摘要
针对受灾区域或偏远地区缺乏地面基础设施导致物联网终端无法持续有效工作的现状，本文利用无人机（UnmannedAerialVehicle,UAV）快速覆盖目标区域，同时满足物联网终端对续航时间和频谱效率的双重需求，研究了基于非正交多址接入（Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA）的UAV辅助无线供能通信（WirelessPoweredCommunication,WPC）系统。其中，UAV凭借高移动性、灵活操控和快速部署等特点，可以作为空中基站在应急场景下物联网部署中发挥重要作用。WPC是解决物联网终端信息传输和能量消耗矛盾的可靠方案，能够有效延长终端续航时间。NOMA可以允许多个终端同时占用一个资源块，能够大大提升频谱使用效率，满足物联网场景下的大规模连接需求。因此，本文将UAV辅助通信与WPC、NOMA技术结合，分别针对UAV悬停和飞行两种状态设计了相应的资源分配和轨迹优化方案，并对所提方案的性能进行了理论推导和仿真验证。 首先，分析了基于NOMA的UAV辅助WPC相关理论与技术基础。针对UAV辅助通信原理，阐述了UAV通信模型及其信道模型。针对无线信息与能量传输，详细分析了射频能量采集原理以及两种经典范式无线携能通信、WPC的系统模型。针对接入方式，分析了NOMA的基本原理，包括串行干扰消除的实现过程以及上下行NOMA的系统模型分析。针对本文所提的资源分配优化问题，介绍了凸优化基础以及二分法的实现过程。 然后，考虑应急区域较小的场景，提出了悬停状态下基于NOMA的UAV辅助WPC系统。在该系统中，设计了一种分簇NOMA的接入方式来实现NOMA频谱效率与复杂度之间的权衡。UAV在下行传输时隙中发射射频能量给地面终端，在上行传输时隙中，终端利用下行采集的能量向UAV传输信息，并使用不同的解码顺序进行信息解码。在满足UAV最大发射功率和上下行传输总时隙的约束下，最大化上行可达和速率。针对该问题，联合采用拉格朗日乘数法与二分法进行求解。仿真结果表明，所提方案能够实现更高的上行和速率，且不同解码顺序会直接影响终端间公平性。 最后，考虑应急区域较大的场景，提出了飞行状态下基于NOMA的UAV辅助WPC系统。在该系统中，分别考虑UAV处于周期飞行和单次飞行两种模式，提出一种联合轨迹设计与资源分配方案。将无人机的飞行周期等分为多个时隙，并将每一个时隙划分为下行和上行两个子时隙，分别对应能量采集和信息传输。在满足UAV移动性约束和每一时隙内所有终端的上行和速率达到阈值的条件下，通过联合优化子时隙分配和UAV轨迹，最大化所有终端的上行平均和速率。针对该优化问题，提出一种高效的交替迭代算法。仿真结果表明，优化后的轨迹总是尽可能靠近每个终端飞行，能够随终端位置进行调整，且本文所提方案对于不同飞行模式均有效。
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