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大规模多天线赋能无线信息与能量协同传输系统的深度剖析与创新探索

一、引言

1.1研究背景与意义

随着科技的飞速发展，无线通信技术已广泛渗透到人们生活和工作的各个领域。从2G、3G到4G、5G，乃至未来的6G，无线通信系统不断迭代更新，其发展目标始终围绕着满足用户对高速率、大容量、低延迟通信以及更长续航时间的需求。在过去的几十年里，无线通信取得了巨大的进步，从最初仅能支持语音通话的简单系统，逐渐发展成为如今能够承载海量数据传输的复杂网络。

然而，无线设备的电池续航问题一直是限制其使用时间和性能的主要瓶颈之一。传统的无线通信方法只专注于信息传输，而忽视了能量传输，这使得无线设备不得不频繁充电或更换电池，给用户带来极大不便。同时，随着物联网、智能家居、可穿戴智能设备等领域的快速发展，大量低功耗设备和无线传感器需要持续稳定的能量供应以维持通信，这对无线通信系统的能量传输能力提出了更高的要求。在此背景下，无线信息与能量协同传输（SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer，SWIPT）技术应运而生。该技术充分利用无线射频信号既能传输信号又能携带能量的特性，在传输信息的同时收集能量，有效摆脱了传统电池容量的束缚，为解决无线设备的能量供应问题提供了新的思路，因此引起了学术界与业界的广泛关注。

大规模多天线技术作为一种重要的无线通信技术，在提升无线通信系统性能方面发挥着关键作用。在无线通信中，多天线系统通过多个天线之间的协同工作，可以提高信号覆盖范围、增强信号质量、减少信号干扰，从而显著提升整体通信系统的性能。大规模多天线系统在基站端采用超大规模天线阵列（如数百个天线或更多），能够带来诸多性能优势，例如显著提高频谱效率、增大系统容量、增强信号的可靠性和抗干扰能力等。将大规模多天线技术应用于无线信息与能量协同传输系统中，能够利用其提供的空间复用增益来提高信道容量以及信息与能量协同传输速率，有效解决传输质量效率低、速度慢等问题，对于推动无线信息与能量协同传输技术的发展具有极大的促进作用。

此外，随着通信技术的快速发展与应用的不断推陈出新，用户对信息与能量协同传输质量的要求也在逐渐提高，单天线的信息与能量协同传输已难以满足日益增长的用户需求。大规模多天线技术的引入，使得系统能够在相同的时间和频率资源上同时传输多个信息流，大大提高了系统的传输效率和性能。在5G乃至未来的6G通信系统中，大规模多天线技术已成为关键技术之一，被广泛应用于提升网络吞吐量和用户体验。在物联网场景下，大量的传感器节点需要实时传输数据并获取能量，大规模多天线技术可以实现对这些节点的高效能量传输和信息交互，保障物联网系统的稳定运行。

本研究聚焦于基于大规模多天线的无线信息与能量协同传输系统，旨在深入探究该系统的性能优化和资源利用效率提升的方案与算法。通过对大规模多天线技术在无线信息与能量协同传输系统中的应用进行研究，有望丰富和完善无线通信技术，提高数据传输速率和质量，为未来无线通信系统的发展提供理论支持和技术参考。这不仅有助于推动无线通信技术在物联网、移动通信、无线电子设备等领域的应用，还能为解决无线设备的能量供应问题提供切实可行的解决方案，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

无线信息与能量协同传输技术作为解决无线设备能量供应问题的创新方案，近年来在国内外学术界和工业界都引发了广泛的关注和深入的研究。在理论探索与技术研发层面，众多研究人员聚焦于如何提升能量传输效率、优化信息传输可靠性以及实现二者的协同优化。

在国外，许多知名科研机构和高校走在了研究的前沿。美国斯坦福大学的学者在早期对无线信息与能量协同传输的基础理论展开研究，分析了无线射频信号同时传输信息和能量的可行性，并通过建立数学模型推导了信息传输速率与能量传输效率之间的关系，为后续研究奠定了理论基石。此后，麻省理工学院（MIT）的研究团队针对多用户场景下的无线信息与能量协同传输进行研究，提出了基于时分多址（TDMA）和频分多址（FDMA）的资源分配算法，有效提升了多用户系统中信息与能量传输的公平性和整体性能。在大规模多天线技术应用于无线信息与能量协同传输方面，英国伦敦大学学院的研究人员通过实验和仿真验证了大规模多天线系统能够显著提高能量传输效率和信息传输速率，并且在复杂的无线信道环境下具有更强的抗干扰能力。他们深入研究了大规模多天线系统中的波束赋形技术，通过优化波束方向和形状，实现了能量和信息的精准传输，减少了对其他用户的干扰。

在国内，高校和科研机构也在积极开展相关研究，并取得了一系列具有影响力的成果。西安电子科技大学的李龙教授课题组在电磁超表面携能通信方面取得突破进展，提出了一种高性能联合调制功率放大可编程超表