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射频无线能量传输(Radio Frequency Wireless Energy Transfer，RF WET)技术为解决未来通信网络(如物联网)中能量短缺问题的核心技术之一，其核心思想是利用射频信号既可以传递信息又可以承载能量这一双重特性，通过从射频信号中获取能量，从而实现为能量受限节点无线供能。另外，为了满足通信网络的高频谱效率、高能量效率需求，各类高效的无线通信网络架构竞相涌现，如多天线通信网络、终端直通网络、双向中继网络等。将RFWET技术与高效的无线通信网络相结合，构建无线供能的高效通信网络，不仅能够延长网络的生命力，也可以提高网络的性能，因而获得了广泛的关注。然而，现有关于无线供能高效通信网络的研究大多都是基于线性能量收集模型，而实际的能量收集电路的输入输出关系呈现出明显的非线性特性。受此激励，本文分别以多天线无线供能通信网络、无线供能的终端直通网络以及无线携能双向中继网络为主要研究对象，较为系统地研究了非线性能量收集模型下这三种网络中传输策略优化设计及性能研究。本文的主要研究内容与贡献概括如下：
一、非线性能量收集模型下多天线无线供能通信网络的传输策略设计
首先，基于线性能量收集模型与非线性能量收集模型，以最大化系统能量效率为目标，在保障接收端最小能量要求及发射端总发射功率约束下，为点对点多天线无线供能通信网络设计了发射端各天线上最佳功率分配方案并提出一个功率分配迭代算法来得到最优解。仿真结果验证了非线性能量收集模型下所提方案的优越性，也进一步反映了基于线性能量收集模型设计的资源分配方案将带来资源错配，从而导致系统性能的下降。然后，考虑到电池的存储效率具有非线性特性，结合非线性能量收集模型，又研究了点对多点多天线无线供能通信网络的传输策略设计。具体而言，在保障接收端最小发送速率、接收端电池容量以及发射端总发射功率约束下，通过发射端各个天线上的发射功率、能量传输时间以及接收端使用的电池能量的联合设计，构建了一个系统能量效率最大化的优化问题。由于非线性能量收集模型的考虑使得所建立的优化问题高度非凸且难以解决，所以提出了一种新的非线性能量收集模型?分段线性能量收集模型并在此基础上提出两种迭代算法通过结合使用来得到最佳资源分配方案。通过计算机仿真将所提方案与其他现有方案进行比较，文中所提方案的优越性得以验证。
二、非线性能量收集模型下无线供能终端直通网络的传输策略设计
首先，借助于随机几何理论，构建了基于环境散射通信(Ambient Backscatter Communications， AmBackComs)的无线供能终端直通网络，其中每一个低功耗终端节点通过时间切换(Time Switching，TS)或功率分离(Power Splitting，PS)的方式从周围的蜂窝信号中获取能量，并调制、反射接收到的蜂窝信号从而实现终端节点之间的通信。在此基础上，考虑到能量收集电路的非线性特性，通过对TS与PS系数的优化设计，分别构建了两个优化问题来最大化TS与PS方案下反射链路的中断容量。然后，基于统计信道状态信息(Channel State Information，CSI)提出了两种低复杂度的TS和PS方案来得到次优的中断性能。为了进一步刻画该网络的中断性能以及所提方案的有效性，考虑到反射链路与蜂窝下行传输之间的干扰以及反射链路之间的干扰，又推导了非线性能量收集模型下给定TS或PS系数时反射链路与蜂窝下行链路的成功传输概率。在仿真中，通过与遍历穷举法所得到的最优性能相比，验证了所提出的TS与PS方案能够取得次优的中断性能且具有更低的计算复杂度。通过与蒙特卡洛仿真值相比，也验证了理论推导的正确性且进一步反映了线性能量收集模型的使用将导致系统性能的过高估计。
三、非线性能量收集模型下无线携能双向中继网络的传输策略设计
针对无线携能双向中继网络，考虑TS或PS方案来实现源节点到中继节点之间信息与能量协同传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer， SWIPT)。具体而言，在基于TS-SWIPT技术的三时隙双向解码转发(Decode-and-Forward，DF)中继系统中，采用一个较为简单的非线性能量收集模型?段数为2的分段线性能量收集模型。对于中继节点如何整合来自两个源节点的解码信息，提出了一个最佳融合策略来最小化系统中断概率并给出中继处最佳结合因子的闭合表达式。在此基础上，又推导了该融合策略下系统中断概率以及中断容量。仿真结果验证了理论推导的正确性以及所提策略的优越性，也反映了考虑非线性能量收集模型的必要性。在基于PS-SWIPT技术的三时隙双向DF中继网络中，考虑一个更为实际的非线性能量收集模型?段数为N+1的分段线性能量收集模型并在此基础上依次研究了该系统的总中断容量及能量效率最大化。首先，以系统的总中断容量最大化为目标，提出了一个动态非均匀的PS方案并推导了所提方案下端到端链路的中断概率以及中断容量。仿真结果验证了理论推导的正确性以及所提方案的优越性。接着，以系统的能量效率最大化为目标，在保障每条端到端链路最小传输速率以及源节点发射功率约束下，基于非线性能量收集模型构建了一个源节点的发射功率、中继节点处的PS系数及时间分配系数的联合优化问题并提出了两个迭代算法通过结合使用来得到最佳资源分配方案。仿真中通过与其他方案进行对比，验证了基于非线性能量收集模型设计资源分配方案的优越性。
一、非线性能量收集模型下多天线无线供能通信网络的传输策略设计
首先，基于线性能量收集模型与非线性能量收集模型，以最大化系统能量效率为目标，在保障接收端最小能量要求及发射端总发射功率约束下，为点对点多天线无线供能通信网络设计了发射端各天线上最佳功率分配方案并提出一个功率分配迭代算法来得到最优解。仿真结果验证了非线性能量收集模型下所提方案的优越性，也进一步反映了基于线性能量收集模型设计的资源分配方案将带来资源错配，从而导致系统性能的下降。然后，考虑到电池的存储效率具有非线性特性，结合非线性能量收集模型，又研究了点对多点多天线无线供能通信网络的传输策略设计。具体而言，在保障接收端最小发送速率、接收端电池容量以及发射端总发射功率约束下，通过发射端各个天线上的发射功率、能量传输时间以及接收端使用的电池能量的联合设计，构建了一个系统能量效率最大化的优化问题。由于非线性能量收集模型的考虑使得所建立的优化问题高度非凸且难以解决，所以提出了一种新的非线性能量收集模型?分段线性能量收集模型并在此基础上提出两种迭代算法通过结合使用来得到最佳资源分配方案。通过计算机仿真将所提方案与其他现有方案进行比较，文中所提方案的优越性得以验证。
二、非线性能量收集模型下无线供能终端直通网络的传输策略设计
首先，借助于随机几何理论，构建了基于环境散射通信(Ambient Backscatter Communications， AmBackComs)的无线供能终端直通网络，其中每一个低功耗终端节点通过时间切换(Time Switching，TS)或功率分离(Power Splitting，PS)的方式从周围的蜂窝信号中获取能量，并调制、反射接收到的蜂窝信号从而实现终端节点之间的通信。在此基础上，考虑到能量收集电路的非线性特性，通过对TS与PS系数的优化设计，分别构建了两个优化问题来最大化TS与PS方案下反射链路的中断容量。然后，基于统计信道状态信息(Channel State Information，CSI)提出了两种低复杂度的TS和PS方案来得到次优的中断性能。为了进一步刻画该网络的中断性能以及所提方案的有效性，考虑到反射链路与蜂窝下行传输之间的干扰以及反射链路之间的干扰，又推导了非线性能量收集模型下给定TS或PS系数时反射链路与蜂窝下行链路的成功传输概率。在仿真中，通过与遍历穷举法所得到的最优性能相比，验证了所提出的TS与PS方案能够取得次优的中断性能且具有更低的计算复杂度。通过与蒙特卡洛仿真值相比，也验证了理论推导的正确性且进一步反映了线性能量收集模型的使用将导致系统性能的过高估计。
三、非线性能量收集模型下无线携能双向中继网络的传输策略设计
针对无线携能双向中继网络，考虑TS或PS方案来实现源节点到中继节点之间信息与能量协同传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer， SWIPT)。具体而言，在基于TS-SWIPT技术的三时隙双向解码转发(Decode-and-Forward，DF)中继系统中，采用一个较为简单的非线性能量收集模型?段数为2的分段线性能量收集模型。对于中继节点如何整合来自两个源节点的解码信息，提出了一个最佳融合策略来最小化系统中断概率并给出中继处最佳结合因子的闭合表达式。在此基础上，又推导了该融合策略下系统中断概率以及中断容量。仿真结果验证了理论推导的正确性以及所提策略的优越性，也反映了考虑非线性能量收集模型的必要性。在基于PS-SWIPT技术的三时隙双向DF中继网络中，考虑一个更为实际的非线性能量收集模型?段数为N+1的分段线性能量收集模型并在此基础上依次研究了该系统的总中断容量及能量效率最大化。首先，以系统的总中断容量最大化为目标，提出了一个动态非均匀的PS方案并推导了所提方案下端到端链路的中断概率以及中断容量。仿真结果验证了理论推导的正确性以及所提方案的优越性。接着，以系统的能量效率最大化为目标，在保障每条端到端链路最小传输速率以及源节点发射功率约束下，基于非线性能量收集模型构建了一个源节点的发射功率、中继节点处的PS系数及时间分配系数的联合优化问题并提出了两个迭代算法通过结合使用来得到最佳资源分配方案。仿真中通过与其他方案进行对比，验证了基于非线性能量收集模型设计资源分配方案的优越性。