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随着移动通信技术的不断演进,特别是物联网的快速发展,传感器等低功耗低成本节点数量呈指数式增长,预计到2020年,全球物联网接入设备将达到500亿台。当前,物联网节点大多采用电池供电,网络寿命取决于电池容量,需要定期更换电池,这对于大规模物联网的维护提出了严峻挑战,寻求新型的供电方式解决海量节点的供电问题已成为未来物联网发展的关键所在。鉴于此,研究人员提出了利用电磁波辐射的无线能量传输技术。由于无线能量传输技术的便捷性、射频信号的可控性和多播特性以及布置的灵活性,为解决物联网中海量通信节点的供电问题提供了一种潜在的有效手段。因此,如何将无线能量传输与无线通信系统有效融合起来,构建一个高效的无线能量和信息传输一体化系统,正成为当前无线通信领域的研究热点。由于电磁波信号的空间传播特性,无线能量和信息传输系统面临传输距离短和传输效率低的瓶颈问题。针对上述问题,本论文提出了利用多天线和中继技术的新思路,克服路径损耗,提升能量和信息传输效率,推动无线能量和信息传输系统的发展。本论文的具体贡献包括:1.研究了非理想条件下多天线中继辅助的无线携能通信的中断概率和遍历容量。具体地,针对中继具有瞬时信道状态信息和统计信道状态信息两种场景,分别推导获得了系统中断概率和遍历容量的闭式表达,由此揭示了系统关键参数如天线数,空间相关性等影响系统性能的机理。研究结果表明,瞬时信道状态信息条件下,系统的分集增益取决于中继天线数,同时,相关性对于容量的影响与信噪比有关。在统计信道状态信息条件下,系统的分集增益与天线数目无关,而天线相关性总是有助于提升系统性能。2.研究了多天线协作的三节点无线携能通信系统的性能和优化设计。具体地,基于系统平均吞吐量最大原则,研究了混合式接入点的最佳能量波束向量以及时间分配参数设计,并创新性地通过新型的线性组合波束形式得到了闭式表示的最优能量波束向量,同时基于系统平均吞吐量的上界得到了低复杂度的次优设计方案。研究结果表明,所提出的低复杂度次优设计方案的性能和高复杂度最优设计方案的性能基本相同,也证明了在混合式接入点上部署多天线阵列可以显着提高系统性能。3.研究了基于无线能量传输的双向中继通信系统的性能和优化设计。具体地,针对基于用户公平与基于系统和速率最大两种传输策略,通过对能量站的能量波束和系统时间分配参数的优化,都分别得到了性能最佳的全局最优设计方案与低复杂度的次优设计方案。研究结果表明,对于两种不同的传输策略,所提出的次优设计方案均能在保证低复杂度的前提下达到近似于最优设计方案的性能,同时,通过对系统节点位置的研究,证明了网络的拓扑结构对系统的性能也具有显着影响。4.提出了 一种新型的基于混合式双向中继的无线携能通信模型。具体地,为了保证系统用户的公平性,提出了三种不同复杂度和性能的系统优化算法,包括高复杂度的全局最优算法,中等复杂度的逐次优化算法以及低复杂度的次优算法,同时,针对低复杂度的次优算法,推导并获得了系统中断概率和遍历容量的闭式表达,揭示了系统关键参数对系统性能的影响。研究结果表明,所提出的中等和低复杂度的算法在整个发射信噪比区间内都具有极好的性能,并且,系统的分集增益仅为天线数目的三分之一,表明了无线能量传输过程会降低系统的分集增益。