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无线通信的发展使得无线设备无处不在,无线设备依赖于内置的电池供电,有限的电池容量限制了无线设备的使用寿命。无线供电通信网络(Wireless Powered Communication Network,WPCN)是一种新型的网络模型,其中的无线设备可以通过基于射频信号的无线能量传输技术实现远程供电,从而摆脱了有线充电或者更换电池的束缚。特别对于网络中的低功耗电子设备,能极大地延长其使用寿命,这使得WPCN在未来物联网(Internet of Things,IoT)领域将得到广泛的应用。然而WPCN的实际应用仍面临着诸多挑战,例如低下的无线能量传输效率和较低的系统吞吐量。本论文针对各种WPCN的吞吐量优化问题开展了深入研究,主要创新工作如下:(1)在WPCN中用户与混合接入点(Hybrid Access Point,HAP)间距离的不同会导致用户传输速率间的不公平性。利用功率域复用的非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术常用在WPCN中以改善这种公平性。然而现有文献忽略了NOMA的基本技术-连续干扰抵消(Successive Interference Cancellation,SIC)的约束条件对于系统性能的影响。为此,本文研究了基于NOMA的WPCN中SIC约束条件对于系统吞吐量的影响,其中用户先从HAP采集能量再利用采集的能量向HAP传输信息。首先,定义了系统吞吐量的优化问题,并说明了该问题为凸优化问题。然后,考虑了经典的两个用户场景并给出了最优时间分配方案的闭式解。仿真结果表明,在满足SIC约束条件下,用户信道功率增益间的差异是基于NOMA的WPCN取得较大系统吞吐量的前提。(2)研究了无线供电中继网络(Wireless Powered Relay Network,WPRN)中中继节点的能量采集问题,该网络包含多个配有稳定能量源的用户和多个自身没有能量的中继,中继需要从HAP中采集能量以完成用户信息的转发。为解决中继采集能量有限的问题,考虑了配有两根天线的全双工(Full Duplex,FD)HAP,其中中继采用解码转发(Decode-and-Forward,DF)方案。HAP在向中继广播能量信号的同时接收来自中继转发的用户信息,有效增加了中继采集能量的时间。由于HAP和用户同时发射能量和信息信号,在中继和HAP处会产生干扰并由此考虑了非完美干扰消除场景。为最大化系统吞吐量,定义了关于下行能量传输和上行信息传输的时间分配的吞吐量优化问题,并通过设计的有效算法得到了最优解。此外,证明了中继采用DF方案取得的吞吐量优于采用放大转发(Amplify-and-Forward,AF)方案取得的吞吐量。仿真结果验证了采用FD-HAP的WPRN的性能优越性。(3)WPCN有两种主要的工作模式,分别为采集再传输(Harvest-then-Transmit,HTT)模式和反向散射通信(Backscatter Communication,BackCom)模式。针对两者的特点,研究了WPCN中两种模式的融合方案以充分利用两者的优点,融合方案分别为混合用户方案和混合模式方案。对于混合用户方案,WPCN中包含分别采用HTT模式和BackCom模式的两类用户。对于混合模式方案,每个用户既可采用HTT模式又可采用BackCom模式。对于两种方案,HAP均作为用户的能量信号源。针对所提出的方案,分别定义了系统吞吐量优化问题,给出了最优时间分配的闭式解。根据最优解,对于混合用户方案,只有反射速率最大的BackCom用户能被调用;对于混合模式方案,给出了最优的用户工作模式组合。仿真结果表明,相较于用户采用单一模式,所提的两种方案可以取得更大的系统吞吐量。(4)针对包含主用户通信系统和次用户通信系统的认知无线供电通信网络(Cognitive WPCN,CWPCN)中次用户通信系统吞吐量的优化问题,提出了一种混合模式方案,认知用户(Cognitive User,CU)可采用HTT模式、环境反向散射(Ambient Backscatter,AB)模式或双站反向散射(Bistatic Backscatter,BB)模式。系统中包含主发射机(Primary Transmitter,PT)和次用户通信系统中的电桩(Power Beacon,PB),且PT和PB与CU间的距离不同,因而PT和PB分别作为AB和BB模式的入射信号源,实现CU信息的反射。当主用户信道空闲时,CU也可以利用从PT和PB采集的能量传输信息。通过设计三种模式间的最优时间分配方案来最大化次用户通信系统的吞吐量,并给出了数值解。特别地,对于单CU场景,给出了关于时间分配的闭式解,并分析了最优的用户模式选择方案。仿真结果表明,相较于CU采用单一模式,所提的混合模式方案可以得到更大的系统吞吐量。(5)针对反向散射通信系统(Backscatter Communication System,BCS)提出了一种中继协作的传输方案以提升系统吞吐量。用户首先将入射信号实时向信息接收机(Information Receiver,IR)和中继反射,实现了用户信息的直接传输;再利用采用DF方案的中继将用户信息转发至IR,实现用户信息的中继转发。考虑了中继自身含有和不含有能量两种场景。如果中继不含有能量,其需要先从载波发射机采集能量。对于两种场景,分别定义了系统吞吐量优化问题,并给出了最优时间分配的闭式表达式。仿真结果表明,所提的中继协作方案可以提升BCS的吞吐量。