随时随地的地获取能量是人类孜孜以求的目标,尽管我国的能源网络已经非常完善,但仍然有部分尚未覆盖的区域,且许多设备仍需频繁接入电网充电。基于射频信号的无线能量传输具有无接触、远距离等优点,是解决低功耗设备的连接、供能问题的关键技术之一,受到了学术界和工业界的广泛关注。另一方面,无人机在农业、工业、安全等诸多领域已有成熟应用,无人机与射频传能的融合,能够进一步扩大供能覆盖范围,提高能量传输效率,提供基于需求的能量供应服务。然而目前射频能量传输效率较低、无人机与射频供能的融合研究较少,其潜力尚未充分挖掘。射频信号可实现供能和通信两种功能,两种功能的技术难点也有诸多相同之处;此外,随着通信终端的功耗逐渐降低,射频信号的供能作用愈发凸显,因此本文关注射频供能在无线通信领域的表现,即供能和通信融合形成的携能通信的性能分析。本文总结了射频供能和无人机应用的研究现状,在此基础上形成了本文的研究思路:首先在射频信号丰富的传统地面无线通信场景中,把干扰作为能量源加以利用,拓宽射频供能的能量来源;接着利用无人机移动性和视距信道特点,有效降低衰落对射频能量传输的影响,分别从地面用户和无人机两个角度展开对资源分配和轨迹设计的研究,能够大大地提升系统的资源利用效率。论文的具体研究成果包括以下三方面:一、论文首先研究了地面携能通信网的预编码设计,重点关注携能通信与干扰网络的融合,把干扰作为能量来源的一部分。针对认知场景下的多用户干扰信道,提出了干扰对齐收发设计和功率分配联合优化算法,实现了干扰管理与射频供能双重目标。具体地,在保证主用户的通信和能量需求的前提下,最大化所有接入频谱的从用户的总容量;问题描述为用户的收/发预编码、发射功率分配以及功率分流因子的联合非凸优化问题。为此,论文提出一种交替优化算法:首先不考虑的从用户的影响,对主用户展开优化设计,主用户的发送预编码、功率以及功率分流因子联合优化描述为半正定规划问题,通过对问题的部分约束条件松弛转换成一个凸优化问题,进而获得了松弛最优解;并且证明了松弛处理并不丢失解的最优性。在获得了主用户的优化设计后,从用户的优化设计分为两部分:固定功率和分流因子求解收、发预编码矩阵以及固定收发预编码矩阵求解功率分配和分流因子;通过矩阵变换相关理论给出了从用户的收发预编码闭合表达式,并通过凸优化技术求解出了功率分配和分流因子。进行主用户与从用户的交替迭代,最终获得了所有用户的收发设计。相比于现在的算法,提出的算法降低了获得相同性能系统所需的能量,提高了能量使用效率。二、论文研究了空地融合携能通信网的用户公平性设计,针对基于无人机的无线供能通信网(Wireless Powered Comunication Networks,WPCN),给出了保证用户公平性的通信资源分配和无人机轨迹设计。具体地,论文提出了基于时间离散的通信协议,并给出了问题描述。由于轨迹设计和资源分配的耦合,问题求解变得非常困难。基于块坐标下降法,论文首先在固定通信资源分配的情况下,通过对轨迹相关的约束条件进行连续凸近似,获得了轨迹的一个局部最优解。然后在固定无人机轨迹的情况下,通过凸优化技术对通信资源分配进行优化;并设计了轨迹和通信资源联合优化算法。相比于现有研究,基于无人机的WPCN能够大大地提高系统的容量,降低路径损耗的影响,获得不俗的性能提升。三、论文研究了空地融合携能通信网的能耗与时间关系,分析了基于旋翼无人机的WPCN的无人机能耗与任务完成时间折中关系,这一折中关系通过能量-时间域描述;通过对资源分配和无人机轨迹联合优化获得了能量-时间域的帕累托边界。具体地,能量-时间域的求解描述为一个关于通信调度、无人机轨迹、任务完成时间的联合优化问题;论文首先对两个用户的特例情况展开了分析,获得了关于无人机飞行速度的关键结论。接着扩展到了多个地面用户的情况,分别研究了飞-悬停-通信协议和基于路径离散的通信协议。对于每种协议,通过块坐标下降和连续凸近似方法,给出了能量消耗最小以及任务完成时间最小的优化设计,基于能耗最小和时间最小两个极值点,补全了两种协议的能量-时间域的帕累托边界。论文对基于无人机的WPCN的可行性进行了分析,给出了能耗-时间这两个工程指标的可行域,对指导空地融合携能通信的网络规划和实际应用具有重要意义。