无线携能通信（Simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）是近几年兴起的一个新的热门研究方向，其通过将射频（RF）能量传输技术整合到传统的无线通信网中，使绿色通信成为可能。然而，SWIPT这一新技术面临的一些技术挑战给资源分配方案带来了设计模式上的改变。此外，考虑到无线通信的广播特性，安全通信在SWIPT系统中是个非常值得关注的问题。因此，对SWIPT系统中兼顾安全通信和高效无线能量传输的资源分配方案的研究具有重要的现实意义。基于传统的信息论物理层安全技术和发送波束成形技术，本文主要研究了多用户MISO系统中能量获取公平的鲁棒性安全波束成形设计；具有SWIPT的MIMO窃听系统中高效能量传输方案设计；多用户MIMO窃听信道中能量获取公平的预编码设计；多用户安全MIMO系统中能量收集最大化的预编码设计；具有能量自循环的无线供电全双工系统中鲁棒性安全波束成形设计。具体研究内容和主要贡献如下： 1.针对SWIPT多用户MISO通信系统中存在的能量获取不均衡问题，提出了一种基于能量获取公平性考量的鲁棒波束成形设计方案。具体来讲，发送者对能量接收者的信道状态信息非完全已知且信息接收者采用功率分离的方式收集能量，能量接受者同时也是潜在的窃听者，在保障安全通信和满足信息接收者的能量收集需求前提下，研究最大化多个能量收集者中最弱者的能量收集。建模的最大最小能量收集优化问题非凸且难于求解。本文通过采用半正定松弛技术获得了该优化问题的最优解，分析并证明了松弛的紧性。此外，本文还提出了一种具有低复杂度的次优波束成形设计方案。仿真结果表明，本文所提方案比其它现有方案在能量收集和节能方面更加高效。 2.针对SWIPT MIMO窃听信道，提出了一种在保障安全通信的同时实现能量收集最大化的高效传输方案。具体来讲，能量收集者同时也是潜在的窃听者，在满足信息接收者安全速率约束和源端发送功率约束的基础上对发送协方差矩阵进行优化以实现能量接收者的能量收集最大化。该设计所建模的数学优化问题非凸且难于求解。为此，本文通过采用泰勒级数展开的方法，先将该问题转化为凸优化问题。然后，通过分析该凸问题的对偶问题，提出了一种迭代优化算法并获得了半闭式解。随后，基于此系统，本文又研究了能量收集端信道状态信息非完全已知情况下相应的具有中断约束的能量收集最大化问题，提出了一种基于Bernstein-type不等式的迭代算法对该问题进行求解。仿真结果表明，本文所提设计方案可实现较好的能量收集性能。 3.针对SWIPT多用户MIMO窃听系统，研究了能量传输的最大最小公平性问题。具体来讲，能量收集者被认为是潜在的窃听者，在保证多天线信息接收者安全通信的前提下，最大化多个多天线能量收集者中最弱者的能量收集。文中引入了可促进无线能量传输和保障安全通信双重功效的辅助人工噪声，并考虑了发送者已知全部和部分信道状态信息两种情况。在发送者已知全部信道状态信息时，非凸的安全速率约束使得建模的优化问题难于求解。为此，本文提出了一种基于泰勒级数扩展的迭代优化算法，分析了算法的收敛性并获得了该优化问题的最优解。在发送者已知部分信道状态信息时，所形成的最大最小鲁棒能量收集问题比之前的问题更为复杂。通过将该问题转化成具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题，本文很好地将前面所提出的迭代算法推广并运用到该问题的求解当中。 4.针对SWIPT多用户MIMO窃听系统，进一步研究了加权和的能量收集最大化问题。由于能量信号对信息信号传输造成的干扰可能被接收者消除（本文考虑的第一类场景）也可能无法被接收者消除（本文考虑的第二类场景），因此，通过对信息信号和能量信号的协方差矩阵进行联合优化设计，本文分别给出了两类场景下的安全传输设计方案。对场景一，本文又将其分一般和特殊两种情况考虑。针对一般情况下的优化问题，本文提出了一种连续凸优化的方法对其进行求解；针对特殊情况下的优化问题，本文提出了分层优化的方法对其进行求解并给出了相应的闭式解。对场景二，通过对建模的原优化问题进行合理的变换处理，本文提出了一种基于对数障碍法和梯度投影法的块高斯-赛德尔交替迭代算法，并证明了该算法收敛于原优化问题的KKT点。仿真结果表明，本文所设计的方案具有突出的能量收集性能和运算效率。 5.提出了一种具有能量自循环的无线供电全双工通信系统，考虑窃听的存在，研究了以安全速率最大化为准则的鲁棒波束成形设计。系统中能量受限的全双工信息发送者在接收能量源无线电能供给的同时向目的信息接收者发送私密信息，在信道状态信息无法完全已知的情况下，为防止系统中闲散用户的窃听，本方案通过对能量发送者的传输协方差矩阵、信息发送者的发送信息波束和人工噪声以及闲散用户的功率分离比进行联合优化设计以实现最差情况下的安全速率最大化，同时满足闲散用户能量收集的需求。利用半正定松弛和扩展S-Procedure的方法，本文将建模的原非凸优化问题转化成凸的半正定规划问题，并进行有效地求解。此外，通过分析秩为一最优解的存在性，证明了所采用半正定松弛方法的紧性。为了更好地进行性能对比，本文还提出了两种低复杂度的次优设计方案。仿真结果表明，本文所提安全传输方案可以实现私密信息的安全传输并保障各能量收集节点的能量需求。
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