CN107295598B - 一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法，首次提出了基于分组的最大化吞吐量的中继选择方法，分别考虑在时间分配和功率分配机制下实现最大化吞吐量的最优分组，包括步骤：首先利用源到中继节点的最大传输速率模型，选择其中一组中继节点广播信号，然后利用中继节点到目的节点的最大传输速率模型从小组中选择一个中继节点利用收集的能量转发信号到目的节点，通过比较不同小组尺寸的系统吞吐量最后获得最优分组尺寸，本发明克服了传统的单一节点选择引起的节点过度使用，通过考虑最优分组避免了所有节点参与传输引起的设备配置复杂和传输效率低的缺点。

Description

一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法。

背景技术

在无线网络中，节点多数采用电池供能，但是由于电池能量有限，需要频繁替换降低了系统稳定性和便利性。随着科技的进步，能量和信息同传技术(simultaneouswireless information and power transfer，SWIPT)提出节点可以从接收的信号中收集能量，同时实现了信息的传输，替换了电池的使用既经济又环保，吸引了大批的学者及业界人士致力于其研究工作。在能量和信息同传中继网络中存在多个备选的中继节点，设计合适的中继选择策略，进而提高信息传输的吞吐量以及收集的能量是极其重要的。

对于能量和信息同传技术的研究，2008年Varshney LR首次提出能量和信息同时传输的概念，对于二进制信道和高斯信道下的能量和信息速率性能进行了分析。2013年Zhou X分别介绍了能量和信息同传网络时间分配和功率分配机制下的接收机结构设计。2013年Zhang R提出了在多进多出(multiple-input multiple-output，MIMO)网络能量和信息同传性能分析和能量效率。同年，Liu L提出动态功率分配来提高能量和信息同传网络信息传输性能。2014年Nasir AA提出时间分配参数、功率分配参数、噪声对于能量和信息同传网络吞吐量的影响。2016年Zhang M提出采用人工噪声(artificial noise，AN)频域辅助的信息传输协议来提高能量和信息同传网络物理层的安全。对于中继选择策略的研究，2006年Bletsas A提出根据信道状态信息(channel state information，CSI)来选择最优中继节点参与信息传输。2011年Hara S提出确保数据可靠传输的协作协议，并且通过接收信号强度指标(RSSI,Received Signal Strength Indicator)来设计能效的中继节点选择算法。2012年Krikidis I提出在具有数据缓存中继节点网络中，源节点根据源到中继的信道质量和节点缓存剩余，选择最优的中继节点传输信息，中继到目的节点信道质量最优和缓存最多的中继节点被选择传输信号到目的节点，提高了系统性能。2013年Ibarra E通过在中继节点使用能量收集技术设计了一种合适的MAC协议，延长了节点的使用寿命，对中继通信的性能也有所改善。2014年Ding Z提出源节点向所有中继节点广播信号，通过随机或者依据信道状况选择中继节点传输信号到目的节点。2016年F.Wang在能量收集节点和电池供电节点同时存在的网络中，根据信道信息和网络可用能量动态进行中继选择实现系统性能最大化的算法。2016年Liu Y提出在能量和信息同传网络中所有中继节点参与协作通信。

虽然已经有大量的中继选择的发明，但都是针对一般协作网路和能量收集网络，很少有文章针对能量和信息同传网络设计一种合理且有效的节点调度算法来解决时间分配和功率分配两种机制下的同时提高传输信息量和收集的能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法，具体步骤如下：

(1)系统场景分析：

所述系统场景中有一个信号源节点S，N个可以进行能量收集和信息传输的中继节点R_i放在指定的位置，和一个目的通信节点D，信号源节点和目的节点之间没有直达路径，中继节点采用译码转发的工作方式，每次数据的传输时间段是T；

(2)时间分配中继选择策略，包括以下步骤：

1)建立源节点到中继节点最大传输速率模型：

时间分配中继机制下源节点到每个中继节点的最大传输速率模型如公式(1)所示：

其中

为源节点到第i个中继节点的最大传输速率,TS表示时间分配机制，i表示第i个中继节点，

是源节点到第i个中继节点传输信号时，第i个中继节点的信噪比，P_S是源节点的发射功率，|h_S,i|²是源节点到第i个中继节点的信道功率增益，d_S,i是源节点到第i个中继节点的距离，

表示d_S，i的m次方，m是路径损耗参数，，

是源节点到第i个中继节点的噪声；

2)利用最大化传输速率进行初次中继选择：

初次中继选择的优化目标是最大化源节点到中继节点的吞吐量，源节点选择传输速率最大的小组传输信号，其中小组的传输速率是源到小组中的中继节点能实现的传输速率的最小值，源节点的中继选择方法如公式(2)所示：

被选中继节点以k个为一组自由组合，其中f表示被选择的小组，是第f个包含k个中继节点的小组，

表示在时间分配机制下第q个包含k个中继节点的小组的传输速率；

3)建立中继节点到目的节点最大传输速率模型：

通过上述步骤2)推导出被选小组，考虑时间分配机制下，中继节点的传输时间被分为能量收集和信息传输两部分，其中在αT时间段内中继节点从信号中收集能量，剩余时间用于信息传输，每个中继节点到目的节点的最大传输速率模型如公式(3)所示：

其中

是在第l时间段内中继节点i到目的节点的最大传输速率，D表示目的节点，

表示在第l个时间段内第i个中继节点向目的节点传输信号时目的节点的信噪比，

是第i个中继节点的发射功率，由上一时间段的剩余能量、本时间段收集的能量以及信息传输时间(1-α)T/2决定，中继节点将全部剩余能量作为能量源来传输信号，|h_i,D|²是第i个中继节点到目的节点的信道功率增益，d_i，D是第i个中继节点到目的节点距离

表示d_i，D的m次方，m是路径损耗参数，

是第i个中继节点到目的节点的噪声；

4)利用到目的节点的最大传输速率进行二次中继选择：

二次中继选择的优化目标是在最大化吞吐量的同时实现能量的积累，选择被选小组中到目的节点传输速率最大的中继节点传输信息，中继选择方法如公式(4)所示：

其中n表示小组中第n个中继节点被选择来传输信号到目的节点；

5)建立吞吐量模型：

源节点在每个时间段以和最大传输速率相同的速率传输信号，直到系统停止工作，被选择的中继节点的吞吐量模型如公式(5)所示：

其中τ^TS表示在时间分配机制下的吞吐量，M表示系统停止工作之前信息传输的总的时间段数量，考虑时间分配中继机制中每个时间段内中继节点的有效传输时间是(1-α)T/2，C^TS(l)表示第l时间段内被选择的中继节点实现的最大传输速率，模型描述如公式(6)所示：

然后考虑被选择小组中其他节点继续收集能量，根据时间分配机制，每个中继节点额外收集的能量模型如公式(7)所示：

其中

表示小组中其他节点比如第i个中继节点在被选择的节点传输信号的时候额外收集的能量，η表示能量转换效率；在本时间段内中继节点的调度问题是在中继节点只在αT的时间段内收集能量的条件下进行；

(3)功率分配中继选择策略包括以下步骤：

1)建立源节点到中继节点最大传输速率模型：

考虑功率分配机制下中继节点把接收的信号功率分为两部分，其中ρP用于能量收集，剩余部分用于信息传输，源节点到每个中继节点的最大传输速率模型如公式(8)所示：

其中

表示源节点到第i个中继节点的最大传输速率，P_s源节点发射功率，|h_S,i|²是源节点到第i个中继节点的信道功率增益，

是源节点到第i个中继节点传输信号时，第i个中继节点的信噪比，d_s，i是源节点到第i个中继节点的距离，

表示d_s，i的m次方，m是路径损耗参数，

表示源节点到中继节点i的噪声；

2)利用到中继节点的最大传输速率进行初次中继选择：

初次中继选择的优化目标是最大化源节点到中继节点的吞吐量，源节点选择传输速率最大的小组传输信号，源节点的中继选择方法如公式(9)所示：

其中f表示被选择的小组，是第f个包含k个中继节点的小组，

表示第q个包含k个中继节点的小组的传输速率，该速率是源到小组中的中继节点能实现的传输速率的最小值；

3)建立中继节点到目的节点最大传输速率模型：

每个中继节点传输信号到目的节点的最大传输速率模型如公式(10)所示：

其中

是在第l时间段内第i个中继节点到目的节点的最大传输速率，

表示在第l个时间段内每个中继节点向目的节点传输信号时目的节点的信噪比，

是第i个中继节点的发射功率，由上一时间段的剩余能量、本时间段收集的能量以及传输时间T/2决定，中继节点将全部剩余能量作为能量源来传输信号，|h_i,D|²是第i个中继节点到目的节点的信道功率增益，d_i，D是第i个中继节点到目的节点距离，

表示d_i，D的m次方，m是路径损耗参数，

是第i个中继节点到目的节点的噪声；

4)利用到目的节点的最大传输速率进行二次中继选择：

二次中继选择的优化目标是最大化吞吐量的同时实现能量的积累，到目的节点传输速率最大的中继节点被选择传输信号，二次中继选择方法如公式(11)所示：

其中n表示小组中第n个中继节点被选择传输信号到目的节点；

5)建立吞吐量模型：

源节点在每个时间段以和最大传输速率相同的速率传输信号，直到系统停止工作，被选择的中继节点的系统吞吐量模型如公式(12)所示：

其中τ^PS表示功率分配机制下系统的吞吐量，M表示系统停止工作之前信息传输的总的时间段数量，根据上述的功率分配中继机制下，第l时间段内被选择的中继节点实现的最大传输速率模型C^PS(l)如公式(13)所示：

然后考虑被选择小组中其他节点继续收集能量，每个中继节点额外收集的能量模型如公式(14)所示：

其中

表示小组中其他节点如第i个中继节点在被选择的节点传输信号的时候额外收集的能量，在本时间段内中继节点的调度问题是在中继节点只在T/2的时间段内从ρP收集能量的条件下进行；

(4)求解节点调度的最优分组尺寸：

首先，假定源节点和目的节点位于区域的边界，中继节点分布在源节点和目的节点的中间区域，试验k取不同值系统最终的吞吐量，通过比较得到一个最优分组尺寸；

然后，分别求解时间分配机制和功率分配机制下的最优分组尺寸，将中继节点的坐标分别代入到上述的最大传输速率公式中，根据上述的中继选择方法分别计算小组尺寸不同时的吞吐量，最大吞吐量对应的小组尺寸即为最优分组尺寸；利用MATLAB软件中的函数，在不同的分配机制和不同的节点状态下绘制以分组尺寸为自变量的吞吐量变化曲线；

最后，分析仿真曲线中得到的吞吐量最大值以及对应的小组尺寸，该尺寸即为节点调度的最优分组尺寸。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明首次在能量和信息同传中继网络中，提出分组节点调度策略，前人研究大部分在单一的信息传输网络进行中继选择，并没有考虑在传输信息的同时让其他节点积累能量，利用单一节点传输信息造成中继节点的过度使用，不利于系统的稳定性；本发明提出的中继节点调度策略，首次提出了采用最佳分组尺寸而不是全部节点参与信息传输，降低了所有中继节点参与传输的设备建设的复杂度。

附图说明

图1是本发明分组中继选择方法示意图；

图2是本发明分组中继选择方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-2，图1为本发明的中继选择模型，图2为本发明的中继选择流程，本发明所述中继选择方法的应用场景是包括一个源节点，N个中继节点和一个目的节点的中继网络，源节点需要通过中继节点的转发将信息发送给目的节点，中继节点从接收的信号中收集能量，为了实现传输信息吞吐量最大化同时收集更多的能量，本发明提出了分组的中继选择方法将备选中继节点以k个为一个小组自由组合，按照上述的中继选择方法，源节点选择其中一组节点传输信号，这组节点中只有一个节点成功传输信号到目的地节点；参数说明：本发明假定源节点和目的节点位于区域的边界，10个中继节点分布在源节点和目的节点的中间区域，源节点到中继节点和中继节点到目的节点信道都是瑞利信道，信道增益的均值为0，方差为0.1，源节点的初始能量是5J，每次传输时间是50ms，判断系统停止工作的阈值是1J，发射功率是1W，天线噪声和处理噪声都是加性高斯白噪声，方差是0.01W，中继节点数目是10，在该场景下进行了2000次的蒙特卡洛仿真，一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法，具体步骤如下：

(1)系统场景分析：

所述系统场景中有一个信号源节点S，N个可以进行能量收集和信息传输的中继节点R_i放在指定的位置，和一个目的通信节点D，信号源节点和目的节点之间没有直达路径，中继节点采用译码转发的工作方式，每次数据的传输时间段是T；考虑在该场景下的中继节点选择问题，假设用于能量收集的电池能量足够大，除了用于传输消耗的能量外其他消耗的能量忽略不计，在能量和信息同传网络存在两种分配机制，分别在时间分配和功率分配两种机制下，根据下文阐述的节点调度策略选择中继节点参与传输实现吞吐量最大化,当源节点的能量低于设定的阈值δ时，源节点不再传输信息，则能量和信息同传中继网络停止工作，直到系统停止工作比较小组尺寸不同时的系统吞吐量，最大吞吐量对应的小组尺寸是最优分组尺寸；

(2)时间分配中继选择策略，包括以下步骤：

1)建立源节点到中继节点最大传输速率模型：

时间分配中继机制下源节点到每个中继节点的最大传输速率模型如公式(1)所示：

其中

为源节点到第i个中继节点的最大传输速率,TS表示时间分配机制，i表示第i个中继节点，

是源节点到第i个中继节点传输信号时，第i个中继节点的信噪比，P_S是源节点的发射功率，|h_S,i|²是源节点到第i个中继节点的信道功率增益，d_S,i是源节点到第i个中继节点的距离，

表示d_s，i的m次方，m是路径损耗参数，

是源节点到第i个中继节点的噪声；

2)利用最大化传输速率进行初次中继选择：

初次中继选择的优化目标是最大化源节点到中继节点的吞吐量，源节点选择传输速率最大的小组传输信号，其中小组的传输速率是源到小组中的中继节点能实现的传输速率的最小值，源节点的中继选择方法如公式(2)所示：

被选中继节点以k个为一组自由组合，其中f表示被选择的小组，是第f个包含k个中继节点的小组，

表示在时间分配机制下第q个包含k个中继节点的小组的传输速率；

3)建立中继节点到目的节点最大传输速率模型：

通过上述步骤2)推导出被选小组，考虑时间分配机制下，中继节点的传输时间被分为能量收集和信息传输两部分，其中在αT时间段内中继节点从信号中收集能量，剩余时间用于信息传输，每个中继节点到目的节点的最大传输速率模型如公式(3)所示：

其中

是在第l时间段内第i个中继节点到目的节点的最大传输速率，

表示在第l个时间段内每个中继节点向目的节点传输信号时目的节点的信噪比，

是第i个中继节点的发射功率，由上一时间段的剩余能量、本时间段收集的能量以及传输时间T/2决定，中继节点将全部剩余能量作为能量源来传输信号，|h_S,i|²是第i个中继节点到目的节点的信道功率增益，d_i，D是第i个中继节点到目的节点距离，

表示d_i，D的m次方，m是路径损耗参数，

是第i个中继节点到目的节点的噪声；

4)利用到目的节点的最大传输速率进行二次中继选择：

二次中继选择的优化目标是在最大化吞吐量的同时实现能量的积累，选择被选小组中到目的节点传输速率最大的中继节点传输信息，中继选择方法如公式(4)所示：

其中n表示小组中第n个中继节点被选择来传输信号到目的节点；

5)建立吞吐量模型：

源节点在每个时间段以和最大传输速率相同的速率传输信号，直到系统停止工作，被选择的中继节点的吞吐量模型如公式(5)所示：

其中τ^TS表示在时间分配机制下的吞吐量，M表示系统停止工作之前信息传输的总的时间段数量，考虑时间分配中继机制中每个时间段内中继节点的有效传输时间是(1-α)T/2，C^TS(l)表示第l时间段内被选择的中继节点实现的最大传输速率，模型描述如公式(6)所示：

然后考虑被选择小组中其他节点继续收集能量，根据时间分配机制，每个中继节点额外收集的能量模型如公式(7)所示：

其中

表示小组中其他节点比如第i个中继节点在被选择的节点传输信号的时候额外收集的能量，η表示能量转换效率，在本时间段内中继节点的调度问题是在中继节点只在αT的时间段内收集能量的条件下进行；

(3)功率分配中继选择策略包括以下步骤：

1)建立源节点到中继节点最大传输速率模型：

考虑功率分配机制下中继节点把接收的信号功率分为两部分，其中ρP用于能量收集，剩余部分用于信息传输，源节点到每个中继节点的最大传输速率模型如公式(8)所示：

其中

表示源节点到第i个中继节点的最大传输速率，P_s源节点发射功率，|h_S,i|²是源节点到第i个中继节点的信道功率增益，

是源节点到第i个中继节点传输信号时，第i个中继节点的信噪比，d_S，i是源节点到第i个中继节点的距离，

表示d_s，i的m次方，m是路径损耗参数，

表示源节点到中继节点i的噪声；

2)利用到中继节点的最大传输速率进行初次中继选择：

初次中继选择的优化目标是最大化源节点到中继节点的吞吐量，源节点选择传输速率最大的小组传输信号，源节点的中继选择方法如公式(9)所示：

其中f表示被选择的小组，是第f个包含k个中继节点的小组，

表示第q个包含k个中继节点的小组的传输速率，该速率是源到小组中的中继节点能实现的传输速率的最小值；

3)建立中继节点到目的节点最大传输速率模型：

每个中继节点传输信号到目的节点的最大传输速率模型如公式(10)所示：

其中

是在第l时间段内第i个中继节点到目的节点的最大传输速率，

表示在第l个时间段内每个中继节点向目的节点传输信号时目的节点的信噪比，

是第i个中继节点的发射功率，由上一时间段的剩余能量、本时间段收集的能量以及传输时间T/2决定，中继节点将全部剩余能量作为能量源来传输信号，|h_i,D|²是第i个中继节点到目的节点的信道功率增益，d_i，D是第i个中继节点到目的节点距离

表示d_i，D的m次方，m是路径损耗参数，

是第i个中继节点到目的节点的噪声；

4)利用到目的节点的最大传输速率进行二次中继选择：

二次中继选择的优化目标是最大化吞吐量的同时实现能量的积累，到目的节点传输速率最大的中继节点被选择传输信号，二次中继选择方法如公式(11)所示：

其中n表示小组中第n个中继节点被选择传输信号到目的节点；

5)建立吞吐量模型：

源节点在每个时间段以和最大传输速率相同的速率传输信号，直到系统停止工作，被选择的中继节点的系统吞吐量模型如公式(12)所示：

其中τ^PS表示功率分配机制下系统的吞吐量，M表示系统停止工作之前信息传输的总的时间段数量，根据上述的功率分配中继机制下，第l时间段内被选择的中继节点实现的最大传输速率模型C^PS(l)如公式(13)所示：

然后考虑被选择小组中其他节点继续收集能量，每个中继节点额外收集的能量模型如公式(14)所示：

其中

表示小组中其他节点如第i个中继节点在被选择的节点传输信号的时候额外收集的能量，在本时间段内中继节点的调度问题是在中继节点只在T/2的时间段内从ρP收集能量的条件下进行；

(4)求解节点调度的最优分组尺寸：

首先，假定源节点和目的节点位于区域的边界，中继节点分布在源节点和目的节点的中间区域，试验k取不同值系统最终的吞吐量，通过比较得到一个最优分组尺寸；

然后，分别求解时间分配机制和功率分配机制下的最优分组尺寸，将中继节点的坐标分别代入到上述的最大传输速率公式中，根据上述的中继选择方法分别计算小组尺寸不同时的吞吐量，最大吞吐量对应的小组尺寸即为最优分组尺寸；利用MATLAB软件中的函数，在不同的分配机制和不同的节点状态下绘制以分组尺寸为自变量的吞吐量变化曲线；

最后，分析仿真曲线中得到的吞吐量最大值以及对应的小组尺寸，该尺寸即为节点调度的最优分组尺寸。

实验分析：

(1)时间分配机制下，随着时间分配参数的增加收集能量增多，传输数据的发射功率增大，在一定范围吞吐量增大，但是随着能量收集的时间增加，传输数据的时间减少，最后获得的吞吐量随着时间分配参数的增加而减少；

(2)功率分配机制下，考虑伴随功率分配参数的增加，用于能量收集的功率增加，收集的能量增多，在一定范围内吞吐量增大，但是能量收集的功率增加影响信息传输的功率减小，吞吐量随着功率分配参数的增加而减小；

(3)小组中其他节点在被选节点传输信号时继续收集能量，造成小组中节点剩余能量增多，一旦被选择发射功率增大，系统整体吞吐量提升。

本发明首次在能量和信息同传中继网络中，提出分组节点调度策略，前人研究大部分在单一的信息传输网络进行中继选择，并没有考虑在传输信息的同时让其他节点积累能量，利用单一节点传输信息造成中继节点的过度使用，不利于系统的稳定性；本发明提出的中继节点调度策略，首次提出了采用最佳分组尺寸而不是全部节点参与信息传输，降低了所有中继节点参与传输的设备建设的复杂度。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种适用于能量和信息同传网络分组的中继选择方法，其特征在于，

(1)系统场景分析：

所述系统场景中有一个信号源节点S，N个进行能量收集和信息传输的中继节点R_i放在指定的位置，和一个目的通信节点D，信号源节点和目的节点之间没有直达路径，中继节点采用译码转发的工作方式，每次数据的传输时间段是T；

(2)时间分配中继选择策略，包括以下步骤：

1)建立源节点到中继节点最大传输速率模型：

时间分配中继机制下源节点到每个中继节点的最大传输速率模型如公式(1)所示：

其中

为源节点到第i个中继节点的最大传输速率,TS表示时间分配机制，i表示第i个中继节点，

是源节点到第i个中继节点传输信号时，第i个中继节点的信噪比，P_S是源节点的发射功率，|h_S,i|²是源节点到第i个中继节点的信道功率增益，d_S,i是源节点到第i个中继节点的距离，

表示d_S，i的m次方，m是路径损耗参数，

是源节点到第i个中继节点的噪声；

2)利用最大化传输速率进行初次中继选择：

初次中继选择的优化目标是最大化源节点到中继节点的吞吐量，源节点选择传输速率最大的小组传输信号，其中小组的传输速率是源到小组中的中继节点能实现的传输速率的最小值，源节点的中继选择方法如公式(2)所示：

被选中继节点以k个为一组自由组合，其中f表示被选择的小组，是第f个包含k个中继节点的小组，

表示在时间分配机制下第q个包含k个中继节点的小组的传输速率；

3)建立中继节点到目的节点最大传输速率模型：

通过上述步骤2)推导出被选小组，考虑时间分配机制下，中继节点的传输时间被分为能量收集和信息传输两部分，其中在αT时间段内中继节点从信号中收集能量，剩余时间用于信息传输，每个中继节点到目的节点的最大传输速率模型如公式(3)所示：

其中

是在第l时间段内中继节点i到目的节点的最大传输速率，D表示目的节点，

表示在第l个时间段内第i个中继节点向目的节点传输信号时目的节点的信噪比，P_i ^TS(l)是第i个中继节点的发射功率，由上一时间段的剩余能量、本时间段收集的能量以及信息传输时间(1-α)T/2决定，中继节点将全部剩余能量作为能量源来传输信号，|h_i,D|²是第i个中继节点到目的节点的信道功率增益，d_i，D是第i个中继节点到目的节点距离

表示d_i，D的m次方，m是路径损耗参数，

是第i个中继节点到目的节点的噪声；

4)利用到目的节点的最大传输速率进行二次中继选择：

二次中继选择的优化目标是在最大化吞吐量的同时实现能量的积累，选择被选小组中到目的节点传输速率最大的中继节点传输信息，中继选择方法如公式(4)所示：

其中n表示小组中第n个中继节点被选择来传输信号到目的节点；

5)建立吞吐量模型：

源节点在每个时间段以和最大传输速率相同的速率传输信号，直到系统停止工作，被选择的中继节点的吞吐量模型如公式(5)所示：

其中τ^TS表示在时间分配机制下的吞吐量，M表示系统停止工作之前信息传输的总的时间段数量，考虑时间分配中继机制中每个时间段内中继节点的有效传输时间是(1-α)T/2，C^TS(l)表示第l时间段内被选择的中继节点实现的最大传输速率，模型描述如公式(6)所示：

然后考虑被选择小组中其他节点继续收集能量，根据时间分配机制，每个中继节点额外收集的能量模型如公式(7)所示：

其中

表示小组中其他节点比如第i个中继节点在被选择的节点传输信号的时候额外收集的能量，η表示能量转换效率；在本时间段内中继节点的调度问题是在中继节点只在αT的时间段内收集能量的条件下进行；

(3)功率分配中继选择策略包括以下步骤：

1)建立源节点到中继节点最大传输速率模型：

考虑功率分配机制下中继节点把接收的信号功率分为两部分，其中ρP用于能量收集，剩余部分用于信息传输，源节点到每个中继节点的最大传输速率模型如公式(8)所示：

其中

表示源节点到第i个中继节点的最大传输速率，P_s表示源节点发射功率，|h_S,i|²是源节点到第i个中继节点的信道功率增益，

是源节点到第i个中继节点传输信号时，第i个中继节点的信噪比，d_S，i是源节点到第i个中继节点的距离，

表示d_S，i的m次方，m是路径损耗参数，

表示源节点到中继节点i的噪声；

2)利用到中继节点的最大传输速率进行初次中继选择：

初次中继选择的优化目标是最大化源节点到中继节点的吞吐量，源节点选择传输速率最大的小组传输信号，源节点的中继选择方法如公式(9)所示：

其中f表示被选择的小组，是第f个包含k个中继节点的小组，

表示第q个包含k个中继节点的小组的传输速率，该速率是源到小组中的中继节点能实现的传输速率的最小值；

3)建立中继节点到目的节点最大传输速率模型：

每个中继节点传输信号到目的节点的最大传输速率模型如公式(10)所示：

其中

是在第l时间段内第i个中继节点到目的节点的最大传输速率，

表示在第l个时间段内每个中继节点向目的节点传输信号时目的节点的信噪比，P_i ^PS(l)是第i个中继节点的发射功率，由上一时间段的剩余能量、本时间段收集的能量以及传输时间T/2决定，中继节点将全部剩余能量作为能量源来传输信号，|h_i,D|²是第i个中继节点到目的节点的信道功率增益，d_i，D是第i个中继节点到目的节点距离，

表示d_i，D的m次方，m是路径损耗参数，

是第i个中继节点到目的节点的噪声；

4)利用到目的节点的最大传输速率进行二次中继选择：

二次中继选择的优化目标是最大化吞吐量的同时实现能量的积累，到目的节点传输速率最大的中继节点被选择传输信号，二次中继选择方法如公式(11)所示：

其中n表示小组中第n个中继节点被选择传输信号到目的节点；

5)建立吞吐量模型：

源节点在每个时间段以和最大传输速率相同的速率传输信号，直到系统停止工作，被选择的中继节点的系统吞吐量模型如公式(12)所示：

其中τ^PS表示功率分配机制下系统的吞吐量，M表示系统停止工作之前信息传输的总的时间段数量，根据上述的功率分配中继机制下，第l时间段内被选择的中继节点实现的最大传输速率模型C^PS(l)如公式(13)所示：

然后考虑被选择小组中其他节点继续收集能量，每个中继节点额外收集的能量模型如公式(14)所示：

其中

表示小组中其他节点如第i个中继节点在被选择的节点传输信号的时候额外收集的能量，在本时间段内中继节点的调度问题是在中继节点只在T/2的时间段内从ρP收集能量的条件下进行；

(4)求解节点调度的最优分组尺寸：

首先，假定源节点和目的节点位于区域的边界，中继节点分布在源节点和目的节点的中间区域，试验k取不同值系统最终的吞吐量，通过比较得到一个最优分组尺寸；

然后，分别求解时间分配机制和功率分配机制下的最优分组尺寸，将中继节点的坐标分别代入到上述的最大传输速率公式中，根据上述的中继选择方法分别计算小组尺寸不同时的吞吐量，最大吞吐量对应的小组尺寸即为最优分组尺寸；利用MATLAB软件中的函数，在不同的分配机制和不同的节点状态下绘制以分组尺寸为自变量的吞吐量变化曲线；

最后，分析仿真曲线中得到的吞吐量最大值以及对应的小组尺寸，该尺寸即为节点调度的最优分组尺寸。

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