)。在多用戶場(chǎng)景下，功率分配不僅要考慮系統(tǒng)容量的最大化，還要兼顧用戶之間的公平性?；诒壤綔?zhǔn)則的功率分配算法，通過(guò)為每個(gè)用戶分配與其信道條件和業(yè)務(wù)需求成比例的功率，能夠在一定程度上保證用戶之間的公平性，同時(shí)提高系統(tǒng)的整體性能。該算法首先計(jì)算每個(gè)用戶的信道增益與業(yè)務(wù)需求的比值，然后根據(jù)這些比值來(lái)分配功率，使得信道條件好且業(yè)務(wù)需求大的用戶能夠獲得更多的功率，而信道條件差或業(yè)務(wù)需求小的用戶也能獲得一定的功率保障。隨著研究的深入，聯(lián)合優(yōu)化信息傳輸和能量傳輸?shù)墓β史峙洳呗猿蔀榱搜芯康闹攸c(diǎn)?？紤]時(shí)間切換（TS）模式和功率分割（PS）模式下的功率分配策略，在TS模式下，需要合理分配能量收集時(shí)隙和信息傳輸時(shí)隙的功率，以實(shí)現(xiàn)能量收集和信息傳輸?shù)淖顑?yōu)平衡。通過(guò)優(yōu)化時(shí)間切換因子和功率分配比例，使系統(tǒng)在滿足用戶能量需求的，最大化信息傳輸速率。在PS模式下，則需要精確確定功率分割因子，將接收到的信號(hào)功率合理地分配到能量收集和信息解碼兩個(gè)部分，以提高系統(tǒng)的整體效率。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，以最大化系統(tǒng)的能量傳輸效率和信息傳輸速率為目標(biāo)函數(shù)，以功率分配的約束條件為限制，利用優(yōu)化算法求解出最優(yōu)的功率分割因子。此外，博弈論作為一種有效的工具，也被廣泛應(yīng)用于多用戶無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的功率分配策略研究中。在多用戶系統(tǒng)中，每個(gè)用戶都希望通過(guò)調(diào)整自己的功率分配來(lái)最大化自身的利益，這就形成了一個(gè)博弈過(guò)程。通過(guò)建立功率分配博弈模型，將用戶視為博弈的參與者，功率分配策略視為參與者的策略選擇，系統(tǒng)性能視為參與者的收益函數(shù)，利用博弈論中的納什均衡等概念，分析用戶之間的相互作用和策略選擇，從而找到一種公平且高效的功率分配方案。在一個(gè)多用戶無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，每個(gè)用戶根據(jù)其他用戶的功率分配策略來(lái)調(diào)整自己的功率分配，最終達(dá)到納什均衡狀態(tài)，此時(shí)每個(gè)用戶都無(wú)法通過(guò)單方面改變自己的功率分配來(lái)提高自身的收益，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運(yùn)行。3.2.3信道估計(jì)方法準(zhǔn)確的信道估計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸?shù)年P(guān)鍵前提，它能夠?yàn)椴ㄊx形、功率分配等關(guān)鍵技術(shù)提供可靠的信道狀態(tài)信息，從而顯著提高系統(tǒng)的性能。在基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，由于天線數(shù)量眾多，信道特性變得極為復(fù)雜，傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法，如最小二乘（LS）算法和最小均方誤差（MMSE）算法，在小規(guī)模多天線系統(tǒng)中取得了較好的應(yīng)用效果。LS算法簡(jiǎn)單直接，通過(guò)利用收發(fā)導(dǎo)頻來(lái)估計(jì)信道狀態(tài)信息，然而，它在計(jì)算過(guò)程中會(huì)不可避免地放大噪聲的影響，導(dǎo)致估計(jì)的信道狀態(tài)信息精度較低，尤其是在噪聲較大的環(huán)境中，估計(jì)誤差會(huì)顯著增大。MMSE算法則引入了真實(shí)信道的二階統(tǒng)計(jì)特性和噪聲方差等先驗(yàn)信息，通過(guò)最小化估計(jì)誤差的均方值來(lái)提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確性。該算法需要準(zhǔn)確知道信道的統(tǒng)計(jì)特性，而在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，信道的統(tǒng)計(jì)特性往往是時(shí)變的，難以準(zhǔn)確獲取，這使得MMSE算法的應(yīng)用受到了一定的限制。為了克服傳統(tǒng)信道估計(jì)方法的局限性，近年來(lái)，研究人員提出了一系列適用于大規(guī)模多天線系統(tǒng)的信道估計(jì)新方法?；趬嚎s感知理論的信道估計(jì)方法利用信道在空間域或時(shí)間域的稀疏特性，通過(guò)少量的觀測(cè)數(shù)據(jù)即可準(zhǔn)確恢復(fù)信道狀態(tài)信息，從而有效降低了導(dǎo)頻開(kāi)銷和計(jì)算復(fù)雜度。在大規(guī)模多天線系統(tǒng)中，由于信道的多徑分量在空間上具有一定的稀疏性，基于壓縮感知的信道估計(jì)方法可以通過(guò)設(shè)計(jì)合適的觀測(cè)矩陣和重構(gòu)算法，從少量的導(dǎo)頻信號(hào)中精確恢復(fù)出信道的多徑分量，提高信道估計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信道估計(jì)方法也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力和非線性映射能力，能夠自動(dòng)從大量的信道數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到信道的復(fù)雜特征和規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確估計(jì)。通過(guò)構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型，將接收信號(hào)和導(dǎo)頻信號(hào)作為輸入，輸出估計(jì)的信道狀態(tài)信息，能夠在復(fù)雜的信道環(huán)境下取得較好的信道估計(jì)性能。與傳統(tǒng)方法相比，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信道估計(jì)方法具有更好的適應(yīng)性和魯棒性，能夠在不同的信道條件下都保持較高的估計(jì)精度。然而，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信道估計(jì)方法也存在一些問(wèn)題，模型訓(xùn)練需要大量的樣本數(shù)據(jù)，且計(jì)算復(fù)雜度較高，這在一定程度上限制了其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，如何優(yōu)化基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信道估計(jì)模型，減少訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求，降低計(jì)算復(fù)雜度，提高估計(jì)的實(shí)時(shí)性，是未來(lái)研究的重要方向之一。結(jié)合遷移學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)，利用已有的信道數(shù)據(jù)和先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)信道估計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高模型的性能和泛化能力。四、性能分析與優(yōu)化策略4.1性能指標(biāo)設(shè)定在基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，為全面、準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)性能，需要設(shè)定一系列科學(xué)合理的性能指標(biāo)。這些指標(biāo)不僅能夠量化系統(tǒng)在不同方面的表現(xiàn)，還能為系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)提供明確的方向。傳輸速率是衡量系統(tǒng)信息傳輸能力的關(guān)鍵指標(biāo)，它直接反映了單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠傳輸?shù)男畔⒘俊Ｔ跓o(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，信息傳輸速率受到多種因素的影響，包括信道條件、發(fā)射功率、調(diào)制方式、編碼方案以及多天線技術(shù)的應(yīng)用等。在理想的信道條件下，采用高階調(diào)制方式和高效的編碼方案，結(jié)合大規(guī)模多天線系統(tǒng)的空間復(fù)用增益，能夠顯著提高信息傳輸速率。但在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，信道存在多徑衰落、陰影效應(yīng)和噪聲干擾等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真和傳輸錯(cuò)誤，從而降低信息傳輸速率。為了準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)的信息傳輸速率，通常采用香農(nóng)公式進(jìn)行計(jì)算。香農(nóng)公式給出了在高斯白噪聲信道下，信道容量與信噪比、帶寬之間的關(guān)系，即C=B\log_2(1+\frac{S}{N})，其中C表示信道容量（單位：bps），B表示信道帶寬（單位：Hz），S表示信號(hào)功率（單位：W），N表示噪聲功率（單位：W）。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體參數(shù)和信道狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量或估計(jì)得到信號(hào)功率和噪聲功率，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)的信息傳輸速率。能量效率也是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它衡量的是系統(tǒng)在傳輸信息和能量過(guò)程中，有效利用能量的能力。在無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，能量效率不僅關(guān)系到系統(tǒng)的可持續(xù)性和運(yùn)行成本，還與用戶設(shè)備的續(xù)航能力密切相關(guān)。能量效率受到能量轉(zhuǎn)換效率、傳輸損耗、功率分配策略等因素的影響。射頻能量收集器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，會(huì)導(dǎo)致大量的能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中損失，從而降低系統(tǒng)的能量效率；傳輸損耗則與無(wú)線信道的特性、天線的性能以及傳輸距離等因素有關(guān)，較大的傳輸損耗會(huì)使到達(dá)接收端的能量減少，進(jìn)而影響能量效率。為了提高系統(tǒng)的能量效率，需要優(yōu)化功率分配策略，合理分配發(fā)射功率，使能量在信息傳輸和能量傳輸之間達(dá)到最佳平衡。同時(shí)，還可以采用高效的能量收集技術(shù)和低損耗的傳輸設(shè)備，減少能量損失，提高能量利用效率。能量效率通?？梢杂脝挝荒芰總鬏?shù)男畔⒘縼?lái)表示，即\eta=\frac{R}{P_{total}}，其中\(zhòng)eta表示能量效率（單位：bps/W），R表示信息傳輸速率（單位：bps），P_{total}表示系統(tǒng)的總發(fā)射功率（單位：W）。通過(guò)計(jì)算能量效率，可以評(píng)估系統(tǒng)在能量利用方面的性能，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。誤碼率是衡量信息傳輸準(zhǔn)確性的關(guān)鍵指標(biāo)，它表示在傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比。誤碼率直接影響用戶對(duì)通信質(zhì)量的感知，較低的誤碼率能夠保證信息的準(zhǔn)確傳輸，提高通信的可靠性。誤碼率受到信道衰落、噪聲干擾、信號(hào)強(qiáng)度以及調(diào)制解調(diào)方式等因素的影響。在多徑衰落嚴(yán)重的信道中，信號(hào)會(huì)發(fā)生失真和干擾，導(dǎo)致誤碼率升高；噪聲干擾則會(huì)增加信號(hào)的不確定性，進(jìn)一步降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，提高誤碼率。為了降低誤碼率，系統(tǒng)通常采用信道編碼、分集技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)等方法。信道編碼通過(guò)在信息碼元中添加冗余碼元，增加信號(hào)的抗干擾能力，使得接收端能夠檢測(cè)和糾正傳輸過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤；分集技術(shù)則通過(guò)在多個(gè)路徑上傳輸信號(hào)，利用信號(hào)的冗余性來(lái)降低誤碼率；自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)則根據(jù)信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)制解調(diào)方式，選擇最合適的調(diào)制階數(shù)和編碼速率，以適應(yīng)信道的變化，降低誤碼率。在實(shí)際應(yīng)用中，誤碼率通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真來(lái)測(cè)量，通過(guò)統(tǒng)計(jì)傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤的碼元數(shù)，計(jì)算出誤碼率，從而評(píng)估系統(tǒng)的信息傳輸準(zhǔn)確性。覆蓋范圍是評(píng)估系統(tǒng)服務(wù)范圍的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┯行ㄐ藕湍芰總鬏數(shù)牡乩韰^(qū)域。在基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，覆蓋范圍受到天線的輻射特性、發(fā)射功率、信道條件以及用戶設(shè)備的接收靈敏度等因素的影響。大規(guī)模多天線系統(tǒng)通過(guò)波束賦形技術(shù)，可以將信號(hào)能量集中在特定的方向，擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍；增加發(fā)射功率可以提高信號(hào)的強(qiáng)度，從而擴(kuò)大覆蓋范圍。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到建筑物、地形等障礙物的阻擋，以及信號(hào)的衰減和干擾，覆蓋范圍會(huì)受到一定的限制。為了擴(kuò)大覆蓋范圍，需要優(yōu)化天線的布局和參數(shù)，提高天線的輻射效率；同時(shí)，還可以采用中繼技術(shù)或分布式天線系統(tǒng)，通過(guò)增加信號(hào)的傳輸路徑，擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署中，需要根據(jù)用戶的分布情況和業(yè)務(wù)需求，合理確定系統(tǒng)的覆蓋范圍，并通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局，確保系統(tǒng)能夠滿足用戶的需求。4.2性能分析方法為深入剖析基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的性能，本研究綜合運(yùn)用理論分析、仿真分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等多種方法，從不同角度、不同層面全面評(píng)估系統(tǒng)性能，確保研究結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和可靠性。在理論分析方面，借助數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式運(yùn)算，深入研究系統(tǒng)的性能邊界和特性。基于信息論和通信原理，推導(dǎo)系統(tǒng)在不同條件下的信息傳輸速率上限，結(jié)合信道模型和信號(hào)傳輸理論，分析能量傳輸效率的理論極限。通過(guò)對(duì)波束賦形算法的理論分析，推導(dǎo)在不同信道條件下，如何通過(guò)優(yōu)化波束賦形向量，實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量的最大化傳輸和干擾的最小化抑制。在多用戶場(chǎng)景下，利用博弈論分析功率分配策略，推導(dǎo)納什均衡條件下的最優(yōu)功率分配方案，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能和用戶公平性的平衡。理論分析不僅為系統(tǒng)性能的評(píng)估提供了理論依據(jù)，還能揭示系統(tǒng)性能與各種參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)方向。仿真分析是本研究中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。借助MATLAB、NS-3等專業(yè)仿真軟件，搭建高精度的系統(tǒng)仿真平臺(tái)。在MATLAB仿真環(huán)境中，精確設(shè)置各種參數(shù)，包括天線數(shù)量、信道模型、功率分配策略、傳輸模式等，模擬系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的運(yùn)行情況。通過(guò)改變天線數(shù)量，觀察系統(tǒng)在不同天線配置下的性能變化，研究天線數(shù)量對(duì)系統(tǒng)容量、覆蓋范圍和能量傳輸效率的影響；設(shè)置不同的信道模型，如瑞利衰落信道、萊斯衰落信道等，分析系統(tǒng)在不同信道條件下的抗干擾能力和傳輸可靠性；調(diào)整功率分配策略和傳輸模式，對(duì)比不同策略和模式下系統(tǒng)的頻譜效率、能量效率和誤碼率等性能指標(biāo)，篩選出最優(yōu)的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置。通過(guò)仿真分析，可以快速、靈活地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多種場(chǎng)景的測(cè)試和分析，為系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供大量的數(shù)據(jù)支持和參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)研究成果的最終環(huán)節(jié)，也是確保研究結(jié)果具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵步驟。搭建基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用軟件定義無(wú)線電（SDR）技術(shù)和硬件設(shè)備，如USRP（UniversalSoftwareRadioPeripheral），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件原型。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的實(shí)際測(cè)試，采集真實(shí)數(shù)據(jù)，并與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行深入對(duì)比驗(yàn)證。在室內(nèi)環(huán)境中，測(cè)試系統(tǒng)在不同障礙物分布和信號(hào)干擾情況下的性能表現(xiàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性；在室外環(huán)境中，測(cè)試系統(tǒng)在不同距離、不同地形條件下的信息傳輸速率和能量傳輸效率，評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)際覆蓋范圍和應(yīng)用效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠發(fā)現(xiàn)理論分析和仿真分析中未考慮到的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法參數(shù)，確保研究成果能夠真正應(yīng)用于實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)中。4.3優(yōu)化策略制定基于上述性能分析結(jié)果，為提升基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的整體性能，制定以下優(yōu)化策略：動(dòng)態(tài)資源分配策略：系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)線信道狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)變化，用戶的業(yè)務(wù)需求也各不相同。因此，采用動(dòng)態(tài)資源分配策略至關(guān)重要。根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的信道狀態(tài)信息（CSI）和用戶需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整功率、時(shí)間和頻率等資源分配方案。在信道條件良好時(shí)，為對(duì)傳輸速率要求較高的用戶分配更多的功率和帶寬資源，以提高其信息傳輸速率；而在信道條件較差時(shí)，適當(dāng)減少功率分配，避免能量浪費(fèi)，并通過(guò)編碼和調(diào)制方式的調(diào)整來(lái)保證傳輸?shù)目煽啃?。在時(shí)間切換（TS）模式下，根據(jù)用戶的能量需求和信息傳輸緊急程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整能量收集時(shí)隙和信息傳輸時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)比例。當(dāng)用戶能量?jī)?chǔ)備較低且對(duì)信息傳輸實(shí)時(shí)性要求不高時(shí)，適當(dāng)增加能量收集時(shí)隙，以滿足用戶的能量需求；當(dāng)用戶有緊急的信息傳輸需求時(shí)，增加信息傳輸時(shí)隙，確保信息能夠及時(shí)傳輸。通過(guò)這種動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用，提高系統(tǒng)的整體性能和用戶滿意度。聯(lián)合優(yōu)化算法設(shè)計(jì)：為實(shí)現(xiàn)信息傳輸和能量傳輸?shù)膮f(xié)同優(yōu)化，設(shè)計(jì)聯(lián)合優(yōu)化算法，同時(shí)考慮多個(gè)性能指標(biāo)，如最大化系統(tǒng)的頻譜效率和能量傳輸效率，以及保證用戶之間的公平性?；谕箖?yōu)化理論，建立聯(lián)合優(yōu)化模型，將功率分配、時(shí)間分配、波束賦形等作為優(yōu)化變量，以系統(tǒng)性能指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)考慮各種約束條件，如發(fā)射功率限制、用戶最低速率要求、能量收集需求等。通過(guò)求解該優(yōu)化模型，得到最優(yōu)的資源分配和傳輸策略。在多用戶場(chǎng)景下，考慮用戶之間的公平性，以最大化最小用戶速率為目標(biāo)，結(jié)合功率分配和波束賦形算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能和用戶公平性的平衡。通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，能夠充分發(fā)揮大規(guī)模多天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信息與能量的高效協(xié)同傳輸。智能反射面輔助優(yōu)化：智能反射面（IRS）作為一種新興技術(shù)，能夠通過(guò)調(diào)整反射系數(shù)，靈活地調(diào)控?zé)o線信號(hào)的傳播路徑和強(qiáng)度。將智能反射面應(yīng)用于基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。在基站和用戶設(shè)備之間合理部署智能反射面，利用其對(duì)信號(hào)的反射和調(diào)控能力，增強(qiáng)信號(hào)的傳輸強(qiáng)度，改善信道條件，減少信號(hào)干擾。通過(guò)優(yōu)化智能反射面的反射系數(shù)和位置，使其與大規(guī)模多天線系統(tǒng)的波束賦形技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能量和信息的精準(zhǔn)傳輸。在存在障礙物阻擋信號(hào)傳輸?shù)膱?chǎng)景中，智能反射面可以將信號(hào)反射到用戶設(shè)備，避免信號(hào)被遮擋，提高信號(hào)的覆蓋范圍和傳輸質(zhì)量。同時(shí)，智能反射面還可以根據(jù)信道狀態(tài)和用戶需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整反射系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的智能調(diào)控，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能和靈活性。機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)優(yōu)化：機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的潛力，可用于優(yōu)化基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)大量的信道數(shù)據(jù)和用戶行為數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，預(yù)測(cè)信道狀態(tài)的變化趨勢(shì)和用戶的業(yè)務(wù)需求，從而提前調(diào)整系統(tǒng)的資源分配和傳輸策略，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和響應(yīng)速度。通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，學(xué)習(xí)信道狀態(tài)與最優(yōu)資源分配策略之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)資源分配的智能化和自動(dòng)化。在深度學(xué)習(xí)方面，采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，讓系統(tǒng)在不同的環(huán)境和任務(wù)中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和決策，不斷優(yōu)化自身的性能。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和反饋信息，自動(dòng)調(diào)整資源分配和傳輸策略，以最大化系統(tǒng)的性能指標(biāo)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，能夠充分挖掘數(shù)據(jù)中的潛在信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能優(yōu)化和自適應(yīng)調(diào)整，提升系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的性能表現(xiàn)。五、應(yīng)用案例分析5.15G通信中的應(yīng)用5.1.1案例背景介紹5G通信作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，具有高速率、低延遲、大連接等顯著特點(diǎn)，為眾多新興應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)提供了可能。在5G通信中，大規(guī)模多天線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其高性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的容量、覆蓋范圍和用戶體驗(yàn)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的4G通信技術(shù)在面對(duì)海量設(shè)備連接和高速數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，逐漸顯露出其局限性。而5G通信中的大規(guī)模多天線技術(shù)通過(guò)在基站端部署大規(guī)模天線陣列，能夠顯著提升頻譜效率、增大系統(tǒng)容量，有效滿足了5G通信對(duì)高速率和大連接的需求。同時(shí)，無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)在5G通信中的應(yīng)用也具有重要意義。在5G時(shí)代，大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要持續(xù)穩(wěn)定的能量供應(yīng)以維持通信，而傳統(tǒng)的電池供電方式難以滿足這些設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的需求。無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)能夠在傳輸信息的，收集能量，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了一種可持續(xù)的能量供應(yīng)方式。將大規(guī)模多天線技術(shù)與無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)相結(jié)合，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升5G通信系統(tǒng)的性能。在一個(gè)5G基站覆蓋范圍內(nèi)，存在大量的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)并獲取能量。通過(guò)基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)，基站可以利用大規(guī)模天線陣列將信號(hào)能量集中指向目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸和能量的高效收集，從而滿足傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)通信和能量的需求。在實(shí)際的5G網(wǎng)絡(luò)部署中，面臨著復(fù)雜的無(wú)線信道環(huán)境和多樣化的業(yè)務(wù)需求。城市中的高樓大廈會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的多徑衰落和陰影效應(yīng)，不同的業(yè)務(wù)（如視頻流、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音通話等）對(duì)傳輸速率、延遲和可靠性的要求也各不相同。因此，如何在復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化配置，以滿足不同業(yè)務(wù)的需求，是當(dāng)前5G通信領(lǐng)域研究的重要課題。5.1.2應(yīng)用效果評(píng)估在5G通信中應(yīng)用基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)后，通過(guò)實(shí)際測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了全面評(píng)估。在傳輸速率方面，該系統(tǒng)展現(xiàn)出了顯著的提升。由于大規(guī)模多天線技術(shù)能夠利用空間復(fù)用增益，在相同的時(shí)間和頻率資源上同時(shí)傳輸多個(gè)信息流，從而大大提高了系統(tǒng)的傳輸速率。在一個(gè)實(shí)際的5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試場(chǎng)景中，對(duì)比傳統(tǒng)的4G通信系統(tǒng)，基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的下行傳輸速率提升了數(shù)倍，能夠輕松滿足高清視頻流、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸要求較高的業(yè)務(wù)需求。對(duì)于高清視頻播放業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)出現(xiàn)卡頓、加載緩慢的情況，而在基于大規(guī)模多天線的5G系統(tǒng)中，視頻能夠流暢播放，畫面清晰，用戶體驗(yàn)得到了極大的改善。在能量效率方面，無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)的應(yīng)用取得了良好的效果。通過(guò)合理的功率分配和傳輸策略，系統(tǒng)能夠在傳輸信息的，高效地收集能量，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可持續(xù)的能量供應(yīng)。在一個(gè)包含多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試環(huán)境中，采用無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)后，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠從周圍的射頻信號(hào)中收集能量，減少了對(duì)傳統(tǒng)電池的依賴，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。一些低功耗的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)，原本需要頻繁更換電池，采用該技術(shù)后，僅通過(guò)收集射頻能量就能夠滿足其日常運(yùn)行的能量需求，大大降低了維護(hù)成本和能源消耗。在覆蓋范圍和信號(hào)穩(wěn)定性方面，大規(guī)模多天線技術(shù)的波束賦形功能發(fā)揮了重要作用。通過(guò)調(diào)整天線陣列中各天線單元的相位和幅度，使信號(hào)在空間中形成特定形狀的波束，能夠?qū)⑿盘?hào)能量集中指向目標(biāo)區(qū)域，有效擴(kuò)大了信號(hào)的覆蓋范圍，增強(qiáng)了信號(hào)的穩(wěn)定性。在城市中的高樓林立區(qū)域，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)容易受到建筑物的阻擋而出現(xiàn)信號(hào)盲區(qū)，而基于大規(guī)模多天線的5G系統(tǒng)能夠通過(guò)波束賦形技術(shù)，靈活調(diào)整波束方向，繞過(guò)障礙物，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些區(qū)域的有效覆蓋，減少信號(hào)中斷和干擾的情況。在一些大型商場(chǎng)、寫字樓等室內(nèi)場(chǎng)景中，該系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定、高速的信號(hào)，確保用戶在不同位置都能享受到良好的通信服務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)在5G通信中取得了顯著的應(yīng)用效果，有效提升了系統(tǒng)的傳輸速率、能量效率、覆蓋范圍和信號(hào)穩(wěn)定性，為5G時(shí)代的各種新興應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。然而，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)，如系統(tǒng)復(fù)雜度增加、成本上升等，需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化來(lái)解決這些問(wèn)題。5.2物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用5.2.1應(yīng)用場(chǎng)景描述在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用空間。以智能家居為例，家庭中部署了大量的智能設(shè)備，如智能燈泡、智能攝像頭、智能門鎖、智能音箱等，這些設(shè)備需要實(shí)時(shí)與家庭網(wǎng)關(guān)或云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)也需要持續(xù)的能量供應(yīng)以維持正常運(yùn)行。通過(guò)在家庭網(wǎng)關(guān)或基站端配備大規(guī)模多天線，利用無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些智能設(shè)備的高效通信和能量傳輸。大規(guī)模多天線可以通過(guò)精確的波束賦形技術(shù)，將信號(hào)能量集中指向目標(biāo)智能設(shè)備，確保設(shè)備能夠接收到穩(wěn)定、高速的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)上傳和控制指令的及時(shí)下達(dá)。在智能攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭安全時(shí)，能夠快速將拍攝的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舻氖謾C(jī)或云端，以便用戶隨時(shí)查看。無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)還能讓智能設(shè)備從周圍的射頻信號(hào)中收集能量，減少對(duì)電池的依賴，降低維護(hù)成本。智能門鎖可以通過(guò)收集射頻能量，保證在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)需更換電池，依然能夠正常工作，提高用戶的使用便利性。在智能工業(yè)領(lǐng)域，基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)同樣發(fā)揮著重要作用。工廠中存在大量的傳感器、執(zhí)行器和機(jī)器人等設(shè)備，這些設(shè)備分布廣泛，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)。大規(guī)模多天線系統(tǒng)可以利用其強(qiáng)大的空間復(fù)用能力，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中同時(shí)與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，提高通信效率和可靠性。在一個(gè)大型汽車制造工廠中，生產(chǎn)線沿線分布著眾多的傳感器，用于監(jiān)測(cè)零部件的加工精度、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息。通過(guò)基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)，這些傳感器能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)快速傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，以便及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。該系統(tǒng)還能為一些低功耗的傳感器和執(zhí)行器提供能量，確保它們?cè)跓o(wú)外接電源的情況下也能正常工作，提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性和智能化水平。在一些危險(xiǎn)環(huán)境或難以布線的區(qū)域，如化工車間、礦井等，無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)能夠?yàn)樵O(shè)備提供可靠的通信和能量支持，保障生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。5.2.2應(yīng)用價(jià)值分析該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中帶來(lái)了多方面的顯著價(jià)值。從通信性能提升角度來(lái)看，大規(guī)模多天線技術(shù)極大地增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信能力。通過(guò)利用空間自由度，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的高效傳輸和多用戶的同時(shí)通信，有效提高了通信的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率。在智能家居場(chǎng)景中，眾多智能設(shè)備可以同時(shí)與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互，不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)擁堵或中斷的情況，確保用戶能夠?qū)崟r(shí)控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)。在智能工業(yè)領(lǐng)域，大量傳感器和執(zhí)行器能夠快速、準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和精確控制提供了有力支持，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在能量供應(yīng)優(yōu)化方面，無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能量供應(yīng)提供了創(chuàng)新解決方案。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大多依賴電池供電，電池續(xù)航能力有限，需要頻繁更換電池，這不僅增加了維護(hù)成本，還可能導(dǎo)致設(shè)備在更換電池期間無(wú)法正常工作。而基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)能夠使設(shè)備從周圍的射頻信號(hào)中收集能量，實(shí)現(xiàn)自我供電或延長(zhǎng)電池使用壽命。在智能農(nóng)業(yè)中，部署在農(nóng)田中的傳感器可以通過(guò)收集射頻能量，持續(xù)監(jiān)測(cè)土壤濕度、溫度、養(yǎng)分含量等信息，無(wú)需人工頻繁更換電池，降低了維護(hù)難度和成本，保障了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和可靠性提升方面來(lái)看，該系統(tǒng)通過(guò)多天線的分集增益和波束賦形技術(shù)，有效抵抗了無(wú)線信道中的多徑衰落、陰影效應(yīng)和噪聲干擾等不利因素，提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量和覆蓋范圍。在復(fù)雜的城市環(huán)境中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)受到建筑物、地形等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸不穩(wěn)定?；诖笠?guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)能夠通過(guò)調(diào)整波束方向和形狀，繞過(guò)障礙物，確保信號(hào)能夠穩(wěn)定地傳輸?shù)皆O(shè)備，提高了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性。該系統(tǒng)還能通過(guò)智能的資源分配算法，根據(jù)設(shè)備的需求動(dòng)態(tài)調(diào)整信息傳輸和能量傳輸策略，進(jìn)一步保障了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在智能交通系統(tǒng)中，車輛、交通信號(hào)燈、路邊傳感器等設(shè)備之間的通信和能量供應(yīng)能夠得到有效保障，確保交通系統(tǒng)的高效運(yùn)行，減少交通事故的發(fā)生。六、面臨挑戰(zhàn)與解決方案6.1面臨挑戰(zhàn)剖析基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)雖前景廣闊，但在技術(shù)、成本、標(biāo)準(zhǔn)等多方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，信道估計(jì)的準(zhǔn)確性是一大難題。無(wú)線信道復(fù)雜多變，受到多徑衰落、陰影效應(yīng)和噪聲干擾等因素影響。在高樓林立的城市環(huán)境中，信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)多次反射、散射，導(dǎo)致多徑衰落嚴(yán)重，信道狀態(tài)快速變化。傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法，如基于導(dǎo)頻的估計(jì)方法，在大規(guī)模多天線系統(tǒng)中，由于天線數(shù)量眾多，導(dǎo)頻開(kāi)銷巨大，且易受到噪聲干擾，難以準(zhǔn)確估計(jì)信道狀態(tài)。這會(huì)導(dǎo)致波束賦形、功率分配等關(guān)鍵技術(shù)無(wú)法基于準(zhǔn)確的信道信息進(jìn)行優(yōu)化，從而降低系統(tǒng)性能，影響信息傳輸?shù)目煽啃院湍芰總鬏數(shù)男?。硬件?shí)現(xiàn)的復(fù)雜性也給系統(tǒng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。大規(guī)模多天線系統(tǒng)需要大量的天線單元、射頻鏈路和基帶處理單元，這使得硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)變得極為復(fù)雜。每個(gè)天線單元都需要配備獨(dú)立的射頻鏈路，包括功率放大器、低噪聲放大器、混頻器等組件，這些組件的數(shù)量增加不僅會(huì)導(dǎo)致硬件成本大幅上升，還會(huì)增加系統(tǒng)的功耗和體積。在基站端部署大規(guī)模天線陣列時(shí)，需要考慮如何合理布局天線單元，以減少相互之間的干擾，同時(shí)還要保證射頻鏈路和基帶處理單元能夠高效協(xié)同工作，這對(duì)硬件設(shè)計(jì)和制造工藝提出了很高的要求。系統(tǒng)性能的優(yōu)化也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)需要在信息傳輸速率、能量傳輸效率和用戶公平性等多個(gè)性能指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。在多用戶場(chǎng)景下，不同用戶的信道條件和業(yè)務(wù)需求各不相同，如何合理分配資源，以滿足每個(gè)用戶的需求，同時(shí)最大化系統(tǒng)的整體性能，是一個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題。在一些用戶密集的區(qū)域，部分用戶可能由于信道條件較差，難以獲得足夠的信號(hào)強(qiáng)度和傳輸速率，而另一些用戶則可能占用過(guò)多的資源，導(dǎo)致用戶之間的公平性受到影響。如何設(shè)計(jì)有效的資源分配算法和傳輸策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，是亟待解決的問(wèn)題。在成本方面，硬件成本高昂是阻礙系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的重要因素之一。大規(guī)模多天線系統(tǒng)的硬件設(shè)備，如天線陣列、射頻前端和基帶處理單元等，由于其技術(shù)復(fù)雜、制造工藝要求高，成本相對(duì)較高。在5G基站建設(shè)中，大規(guī)模天線陣列的成本占據(jù)了基站總成本的較大比例，這使得運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)面臨較大的成本壓力。對(duì)于一些對(duì)成本敏感的應(yīng)用場(chǎng)景，如物聯(lián)網(wǎng)中的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，高昂的硬件成本限制了基于大規(guī)模多天線的無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本也是需要考慮的因素。大規(guī)模多天線系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的難度，需要專業(yè)的技術(shù)人員和設(shè)備進(jìn)行管理和維護(hù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線陣列的工作狀態(tài)、射頻鏈路的性能以及基帶處理單元的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決故障。這不僅需要投入大量的人力和物力資源，還需要建立完善的運(yùn)維管理體系，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或難以到達(dá)的區(qū)域，運(yùn)維工作可能會(huì)更加困難，進(jìn)一步增加了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。在標(biāo)準(zhǔn)方面，目前無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。不同的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和性能指標(biāo)等方面存在差異，這使得系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性較差。在不同廠家生產(chǎn)的大規(guī)模多天線設(shè)備之間，可能由于接口標(biāo)準(zhǔn)不一致、通信協(xié)議不兼容等問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的協(xié)同工作。這不僅會(huì)影響系統(tǒng)的大規(guī)模部署和應(yīng)用，還會(huì)增加用戶的使用成本和風(fēng)險(xiǎn)。缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)也不利于技術(shù)的推廣和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，限制了無(wú)線信息與能量協(xié)同傳輸系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的普及和應(yīng)用。6.2解決方案探討針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本研究提出以下解決方案：改進(jìn)信道估計(jì)方法：為提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，可采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的信道估計(jì)新方法。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，對(duì)大量的信道數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立準(zhǔn)確的信道模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信道狀態(tài)的精準(zhǔn)估計(jì)。通過(guò)構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型，將接收信號(hào)和導(dǎo)頻信號(hào)作為輸入，輸出估計(jì)的信道狀態(tài)信息。CNN模型能夠自動(dòng)提取信道的特征，對(duì)多徑衰落、陰影效應(yīng)等復(fù)雜信道特性進(jìn)行有效建模，從而提高信道估計(jì)的精度。還可以結(jié)合壓縮感知理論，利用信道的稀疏特性，減少導(dǎo)頻開(kāi)銷和計(jì)算復(fù)雜度。在大規(guī)模多天線系統(tǒng)中，信道的多徑分量在空間上具有一定的稀疏性，基于壓縮感知的信道估計(jì)方法可以通過(guò)設(shè)計(jì)合適的觀測(cè)矩陣和重構(gòu)算法，從少量的導(dǎo)頻信號(hào)中精確恢復(fù)出信道的多徑分量，提高信道估計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)：為降低硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和成本，需要優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)。采用新型的天線材料和制造工藝，提高天線的集成度和性能，減少天線單元的體積和成本。利用印刷電路板（PCB）技術(shù)，將多個(gè)天線單元集成在一塊電路板上，降低天線陣列的復(fù)雜度和成本。研發(fā)高效的射頻鏈路和基帶處理技術(shù)，減少射頻鏈路的數(shù)量和功耗，提高基帶處理的效率和性能。采用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，對(duì)射頻鏈路中的非線性失真進(jìn)行補(bǔ)償，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量；利用并行處理技術(shù)，提高基帶處理單元的計(jì)算速度和效率。還可以探索采用分布式天線系統(tǒng)或智能反射面（IRS）等新型架構(gòu)，降低對(duì)單個(gè)基站硬件的要求，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。分布式天線系統(tǒng)將天線分散部署在不同位置，通過(guò)協(xié)作實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和接收，能夠有效降低單個(gè)基站的硬件復(fù)雜度和成本；智能反射面則通過(guò)調(diào)整反射系數(shù)，靈活地調(diào)控?zé)o線信號(hào)的傳播路徑和強(qiáng)度，輔助大規(guī)模多天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效的信息與能量傳輸，降低對(duì)基站硬件性能的依賴。優(yōu)化系統(tǒng)性能算法：為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，需要設(shè)計(jì)有效的資源分配算法和傳輸策略。基于博弈論和凸優(yōu)化理論，建立聯(lián)合優(yōu)化模型，同時(shí)考慮信息傳輸速率、能量傳輸效率和用戶公平性等多個(gè)性能指標(biāo)。在多用戶場(chǎng)景下，通過(guò)用戶之間的博弈過(guò)程，實(shí)現(xiàn)資源分配的納什均衡，提高系統(tǒng)整體性能和用戶公平性。將功率分配、時(shí)間分配、波束賦形等作為優(yōu)化變量，以系統(tǒng)性能指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)考慮發(fā)射功率限制、用戶最低速率要求、能量收集需求等約束條件，利用優(yōu)化算法求解出最優(yōu)的資源分配和傳輸策略。還可以采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，讓系統(tǒng)在不同的環(huán)境和任務(wù)中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和決策，不斷優(yōu)化自身的性能。強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和反饋信息，自動(dòng)調(diào)整資源分配和傳輸策略，以最大化系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在不同的信道條件和用戶需求下，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法能夠通過(guò)不斷嘗試和學(xué)習(xí)，找到最優(yōu)的資源分配和傳輸策略，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和性能。降低成本策略：為降低硬件成本，一方面可以通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型材料和制造工藝的應(yīng)用有望降低大規(guī)模多天線系統(tǒng)硬件設(shè)備的成本。通過(guò)大規(guī)模生產(chǎn)和供應(yīng)鏈優(yōu)化，利用規(guī)模效應(yīng)降低單位產(chǎn)品的成本。加強(qiáng)與供應(yīng)商的合作，優(yōu)化采購(gòu)流程，降低原材料成本；提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。另一方面，可以采用分布式天線系統(tǒng)或智能反射面等新型架構(gòu)，降低對(duì)單個(gè)基站硬件的要求，從而降低硬件成本。分布式天線系統(tǒng)將天線分散部