近年来,无线供电技术的快速发展为物联网中能量受限的无线通信终端的能源供应问题提供了新的可靠的解决方案。而作为无线供电技术和无线通信技术的结合体,无线射频供电通信系统已成为通信领域的一个热点研究课题,受到了世界各地研究机构的密切关注。然而,相较于传统电池供电的通信系统而言,无线射频能量供电技术的引入为无线通信系统的优化设计提出了新的挑战。针对环境射频能量收集慢、射频能量传输损耗高、系统工作时间长、系统性能受信道状态影响大等特点,探索无线射频供电通信系统的性能优化设计方案具有重要的理论研究和实际应用参考价值。基于此背景,本论文主要对基于射频能量收集的通信系统中断概率性能分析与优化、异构无线射频供电通信系统的能量效率性能优化、无限时域中无线射频供电通信系统的吞吐量性能优化、以及分层无线射频供电通信网络中多功能移动汇聚节点的节能路径规划进行了研究,其主要内容如下:1)在基于射频能量收集的通信系统中断概率性能分析与优化的研究中,针对环境射频能量收集慢的特点,在环境射频信号既是能源又是干扰的情况下,首先对源节点利用多个工作时隙收集能量的点对点通信链路的中断概率进行了分析,并结合目的Sink节点端的信干噪比,给出了Sink节点的位置优化选择方案。随后,该研究被推广到了DF(decode-and-forward)中继通信的情况,通过分析中继节点到源节点和Sink节点的距离与中继通信链路中断概率之间的关系,给出了优化链路中断概率的次优中继节点位置,并利用实验仿真探索了环境射频信号发射功率、节点噪声等因素对中继位置选择的影响;2)考虑到实际应用中网络异构的情况,对包含一个H-AP(hybrid access point)、多个终端用户UE(user equipment)、以及一对D2D(device to device)通信节点的异构WPCN(wireless powered communication networks)通信系统进行了研究。其中,UE和D2D设备的能源均来自于H-AP下行传输的射频能量。根据数据服务类型的不同,该系统被看作为UE-WPCN和D2D-WPCN两个子通信系统的结合。为在满足两个子通信系统各自QoS(quality of service)需求的前提下最大化整个系统的能量效率,对H-AP的射频能量发射功率和发射时间、各子系统中设备的发射功率和工作时间、以及子系统间频谱资源分配的联合优化问题进行了研究,并基于非线性分式规划理论和凸优化理论,给出了系统能量效率优化方案的详细设计步骤。利用数值仿真,验证了所提出的能量效率优化方案的有效性,并对H-AP发射功率、能量收集效率、设备电路功率等系统参数与系统能量效率之间的关系进行了研究;3)针对在引入无线射频能量传输技术后网络工作寿命可无限延长的情况,对无限时域中的WPCN系统性能展开了研究。为提高系统的能量使用效率,在给定系统能量预算的情况下,对系统长期吞吐量的最大化问题进行了探索,并基于约束马尔可夫决策过程(CMDP,constrained Markov decision process)相关理论为系统中H-AP以及UE节点的工作调度设计了最优在线策略。同时,针对最优在线策略时间复杂度高的问题,通过分析和模拟系统最优离线策略的潜在性质,为系统设计了低时间复杂度的次优在线策略,在保证系统性能的同时极大地降低了算法计算时间;4)为提高无线射频能量在大规模网络应用中的传输效率,通过在网络中引入具备能量转发和数据转发功能的双功能簇头节点以及具备射频能量传输、数据通信和可移动功能的多功能移动汇聚节点(Mobile Sink,MS),为WPCN设计了分层式的网络结构。网络中所有节点的能源均由MS供应。为降低网络总能耗,通过求解TSP(Traveling Salesman Problem)问题确定各簇的访问顺序,并结合动态规划理论为MS设计了节能优化的移动路径。同时,针对采用动态规划时所需计算时间长的问题,利用单簇网络中MS最优驻留点的相关结果,为MS设计了一种基于位置调整的启发式节能路径规划方案,并通过实验仿真验证了所提方案的节能有效性。