摘要
万物互联理念的兴起使得海量的物联网无线设备接入了互联网，但是无线设备通常因电池容量较小导致续航时间有限，如何提升无线设备的续航能力成为了亟需解决的关键问题。以无线能量传输为核心的无线供电通信网络（WirelessPoweredCommunicationNetworks,WPCN）可便捷、稳定地为无线设备传输能量并收集信息，有望解决以上问题，因此成为物联网领域的研究热点。然而，能量传输损耗问题使得WPCN主要适用于发射功率要求较低的短距离通信。考虑到无人机通信的视距特性以及中继协作能力，本文将无人机中继与WPCN技术相结合，研究了无人机中继辅助WPCN的功率资源分配技术，其主要工作及创新点如下： 首先，研究了无人机中继辅助WPCN的传输容量，其中无人机作为混合中继节点（HybridRelayNode,HRN）先向无源节点传输能量，再通过放大转发（AmplifyandForward,AF）或解码转发（DecodeandForward,DF）协议协助无源节点向信息接入点进行信息传输。在无人机总功率受限的约束下，针对不同协议，分别提出了最大化系统信道容量的功率分配方案，构建了无人机能量传输功率和信息传输功率分配的优化问题。对于AF协议，证明了所构建的功率分配问题为凸优化问题，并设计了最优功率分配的迭代算法。对于DF协议，推导了最优功率分配的闭式解。仿真结果表明，所提功率分配方案相比于传统的等功率分配方案显著提高了系统信道容量。 其次，研究了无人机中继辅助WPCN的传输可靠性，其中无人机作为HRN先向无源节点传输能量，再利用DF协议协助无源节点向信息接入点进行信息传输。推导了莱斯衰落信道下该系统的中断概率近似封闭表达式。在无人机总功率受限的约束下，提出了最小化系统中断概率的功率分配方案，构建了无人机能量传输功率和信息传输功率分配的优化问题。由于所构建问题的目标函数复杂度较高，设计了一种基于粒子群优化的最优功率分配迭代算法。仿真结果表明，所提功率分配方案相比于传统的等功率分配方案明显降低了系统中断概率。 最后，研究了无人机中继辅助WPCN的物理层安全，其中无人机作为HRN先向无源节点传输能量，再利用AF协议协助无源节点向信息接入点进行信息传输，同时存在地面窃听节点试图窃听无人机转发的源节点信息。在无人机总功率受限的约束下，提出了最大化系统安全容量的功率分配方案，构建了无人机能量传输功率和信息传输功率分配的优化问题。由于所构建问题的非凸性，采用泰勒展开对该问题进行凸逼近，并设计了双层迭代的功率分配算法，且保证了算法的收敛性。仿真结果表明，所提功率分配方案的安全容量明显高于传统的等功率分配方案。
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