基于5G的無(wú)線(xiàn)攜能通信技術(shù)研究與發(fā)展*

李陶深，朱 晴，王 哲，施安妮，何 璐，盧明妤

(1.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西南寧 530004；2.南寧學(xué)院信息工程學(xué)院，廣西南寧 530200；3.廣西民族大學(xué)人工智能學(xué)院，廣西南寧 530005)

0 引言

由于個(gè)人通信領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，預(yù)計(jì)在未來(lái)5G通信成熟時(shí)，將會(huì)有數(shù)以千億的無(wú)線(xiàn)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。5G帶給人們高質(zhì)量用戶(hù)體驗(yàn)的同時(shí)，也面臨著一系列亟待解決的問(wèn)題。隨著連接設(shè)備的不斷增加，頻譜短缺、能耗高、碳排放量增高等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，與此同時(shí)人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、連接可靠性等網(wǎng)絡(luò)性能的要求進(jìn)一步提高，這給傳統(tǒng)的能量受限的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量物聯(lián)網(wǎng)通信、超高可靠與低時(shí)延通信三大主要5G場(chǎng)景下，由于頻譜短缺，降低能耗、實(shí)現(xiàn)綠色通信、提升覆蓋范圍及覆蓋能力是當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信所面臨的最亟待解決的問(wèn)題。能量收集無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(Energy Harvesting Wireless Networks,EH-WN)是一種節(jié)點(diǎn)帶有能量捕獲裝置的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，它能夠捕獲各類(lèi)環(huán)境能源并轉(zhuǎn)換為電能，作為主要或輔助的電源方式供電給網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊[1]。在各種無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)攜能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)是比較突出的技術(shù)，它利用射頻(Radio Frequency，RF)信號(hào)同時(shí)攜帶能量與信息的特點(diǎn)在為無(wú)線(xiàn)設(shè)備提供綠色、可持續(xù)能量的同時(shí)進(jìn)行信息傳輸，能夠有效解決節(jié)點(diǎn)能量受限問(wèn)題，提高頻譜的利用率，受到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。

Varshney[5]最早提出SWIPT概念，并對(duì)SWIPT的性能公式進(jìn)行推導(dǎo)。然而作者假設(shè)了一個(gè)能夠同時(shí)執(zhí)行信息解碼(Information Decode，ID)和能量收集(Energy Harvesting，EH)的理想接收機(jī)，但現(xiàn)實(shí)中還沒(méi)有硬件能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)ID和EH，在無(wú)線(xiàn)攜能通信中，信息速率和能量收集水平之間的權(quán)衡是評(píng)估系統(tǒng)性能的重要因素之一。目前在接收機(jī)端，常用的主要有時(shí)間切換(Time Switching,TS)和功率分流(Power Splitting,PS)2種策略。TS策略中，發(fā)射端基于TS因子將傳輸塊分成2個(gè)正交的時(shí)隙：一個(gè)時(shí)隙用于數(shù)據(jù)傳輸，另一個(gè)時(shí)隙用于電力傳輸。接收機(jī)可以在兩個(gè)時(shí)隙之間周期性地切換其操作，以實(shí)現(xiàn)更好的信息傳輸或能量收集。PS策略中,接收機(jī)通過(guò)使用PS比0≤ρ≤1，將接收到的信號(hào)分成2個(gè)不同的功率流，功率比為ρ的信號(hào)流用于信息解碼，其余部分用于能量收集。SWIPT技術(shù)對(duì)于眾多類(lèi)型的現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中的能源和信息傳輸都至關(guān)重要。

隨著通信及信息化的飛速發(fā)展，5G通信對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的容量、速率、覆蓋范圍以及安全都提出了更高要求，對(duì)高服務(wù)質(zhì)量以及綠色可持續(xù)發(fā)展的要求迫使人們關(guān)注無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問(wèn)題。一些新興的5G關(guān)鍵技術(shù)，例如，對(duì)毫米波(Millimeter Wave,mmWave)頻段的開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展了通信頻譜的可用范圍；非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技術(shù)、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio,CR)網(wǎng)絡(luò)、全雙工(Full Duplex,FD)等技術(shù)能夠有效提升頻譜的利用率；協(xié)作中繼(Cooperative Relay,CoR)、大規(guī)模多輸入多輸出(Massive Multi-input Multi-output,mMIMO)、超密集異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)(Ultra-dense Heterogeneous Networks,UDHN)等技術(shù)，對(duì)提高系統(tǒng)容量以及網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等性能有顯著作用。這些5G新興技術(shù)與SWIPT的集成對(duì)促進(jìn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要作用。然而，SWIPT的發(fā)展仍存在諸多挑戰(zhàn)：①由于無(wú)線(xiàn)信道的開(kāi)放性，安全是無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的問(wèn)題。隨著計(jì)算能力的大幅度提升，傳統(tǒng)的上層加密技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足安全傳輸?shù)男枨?，如何利用無(wú)線(xiàn)信道的固有特性，通過(guò)波束成形(Beamforming,BM)、人工噪聲(Artificial Noise,AN)等安全技術(shù)提供安全通信引起了人們的興趣。②無(wú)線(xiàn)設(shè)備數(shù)量的持續(xù)增加以及用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量要求的不斷提高，加劇了對(duì)能源和頻譜等有限資源的消耗。在綠色可持續(xù)通信的要求下，如何通過(guò)資源分配以實(shí)現(xiàn)最大化地利用有限資源提升系統(tǒng)效益并降低能耗，也是非常值得深入研究的問(wèn)題。

基于上述主要問(wèn)題，本文針對(duì)提升頻譜效率、能量效率以及實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋這3個(gè)方面，從資源優(yōu)化分配和安全傳輸?shù)慕嵌?，?duì)SWIPT與5G新興通信技術(shù)集成的現(xiàn)有相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)回顧，并討論進(jìn)一步提高SWIPT系統(tǒng)性能的幾個(gè)可能研究方向。

1 頻譜效率優(yōu)化

1.1 優(yōu)化頻譜資源

(1)

式(1)中：Pt和Pr表示發(fā)射功率和接收功率，At和Ar分別表示發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的面積。用λ和R表示波長(zhǎng)以及收發(fā)器之間的距離。公式(1)表明，在具有尺寸限制的收發(fā)機(jī)中使用更高頻率是有益的。

由于毫米波(mmWave)段高頻具有豐富且干凈的頻譜資源，可以顯著提升移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和頻譜效率，毫米波成為未來(lái)5G通信的關(guān)鍵候選技術(shù)之一。Ladan等[7]開(kāi)發(fā)了一個(gè)2.4 GHz整流天線(xiàn)原型，證明了利用毫米波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)能量收集和信息傳輸?shù)目尚行?。Khan等[8]和Wang等[9]分別將Sub-6GHz和mmWave這2個(gè)頻段的無(wú)線(xiàn)能量傳輸和無(wú)線(xiàn)信息傳輸?shù)男阅苓M(jìn)行比較，結(jié)果表明在收集能量以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面，mmWave比Sub-6GHz獲得更好的效果。Tu等[10]分析了mmWave蜂窩網(wǎng)絡(luò)中SWIPT的性能，結(jié)果表明mmWave蜂窩網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)的微波蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有更好的性能。Tran等[11]考慮了更貼合實(shí)際的非線(xiàn)性EH模型，數(shù)值分析指出EH電路的規(guī)格會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能。Zhai等[12]關(guān)注具有5G新頻率下的SWIPT網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，通過(guò)研究測(cè)量5G低頻和高頻信道在室外和室外到室內(nèi)場(chǎng)景中的傳播特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙頻SWIPT網(wǎng)絡(luò)。Liu等[13]考慮了一個(gè)典型的高低頻混合組網(wǎng)的mmWave小型蜂窩小區(qū)，以及2種經(jīng)典的波束對(duì)準(zhǔn)方法，并討論了2種方法的基本性能，最后給出為該場(chǎng)景設(shè)計(jì)的幾個(gè)波束對(duì)準(zhǔn)方案。

超密集網(wǎng)絡(luò)的部署縮小了每個(gè)小區(qū)的大小，可以實(shí)現(xiàn)頻譜在地理空間上的復(fù)用，也在一定程度上提升了頻譜利用率?？紤]到未來(lái)空天地一體化的萬(wàn)物互聯(lián)需求，Wang等[14]考慮了無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)輔助的毫米波蜂窩SWIPT網(wǎng)絡(luò)的性能，采用泊松簇過(guò)程對(duì)用戶(hù)位置建模，并綜合考慮視線(xiàn)、非視線(xiàn)傳輸?shù)牟煌窂綋p耗模型，研究不同層級(jí)UAV與地面基站的關(guān)聯(lián)概率和能量覆蓋范圍。Sun等[15，16]則分別對(duì)UAV輔助毫米波網(wǎng)絡(luò)和超密集毫米波網(wǎng)絡(luò)的安全保密性能進(jìn)行了相關(guān)研究。肖楠等[17]提出一種新的在強(qiáng)干擾蜂窩小區(qū)中進(jìn)行能量與信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案。

1.2 提升頻譜利用率

盡管毫米波擴(kuò)展了通信可用的頻譜范圍，但相比日益增長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)設(shè)備數(shù)量及流量需求，頻譜資源仍顯得十分有限，一些學(xué)者從提升頻譜利用率的角度進(jìn)行了相關(guān)研究。NOMA技術(shù)可以利用相同的無(wú)線(xiàn)資源同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，達(dá)到提升頻譜利用效率的目的[18]。Liu等[19]首次將NOMA與SWIPT技術(shù)相結(jié)合，把SWIPT應(yīng)用于鄰近用戶(hù)，以提高遠(yuǎn)程用戶(hù)的可靠性，且不會(huì)耗盡相鄰用戶(hù)的電池壽命，作者指出通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以獲得相應(yīng)的系統(tǒng)增益。Kader等[20]在Nakagami-m衰落信道條件下，提出了基于TS和PS的2種協(xié)議，分析了在2種協(xié)議下的遍歷總?cè)萘亢椭袛喔怕剩⑼ㄟ^(guò)分析和仿真證明所提協(xié)議的有效性。Li等[21]在相同的信道條件下，考慮了殘余硬件損耗、信道估計(jì)錯(cuò)誤以及不完善的連續(xù)干擾消除對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并指出與殘余硬件損耗相比，信道估計(jì)錯(cuò)誤對(duì)系統(tǒng)中斷性能的影響更大。Zhao等[22]考慮發(fā)射端通過(guò)在功率域中建設(shè)性地疊加信號(hào)，提出了在符號(hào)塊級(jí)別上的能量交織器和基于星座旋轉(zhuǎn)的調(diào)制器的聯(lián)合設(shè)計(jì)，并提出一種發(fā)射功率分配方案保證誤碼率。Wang等[23]提出了一種無(wú)人機(jī)輔助的NOMA方案，在實(shí)現(xiàn)SWIPT的同時(shí)滿(mǎn)足地面接收器的安全傳輸，仿真結(jié)果表明所提方案有效。Li等[24]研究NOMA用戶(hù)節(jié)點(diǎn)配對(duì)問(wèn)題，得出在放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-forward，AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-forward,DF)中繼協(xié)議下的用戶(hù)成對(duì)錯(cuò)誤概率的閉式解析式。Ma等[25]提出了2種用戶(hù)配對(duì)算法，并通過(guò)合適的功率分配方案保證用戶(hù)性能。Wu等[26]提出了一種具有較高通信可靠性和用戶(hù)公平性的用戶(hù)協(xié)作協(xié)議。筆者構(gòu)建了一種SWIPT-NOMA 機(jī)會(huì)中繼系統(tǒng)模型，提出一種聯(lián)合信號(hào)功率和時(shí)間分配的優(yōu)化方案，提高了系統(tǒng)中斷性能[27]。徐勇軍等[28]針對(duì)用戶(hù)終端帶能量收集的2層異構(gòu)NOMA接入網(wǎng)絡(luò)，基于有界信道不確定性建立聯(lián)合穩(wěn)健功率分配和時(shí)間切換的混合資源分配模型，提出了一種基于能效最大的穩(wěn)健資源分配算法。

1.2.1 發(fā)展全雙工技術(shù)

全雙工技術(shù)具有同時(shí)同頻傳輸信號(hào)的特點(diǎn)，理論上可以使頻譜效率提高1倍。造成全雙工技術(shù)發(fā)展緩慢的主要原因在于同時(shí)同頻收發(fā)信號(hào)所產(chǎn)生的自干擾會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成影響，因此，針對(duì)自干擾消除(Self-interference Cancellation,SIC),許多學(xué)者在硬件及算法層面都做了很大努力。Nawaz等[29]提出了一種基于兩元素的雙極化單層貼片天線(xiàn)陣列，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)端口之間較高的隔離度。Le等[30]提出了一種基于波束的自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可模擬最小均方環(huán)路，可顯著降低全雙工多輸入多輸出(Full Duplex Multi-input Multi-output,FDMIMO)系統(tǒng)中SIC的復(fù)雜性。Ayesha等[31]提出了使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器的SIC技術(shù)，對(duì)信干噪比(Signal-to-interference-and-noise-ratio,SINR)的改善達(dá)到90 dB。Fouda等[32]提出了一種改進(jìn)的快速獨(dú)立分量分析算法，與最小二乘SIC相比，SINR的增益高達(dá)6 dB。研究表明，基于良好SIC的全雙工技術(shù)可以顯著提高頻譜效率。

1.2.2 引入認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電

為進(jìn)一步提高頻譜效率，引入了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電。傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信將頻譜靜態(tài)地分配給用戶(hù)使用，盡管有利于保證用戶(hù)的信號(hào)質(zhì)量，但導(dǎo)致了寶貴頻譜資源的浪費(fèi)，造成頻譜效率低下。CR網(wǎng)絡(luò)包含可以智能地識(shí)別空閑通信信道的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，能夠感知周?chē)臒o(wú)線(xiàn)電環(huán)境，通過(guò)判斷智能地做出頻譜接入或切換的決策，充分利用頻譜資源。CR網(wǎng)絡(luò)允許主次用戶(hù)共享授權(quán)頻譜，與SWIPT相結(jié)合可以有效解決當(dāng)前頻譜短缺、頻譜利用率低的問(wèn)題。Lee等[33]首次提出次級(jí)用戶(hù)可以通過(guò)主用戶(hù)發(fā)射機(jī)的RF信號(hào)收集能量，并在2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中斷概率約束下分析了次級(jí)發(fā)射機(jī)傳輸成功的概率以及由此產(chǎn)生的次級(jí)網(wǎng)絡(luò)空間吞吐量。Hu等[34]研究了認(rèn)知SWIPT網(wǎng)絡(luò)中能量收集最大化的最優(yōu)資源分配問(wèn)題，并得到最優(yōu)的功率和子信道分配方案。Singh等[35]推導(dǎo)了具有不完美信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)的CR-SWIPT網(wǎng)絡(luò)保密中斷概率的封閉表達(dá)式，并分析了路徑損耗對(duì)系統(tǒng)的影響。為保證主用戶(hù)盡量不受干擾，確保次級(jí)用戶(hù)對(duì)可用頻譜的使用：Song等[36]提出一種基于二分法的聯(lián)合功率分配與感知時(shí)間優(yōu)化算法；Li等[37]考慮了主次用戶(hù)之間的協(xié)作頻譜共享，仿真結(jié)果表明通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)配置，主次用戶(hù)之間可以公平高效地共享頻譜；Tang等[38]提出了一種能量收集和信息傳輸協(xié)議，導(dǎo)出主次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中斷概率的確切表達(dá)式，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方案在提升兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能上的優(yōu)勢(shì)；王哲等[39]基于非線(xiàn)性能量收集模型，提出了面向多用戶(hù)MIMO 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)供電通信網(wǎng)絡(luò)的overlay和underlay情景下的吞吐量?jī)?yōu)化數(shù)學(xué)模型。

1.3 存在的問(wèn)題

從已檢索的近幾年文獻(xiàn)來(lái)看，當(dāng)前對(duì)基于非線(xiàn)性能量收集模型的SWIPT系統(tǒng)的研究較少，考慮實(shí)際電路的非線(xiàn)性特性，未來(lái)可以對(duì)這方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究。由于路徑損耗和健康問(wèn)題，當(dāng)前許多設(shè)置不能直接用于更高頻率，現(xiàn)有的SWIPT研究主要集中在小繼電器和傳感器等低功耗設(shè)備上，SWIPT在mmWave網(wǎng)絡(luò)中的商業(yè)化還需要信息處理和硬件開(kāi)發(fā)的支持。盡管NOMA能夠顯著提升頻譜效率，但NOMA系統(tǒng)的整體性能取決于接收機(jī)的干擾消除能力和復(fù)雜性，其是以犧牲接收機(jī)的復(fù)雜度為代價(jià)。未來(lái)在接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，既要滿(mǎn)足5G和SWIPT的要求，又需要盡量降低接收機(jī)的復(fù)雜度。自干擾消除對(duì)全雙工通信至關(guān)重要，因此有關(guān)自干擾消除仍然可以進(jìn)行深入研究。此外，由于無(wú)線(xiàn)信道中噪聲的存在及其固有的衰落特性，用戶(hù)接收到的頻譜特征復(fù)雜，確切的頻譜感知以及如何選用合適的決策方案實(shí)現(xiàn)頻譜選擇、信道占用概率和可實(shí)現(xiàn)能量收集方面的權(quán)衡仍然是CR-SWIPT網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

2 能效優(yōu)化

一般無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中的性能指標(biāo)以[比特/秒]為單位進(jìn)行測(cè)量，而且取決于通信鏈路的信干噪比。在SWIPT系統(tǒng)中，信息與能量同時(shí)傳輸，因此需要新指標(biāo)來(lái)更好地衡量系統(tǒng)性能。Buzzi等[40]將通信鏈路的能效定義為

(2)

式中，EE為系統(tǒng)能效，f(γ)代表系統(tǒng)效益，PC為系統(tǒng)的發(fā)射功率。函數(shù)f是根據(jù)具體的系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)制定。由公式(2)可知，系統(tǒng)能效取決于系統(tǒng)效益和能耗之間的關(guān)系，可以通過(guò)盡量減少能耗或者最大限度地提高系統(tǒng)效益2種手段提升系統(tǒng)能效。

2.1 密集化和異構(gòu)化

為滿(mǎn)足5G通信需求，未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)不可避免地朝著密集化和異構(gòu)化的方向發(fā)展，并逐步演化為超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。雖然UDHN縮小了每個(gè)小區(qū)的大小，可以實(shí)現(xiàn)頻譜在地理空間上的復(fù)用，但是大大增加了每單位區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)數(shù)，因此密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中必須要考慮的問(wèn)題是能量效率的優(yōu)化。目前主要通過(guò)合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署或資源分配提高能量效率。

基站的密集部署有助于提升系統(tǒng)容量，但基站密度的持續(xù)增加也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的能量消耗增大。Cao等[41]研究了最佳網(wǎng)絡(luò)密度水平，并確定了小基站的運(yùn)行成本閾值。趙拓等[42]針對(duì)齊次泊松點(diǎn)過(guò)程下的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能效進(jìn)行了研究，指出通過(guò)合理設(shè)置微基站密度能夠有效提升系統(tǒng)能效。此外，由于密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基站的能耗所占比例極大，當(dāng)系統(tǒng)處于低負(fù)載或業(yè)務(wù)流量低的時(shí)候，使用休眠模式可以降低系統(tǒng)功耗。Xu等[43]利用博弈論的方法指出，可以通過(guò)不同移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商之間的基礎(chǔ)設(shè)施共享，增加休眠模式下基站的百分比來(lái)節(jié)省大量能源。Liu等[44]從小區(qū)負(fù)載的角度研究了空單元現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)性能的影響。此外，采用基站休眠策略時(shí)，必須要考慮到覆蓋范圍以及用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量等性能。Kim等[45]研究了系統(tǒng)中微小區(qū)基站的休眠率對(duì)能效的影響。Chen等[46]研究了中繼輔助蜂窩網(wǎng)絡(luò)中最佳基站休眠策略，通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法得到中繼的最佳睡眠比率。Wu等[47]為密集小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)基于聯(lián)合的休眠模式和功率分配方案，顯著提升系統(tǒng)性能并有效減少中斷用戶(hù)的數(shù)量。

合理的資源規(guī)劃也是提升能效的重要方法。Zheng等[48]研究了干擾管理和能量消耗問(wèn)題，制定了基于干擾協(xié)同配置的最大最小能效優(yōu)化問(wèn)題。Kim等[49]利用分式規(guī)劃方法來(lái)研究正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配算法，使得每比特傳輸消耗的能量最小。Huang等[50]考慮了基于確定性和隨機(jī)性誤差的不完美CSI，提出了一種人工噪音(Artificial Noise,AN)輔助的安全傳輸設(shè)計(jì)，通過(guò)共同優(yōu)化波束成形和AN矢量，在滿(mǎn)足每個(gè)用戶(hù)保密概率的約束下，最大程度地降低總發(fā)射功率。Ma等[51]在2層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下提出了一種具有比例保密率的波束成形設(shè)計(jì)，在考慮公平性的情況下最大化總保密率。

2.2 天線(xiàn)部署和規(guī)劃

由于高頻段的穿透力和衍射性能較差，可以使用小尺寸天線(xiàn)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)高天線(xiàn)方向性。Marzetta[52]首先論述了基站具有大規(guī)模天線(xiàn)的具體細(xì)節(jié)，mMIMO系統(tǒng)通過(guò)利用大規(guī)模天線(xiàn)帶來(lái)的分集和空間復(fù)用增益，可以在不占用額外頻譜資源和增加發(fā)射功率的情況下同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，顯著提高頻譜的利用率和網(wǎng)絡(luò)容量。使用大規(guī)模天線(xiàn)不僅提供天線(xiàn)功率增益，在一定程度上解決了5G超大輻射功率的問(wèn)題，提供了新的能量傳輸效率，而且通過(guò)使用波束成形技術(shù)能夠?qū)l(fā)射功率集中在較小的空間區(qū)域，從而降低對(duì)其他用戶(hù)的干擾并且提升通信的安全性，對(duì)于改善密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的干擾問(wèn)題也有所助益。Dai等[53]指出mMIMO系統(tǒng)可以顯著地提高SWIPT傳輸性能。Liu等[54]和Barati等[55]研究了基于定向BM技術(shù)的毫米波定向傳輸機(jī)制，通過(guò)該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的天線(xiàn)方向性，將發(fā)射功率集中于目的節(jié)點(diǎn)，提升mmWave-SWIPT通信的效率。Liu等[56]在波束訓(xùn)練的基礎(chǔ)上提出了窮舉搜索和分層搜索的波束對(duì)準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)定向傳輸。Bao等[57]的研究中，基站采用混合數(shù)字和模擬2種波束成形架構(gòu)來(lái)降低硬件成本，通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)混合波束成形和PS比來(lái)最大程度地降低系統(tǒng)總發(fā)射功率。Zhao等[58]指出，對(duì)于啟用mMIMO的SWIPT系統(tǒng)，PS方案比TS方案具有更高的能量效率。Kusaladharma等[59]和Akin等[60]分別研究了無(wú)小區(qū)和室內(nèi)場(chǎng)景下的SWIPT性能。然而，天線(xiàn)數(shù)量的增多在帶來(lái)增益的同時(shí)也帶來(lái)了高復(fù)雜度的預(yù)編碼、信道估計(jì)以及信號(hào)處理工作。Thakur等[61]考慮了信道互異性誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并采用導(dǎo)頻重用技術(shù)，最大程度地減少導(dǎo)頻污染和同頻道干擾。Ha等[62]為速率和能量多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題著重設(shè)計(jì)了預(yù)編碼矩陣，提出了一種基于交替優(yōu)化的高效迭代算法來(lái)獲得最佳預(yù)編碼器。Nasir等[63]研究了發(fā)射機(jī)側(cè)的時(shí)間因子優(yōu)化問(wèn)題，在滿(mǎn)足最小收集能量及發(fā)射功率約束條件下最大化吞吐量。Li等[64]在具有有限射頻鏈的毫米波mMIMO-SWIPT系統(tǒng)中研究了全數(shù)字以及模數(shù)混合波束成形方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在不完美CSI場(chǎng)景下，性能要求相同時(shí)，混合波束成形方案所需要的傳輸功率更小。Dong等[65]在視距傳輸?shù)娜R斯衰落信道中，推導(dǎo)出了mMIMO系統(tǒng)中用戶(hù)能量收集和可達(dá)速率的表達(dá)式，以及在天線(xiàn)數(shù)趨于較大值時(shí)的漸近表達(dá)式，仿真證明了該表達(dá)式的準(zhǔn)確性。Fan等[66]考慮了3D天線(xiàn)，并通過(guò)自適應(yīng)的調(diào)整天線(xiàn)傾斜來(lái)提高系統(tǒng)的安全速率和能量傳輸。趙飛等[67]對(duì)毫米波MIMO-NOMA系統(tǒng)的安全最大化能效問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種迭代優(yōu)化算法求解最初問(wèn)題的解。

2.3 全雙工通信

從能量收集的角度來(lái)看，全雙工提供了一種全新的能效思路[68]。由全雙工通信同時(shí)同頻傳輸而產(chǎn)生的有害自干擾(Self-interference,SI)將變得有益，全雙工節(jié)點(diǎn)處所產(chǎn)生的部分自能量可以由節(jié)點(diǎn)自身收集，用于上行信息傳輸以及提高自身的續(xù)航能力，基于此提出了自能量回收機(jī)制。Zeng等[69]和Maso等[70]考慮了全雙工節(jié)點(diǎn)通過(guò)SI信道獲取能量，SI在全雙工無(wú)線(xiàn)通信中被轉(zhuǎn)換為額外的能源。Kwon等[71]討論了FD自能量回收中繼的波束成形問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化中繼的波束成形矢量和功率分流比最大化收集的能量。周葉寧等[72]將自能量回收機(jī)制應(yīng)用于雙向傳輸全雙工中繼系統(tǒng)，提出了最小化系統(tǒng)總發(fā)射功率的優(yōu)化問(wèn)題，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明所提系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)雙向傳輸中繼系統(tǒng)。謝顯中等[73]針對(duì)全雙工SWIPT雙向中繼研究存在問(wèn)題，提出了FD-SWIPT雙向中繼系統(tǒng)中基于天線(xiàn)選擇與波束成形聯(lián)合優(yōu)化的高能效和吞吐量最大化方案，說(shuō)明天線(xiàn)選擇方案對(duì)提升系統(tǒng)的吞吐量與能量效率起到了重要作用。陳可可等[74]研究MIMO全雙工通信系統(tǒng)中同時(shí)存在無(wú)線(xiàn)信息與能量時(shí)的安全傳輸問(wèn)題，提出基于替代函數(shù)和泰勒公式展開(kāi)的2種優(yōu)化方法來(lái)解決全雙工模式中的保密速率最大化問(wèn)題。陳佩佩等[75,76]針對(duì)全雙工能量受限中繼網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)物理層安全問(wèn)題，提出一種基于SWITP的安全波束成形方法，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化波束成形矩陣、人工噪聲協(xié)方差矩陣和功率分配因子等參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全速率最大化。鮑慧等[77]構(gòu)建了中繼協(xié)作的全雙工認(rèn)知多輸入多輸出系統(tǒng)，通過(guò)能量收集技術(shù)收集自干擾的能量，以獲得最大的系統(tǒng)能量效率。

2.4 下一步工作

綜上所述，未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)朝著密集化和異構(gòu)化的方向發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量和種類(lèi)也相應(yīng)大大增加，不同技術(shù)之間的交叉程度更高，這種趨勢(shì)對(duì)系統(tǒng)能效提出了極大的挑戰(zhàn)。盡管目前已經(jīng)從網(wǎng)絡(luò)部署和規(guī)劃方面進(jìn)行了優(yōu)化，但大多數(shù)研究?jī)H針對(duì)密集異構(gòu)程度較小的系統(tǒng)，對(duì)超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的性能仍有待進(jìn)一步的研究。mMIMO的使用在能量效率方面獲得了實(shí)質(zhì)性的提高，但由于路徑損耗，對(duì)于長(zhǎng)距離功率傳輸而言，其能量效率可能不如預(yù)期高，克服這一瓶頸需要更多的研究工作。此外，由于波束成形對(duì)CSI的要求較高，基于更準(zhǔn)確信道模型或者更加合理信道估計(jì)方法的波束成形仍然值得深入研究。盡管全雙工產(chǎn)生的自干擾可以作為一種額外的能源，但是它改善系統(tǒng)整體性能的能力仍未知，需要進(jìn)一步研究以平衡系統(tǒng)在能效和信息傳輸方面的整體性能。

3 無(wú)縫覆蓋

3.1 協(xié)作中繼技術(shù)

實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋的有效手段之一是通過(guò)協(xié)作中繼擴(kuò)大通信范圍。在無(wú)線(xiàn)攜能通信中，由于城市、氣候或地理原因，通信節(jié)點(diǎn)之間可能相距很遠(yuǎn)，超出彼此的傳輸范圍，導(dǎo)致視線(xiàn)通信不可行或者需要較高的傳輸功率，協(xié)作中繼技術(shù)可充分利用網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)或空閑節(jié)點(diǎn)，能夠有效解決通信過(guò)程中的衰落問(wèn)題，擴(kuò)大通信范圍并提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)資源分配方案

在能量受限的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間、功率及頻率等都是非常有限的資源，為了合理地利用資源，需要對(duì)資源分配方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。萬(wàn)曉榆等[78]針對(duì)能量采集異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，提出了一種在線(xiàn)功率分配算法，可為密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供更高的能量效率。Zlatanov等[79]基于平均收獲能量提出一種漸近最優(yōu)功率分配方案。Mangayarkarasi等[80]提出一種增量冗余混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求功率分配方案，并證明提出的方案有助于提高通信可靠性、效率以及網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。Liu[81]研究基于多天線(xiàn)中繼的SWIPT網(wǎng)絡(luò)中的資源分配。Ding等[82]研究基于TS協(xié)議的SWIPT中繼系統(tǒng)，提出一種根據(jù)信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整TS比的策略，以最大化單個(gè)傳輸時(shí)間塊內(nèi)的吞吐效率。

3.1.2 提高時(shí)隙資源利用率

為提高時(shí)隙資源利用率，Zhong等[83]針對(duì)SWIPT雙向中繼系統(tǒng)，推導(dǎo)出Nakagami-m信道下的系統(tǒng)中斷概率，對(duì)比分析了DF協(xié)議和AF協(xié)議下PS因子對(duì)系統(tǒng)的中斷概率的影響。Sarajlic等[84]將模型擴(kuò)展到多對(duì)雙向中繼系統(tǒng)中，針對(duì)大規(guī)模多對(duì)雙向系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)遍歷總和速率的下限表達(dá)式對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。寧倩麗等[85]提出一種基于解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略的機(jī)會(huì)協(xié)作中繼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)間分配策略，通過(guò)減小系統(tǒng)中斷概率來(lái)提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和運(yùn)行可靠度。孫莉等[86]構(gòu)建一種雙向能量協(xié)作的菱形通信網(wǎng)絡(luò)模型，提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)端到端的吞吐量最大化的功率分配和能量轉(zhuǎn)移策略。周葉寧等[87]在基于無(wú)線(xiàn)射頻網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建一個(gè)基于SWITP和自能量回收技術(shù)的非分時(shí)全雙工中繼系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)可供電無(wú)線(xiàn)設(shè)備作為能量接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息傳輸、能量捕獲和協(xié)作傳輸在1個(gè)時(shí)間塊中同步進(jìn)行。

3.1.3 提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率

設(shè)備到設(shè)備(Device-to-device,D2D)通信技術(shù)使得用戶(hù)之間可以不使用或部分使用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施直接進(jìn)行通信，通過(guò)構(gòu)建D2D中繼設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳正常傳輸，能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。Salim等[88]在保證所有用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量要求的情況下，研究能量收集鏈路和信息傳輸鏈路之間的總速率最大化問(wèn)題。Jiang等[89]則通過(guò)設(shè)計(jì)安全的波束成形方案，最大程度地提高中繼協(xié)作D2D網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率。Zhong等[90]研究無(wú)人機(jī)輔助的協(xié)作D2D網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化中繼部署、信道分配以及中繼分配，最大化中繼網(wǎng)絡(luò)的容量。

3.1.4 選擇最佳中繼算法

協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中提升系統(tǒng)性能的另一個(gè)重要手段是采用正確的中繼選擇(Relay Selection,RS)算法,從多個(gè)中繼中選擇最佳的中繼節(jié)點(diǎn)。丁長(zhǎng)文等[91]針對(duì)能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的最小化功率消耗問(wèn)題，提出一種適用于完美和非完美的信道,用于估計(jì)2種不同情況的高效聯(lián)合中繼選擇和功率分配算法。Wang等[92]提出將RS用于基于PS的全雙工通信，對(duì)于每一個(gè)中繼，作者通過(guò)線(xiàn)性搜索得到了基于中斷概率的最優(yōu)PS因子，并且針對(duì)不限制協(xié)作中繼數(shù)的單中繼選擇和一般中繼選擇分別提出了相應(yīng)的RS方法。Fidan等[93]針對(duì)存在直傳鏈路的全雙工中繼系統(tǒng),引入適用于該系統(tǒng)的最大比傳輸策略。Xia等[94]通過(guò)計(jì)算基于統(tǒng)計(jì)CSI和完美CSI下的系統(tǒng)中斷概率，分析了SWIPT中繼系統(tǒng)的中繼選擇性能。

此外，任何惡意節(jié)點(diǎn)都可以宣稱(chēng)自己為最佳中繼，因此，在選擇最佳中繼時(shí)必須考慮安全問(wèn)題，一些學(xué)者就CoR-SWIPT網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全問(wèn)題展開(kāi)了相關(guān)研究。Liu等[95]基于兩跳SWIPT中繼系統(tǒng)研究了線(xiàn)型和非線(xiàn)性的這2種能量收集模型，通過(guò)優(yōu)化功率分配以及中繼位置來(lái)最小化安全中斷概率。Li等[96]基于干擾對(duì)齊網(wǎng)絡(luò)提出了一種安全通信方案，通過(guò)中繼協(xié)作傳輸人工噪聲提高系統(tǒng)的保密性能。

3.2 超密集異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋的另一個(gè)有效手段是部署超密集異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但由于密集部署的不同類(lèi)型基站覆蓋范圍及服務(wù)能力各不相同，合理的用戶(hù)關(guān)聯(lián)策略顯得至關(guān)重要。Zhang等[97]考慮了最大平均接收功率關(guān)聯(lián)策略下的基站部署與能量效率的關(guān)系。Saha等[98]基于最大信號(hào)干擾比關(guān)聯(lián)策略開(kāi)發(fā)了用戶(hù)-基站統(tǒng)一框架。Saha等[99]考慮了最大功率關(guān)聯(lián)，提供了該策略下的典型用戶(hù)覆蓋概率的精確表達(dá)式。Afshang等[100]則研究了基于最近基站關(guān)聯(lián)策略下，基站的關(guān)聯(lián)概率和覆蓋概率。金明錄等[101]建立了基于最大平均偏置接收功率關(guān)聯(lián)策略下的K層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型框架，并利用隨機(jī)幾何理論和概率論推導(dǎo)了關(guān)聯(lián)概率、覆蓋概率以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效。

盡管網(wǎng)絡(luò)部署的密集化和異構(gòu)化顯著提高了頻譜的利用率和網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中的干擾比傳統(tǒng)單蜂窩網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重很多，因此一些研究人員對(duì)UDHN中的干擾管理進(jìn)行了研究。Ahuja等[102]研究了不同小區(qū)規(guī)模、不同用戶(hù)數(shù)量、不同吞吐量要求的網(wǎng)絡(luò)中分布式干擾管理策略。Liu等[103]提出了一項(xiàng)干擾預(yù)消除方案，并證明了通過(guò)該方案可以有效降低網(wǎng)絡(luò)中的干擾，且該方案允許干擾者與被干擾者利用同一組資源，從而在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)容量。Xiao等[104]提出一種分布式多域干擾管理方案，通過(guò)綜合考慮干擾對(duì)齊、功率控制以及2種多址接入技術(shù)，有效降低密集蜂窩網(wǎng)中的干擾。

3.3 小結(jié)

未來(lái)5G甚至6G時(shí)代將是一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋的空天地一體化通信系統(tǒng)。對(duì)以上相關(guān)研究的分析可知，毫米波通信技術(shù)與超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)核之間具有高度一致性，二者的結(jié)合不僅較高程度地實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫覆蓋，更對(duì)提升無(wú)線(xiàn)攜能通信網(wǎng)絡(luò)地性能具有極大的促進(jìn)作用，未來(lái)可以針對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化以及節(jié)點(diǎn)、電源等的移動(dòng)性。移動(dòng)性使獲取準(zhǔn)確CSI的難度增大，且能量收集和信息傳輸?shù)臅r(shí)變特性，使得資源分配和中繼選擇方案必須對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有實(shí)時(shí)性和自適應(yīng)性。此外，目前針對(duì)超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全性的研究仍然較少且具有較大的難度，針對(duì)為SWIPT協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)和超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)更動(dòng)態(tài)和自適應(yīng)的高效安全傳輸機(jī)制是實(shí)現(xiàn)5G通信的關(guān)鍵。

4 展望

無(wú)線(xiàn)設(shè)備數(shù)量的激增，使設(shè)備性能、生命周期和系統(tǒng)規(guī)劃成為一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。SWIPT技術(shù)的發(fā)展，使得節(jié)點(diǎn)可利用TS或PS機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步或異步的能量捕獲與信息解碼，提高了資源的復(fù)用率以及節(jié)點(diǎn)和設(shè)備之間的協(xié)作等級(jí)，為網(wǎng)絡(luò)提供了更智能的自治能力、更廣泛的覆蓋范圍、更高度集成的系統(tǒng)能力等美好前景。本文重點(diǎn)關(guān)注SWIPT與新興5G關(guān)鍵技術(shù)的融合，從網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的角度，對(duì)SWIPT與5G新興通信技術(shù)集成的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)回顧。針對(duì)SWITP未來(lái)發(fā)展，筆者認(rèn)為可以開(kāi)展以下方面的研究：

①無(wú)線(xiàn)攜能通信系統(tǒng)中的最優(yōu)化中繼技術(shù)研究。SWIPT與CoR這2種突出技術(shù)的聯(lián)合使用，為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中提高服務(wù)質(zhì)量提供了能量和頻譜效率，極大地促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的革命。最優(yōu)中繼選擇可以從多個(gè)中繼中選擇最佳的中繼節(jié)點(diǎn)，以提高網(wǎng)絡(luò)的整體服務(wù)質(zhì)量，并使能量消耗最小化，以符合5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)高服務(wù)質(zhì)量和綠色可持續(xù)通信要求。

②SWITP系統(tǒng)的安全性問(wèn)題。如傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一樣，SWIPT系統(tǒng)需要考慮信息的安全性，同時(shí)也應(yīng)考慮能量收集與傳輸?shù)陌踩詥?wèn)題，網(wǎng)絡(luò)中可能含有惡意的信息竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)，也可能含有惡意的能量接收節(jié)點(diǎn)。因此，結(jié)合波束成形、人工噪聲及加密等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能量與信息的安全傳輸仍然是亟待解決的問(wèn)題；同時(shí)通信過(guò)程中也包含有能量狀態(tài)信息，應(yīng)確保該部分信息的安全以使得節(jié)點(diǎn)或設(shè)備間能夠正確共享能量，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間能量的協(xié)作與傳輸。

③基于SWIPT的移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing，MEC)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算卸載與功率控制。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷研究與發(fā)展，基于無(wú)線(xiàn)攜能通信的移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)逐漸成為研究熱點(diǎn)，其中移動(dòng)卸載就是用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算資源分配問(wèn)題。從研究和解決問(wèn)題的本質(zhì)上說(shuō)，計(jì)算卸載與功率控制對(duì)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)都是相同的規(guī)劃問(wèn)題。目前，移動(dòng)邊緣計(jì)算相當(dāng)熱門(mén)，相應(yīng)的云霧計(jì)算也是熱點(diǎn)問(wèn)題。將移動(dòng)邊緣計(jì)算和云霧計(jì)算應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)攜能通信和能量收集，可以發(fā)揮技術(shù)和理論交叉的優(yōu)勢(shì)。

④反轉(zhuǎn)型的無(wú)線(xiàn)信息與能量傳輸。在近幾年的研究中，關(guān)注點(diǎn)主要集中在對(duì)下行鏈路的能量與信息傳輸研究。如果反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，研究多設(shè)備向同一設(shè)備(可能是中心節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)等)傳輸信息和能量的上行鏈路時(shí)，也許就有研究的新意。目前，有關(guān)這個(gè)模型的研究已經(jīng)出現(xiàn)在D2D網(wǎng)絡(luò)中。在5G激增的移動(dòng)終端和海量數(shù)據(jù)接入的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，研究和實(shí)現(xiàn)D2D通信技術(shù)是十分必要的?？梢园袲2D技術(shù)等價(jià)地借鑒過(guò)來(lái)，將D2D通信技術(shù)與基于SWIPT的能量收集無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)滿(mǎn)足未來(lái)5G發(fā)展的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)解決5G通信網(wǎng)絡(luò)能源管理中的系統(tǒng)能耗優(yōu)化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)綠色、高速、可靠的移動(dòng)通信。

網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用朝著多樣化和智能化的方向發(fā)展，SWIPT在未來(lái)逐漸融入和取代部分傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，各種新興通信技術(shù)之間不是完全孤立的，出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的混合、多種能源與信息交互方式的混合。因此從科學(xué)研究的角度而言，需要更加系統(tǒng)化智能化的解決方案以適應(yīng)各種場(chǎng)景及應(yīng)用的需求，提升無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的性能，該領(lǐng)域也將得到更多學(xué)者的關(guān)注與研究。