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高速铁路在全球范围内迅猛发展,成为了设计第五代移动通信系统考虑的典型场景之一。高速铁路的运行安全问题至关重要,而高铁通信系统是保证高铁安全运行的基石。为了弥补传统的高铁车地通信系统无法满足自然灾害等应急通信场景需求的不足,基于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的高铁应急通信系统作为一种可行的方案受到业界的广泛关注。无人机具有高移动性,可以灵活调整位置,适用于为高速铁路快速建立无线连接。因此,当高速铁路通信基础设施受到毁坏时,UAV能够为高速列车(High-Speed Train,HST)提供应急通信服务。基于此,本文的主要研究内容包括:首先,针对UAV中继通信能量受限的问题,提出基于无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)的 UAV 高速铁路中继传输系统。具体而言,建立符合UAV特点的移动性模型和高速铁路直射路径特性的信道模型,进而设计信息与能量传输过程,推导系统的中断概率闭合表达式,并分析了中继转发协议、能量收集协议、信道参数、移动拓扑和节点移动范围等关键因素对系统性能的影响。研究发现,能量收集协议的时间分割系数τ从0.8减小到0.5时,系统中断概率降低1/5左右。然后,针对UAV飞行高度可灵活改变的特点,优化设计高速铁路应急通信系统性能。具体而言,本文将空地路径损耗建模为与UAV高度有关的函数,推导系统的中断概率和误码率闭合表达式,通过仿真分析得到了不同中继转发协议、能量收集协议以及调制方式下使系统传输性能最优的UAV飞行高度。研究表明,当UAV飞行在最佳高度时,DBPSK调制的系统的误码率仅为BPSK调制的1/4左右。最后,针对UAV飞行轨迹可动态变化的特点,进一步提高UAV为高速铁路提供应急通信服务时的系统吞吐量。具体而言,本文以最大化系统吞吐量为目标,对UAV的飞行轨迹进行规划,将非凸的无人机轨迹优化问题转化为连续的凸优化问题。在此基础上,利用最优化理论进行求解,得到了 HST行驶在直线和曲线两种典型高速铁路轨道下UAV的航迹规划。研究表明,UAV轨迹规划后的系统吞吐量较静止UAV中继的系统吞吐量一倍左右的提升。综上所述,本文研究基于SWIPT的UAV中继高速铁路应急通信系统,推导中断概率和误码率等系统关键性能指标,进而优化设计UAV的飞行高度和飞行轨迹。研究结果为基于UAV的高速铁路应急通信系统设计提供了理论基础,有助于我国高速铁路通信系统跨越发展。