摘要
在未来6G物联网（InternetofThings,IoT）中，信息交互的场景和类型将更加复杂，高空、森林、海洋等地区都需要实现无所不在的连接，建立空天地海一体化网络成为物联网的新发展方向。其中，无人机（UnmannedAerialVehicle,UAV）凭借其灵活可控、按需部署、可搭载通信设备等优点，作为空中移动基站，成为了空地一体化网络中的关键角色。此外，面对未来物联网的高能耗挑战，无线能量传输技术提供了一种绿色稳定的供能方式，它可以利用射频信号来传输信息和能量。同时，合理规划无人机航迹可以降低射频信号在传输过程中的路径损失，提升能量传输效率。因此，本文考虑不同的应用场景，建立了基于多载波无线携能通信（SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer,SWIPT）的单无人机数据分发系统以及基于无线供能通信（WirelessPoweredCommunication,WPC）的多无人机数据采集系统。对其分别提出相应的联合轨迹优化与通信设计方案，并进行了理论推导和仿真分析。 首先，介绍了无人机供能通信网络的基本理论与相关技术。针对无线能量传输技术，介绍了其实现方法与应用，重点分析了SWIPT和WPC技术的基本原理。针对无人机通信技术，介绍了其信道模型、轨迹优化方法以及初始轨迹的设定。针对本文优化问题的求解，介绍了凸优化问题的定义、数学求解方法以及凸优化处理工具。 然后，针对用户数目较少、服务范围较小的应用场景，考虑下行链路的数据分发与能量传输，提出了基于多载波SWIPT的单无人机数据分发系统。单个无人机作为空中基站服务一组地面用户，利用多载波SWIPT技术实现对地面用户能量供应以及数据分发。针对该系统，提出了一个联合轨迹优化与通信设计方案。在保证用户平均采集能量达到阈值的条件下，通过联合优化子载波-用户调度、子载波集合、子载波功率以及无人机轨迹，实现了所有用户平均可达速率的最大化。为求解所提优化问题，提出了一个两步迭代算法。仿真结果表明，我们所提方案能够自适应的优化无人机轨迹，且相比其他方案能够实现更高的所有用户平均可达速率。 最后，针对用户数目较多、服务范围较大的应用场景，考虑下行链路的能量传输与上行链路的数据采集，提出了基于WPC的多无人机数据采集系统。多个无人机协同服务地面一组用户，在下行链路中，多个无人机共同为用户传输能量；在上行链路中，经过优化无人机-用户调度后，被调度的用户利用其采集的能量进行信息上传。针对该系统，提出了一个无人机轨迹与资源分配协同设计方案，通过联合优化子时隙时长、无人机-用户调度、用户发射功率以及多无人机轨迹，最大化上行链路中所有用户的最小平均可达速率。为解决所提非凸优化问题，提出了一个交替迭代算法。仿真结果表明，我们所提方案具有良好的自适应性，能够有效优化每个时隙的资源分配以及多个无人机轨迹，并且相比其他基准方案提高了用户公平性且实现了更高的目标值。
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