无人机辅助的无线供能通信的性能分析与优化研究

Wireless powered communications utilize wireless power transfer to supply energy to energy-constrained network devices, and further drive information transmission, which is of important application value. The project adopts unmanned aerial vehicle (UAV) as energy source to supply energy to energy-constrained devices, which is UAV-aided wireless powered communications. UAV serving as energy source not only solves the energy supply problem at special circumstances such as poisonous regions, but also reduces transmission distances and avoid obstacles by designing the flight altitude and trajectory and thus significantly enhances the efficiency of wireless power transfer. However, currently UAV-aided wireless powered communications is still in the initial stage, and related research urgently needs to improve and deepen. This project aims to analyze and optimize the performance of UAV-aided wireless powered communication systems, including system performance limits analysis, energy effficiency optimization and multi-UAV joint programming, further provides necessary theoretical basis for understanding the system characteristics, and provides some foundation and guidance for technology application.

无线供能通信利用无线能量传输为能量受限网络设备供应能量，进而驱动信息的传输，具有重要的应用价值。本项目采用无人机作能量源，为能量受限设备供应能量，构成无人机辅助的无线供能通信。无人机作能量源，不仅解决了毒性场地等特殊环境下的能量供应问题，而且通过飞行高度及航迹设计，可缩短传输距离并避开障碍物，从而显著增强无线能量传输效率。然而，当前无人机辅助的无线供能通信尚处于初期阶段，相关研究亟待完善与深入。本项目旨在对无人机辅助的无线供能通信系统进行性能分析与优化，包括系统极限特征分析、能量效率优化以及多无人机联合规划等，为理解系统特征提供必要的理论依据，并为技术应用提供一定的基础与指导。

随着社会需求的提升与无线通信技术的发展，能量受限无线网络开始受到越来越多的关注，在农业、工业控制、环境保护及医疗等领域将发挥重要作用，具有广阔的应用前景。由于能量受限无线网络的设备无法连接到电网，而且这些设备的电池通常不易更换，因此本项目研究无线供能通信网络，它利用无线能量传输为能量受限设备供应能量并完成通信功能。特别是研究无人机辅助的无线供能通信网络，它采用无人机作能量源，以无线能量传输方式为能量受限网络设备供应能量，进而驱动信息的传输。主要研究内容和结果包括：（1）研究了无线供能双向中继网络的可达信息速率和资源分配策略，分析了系统的可达信息速率域，提出了最优时间分配策略和最优波束成形设计，实验结果给出了系统的可达信息速率域；（2）研究了无线供能全双工中继网络的中断性能，推导了系统中断概率和吞吐量，实验结果分析了系统参数对中断性能和吞吐量的影响以及无人机等能量供应节点部署位置对性能的影响；（3）研究了无线供能单向中继通信系统，给出了可达信息速率最优的无人机部署位置和时间分配策略，实验结果进一步证明了无人机辅助的无线供能通信网络的优越性。本项目创新性的将无人机技术融入无线供能通信系统，避免了现有无线供能通信系统面临的困难，为无线能量传输和无线信息接入提供优越的解决方案，探索出了系统的极限性能，有助于理解无人机辅助的无线供能通信系统的本质特征，研究出利用资源分配、无人机位置部署优化等方式显著改善了系统性能，从而为能量受限物联网的开发、部署和应用起到一定的指导作用。