CN112073093A - 基于ps策略的swipt双向传输中继系统中限制延时传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法。信能同传(SWIPT)双向传输中继系统包括两个有源的源节点和一个无源的中继节点。中继节点具有射频能量收集能力，并且采用功率分割(PS)策略。整个通信信道为准静态瑞利衰减信道。SWIPT双向传输中继系统采用限制延时中继(LDR)策略，LDR策略是指在接收端节点和发送端节点必须保证严格的时间同步，如果单条信道的信道增益不能满足通信条件，那么整个通信系统的通信都中断。通过理论推导，得到实际最大吞吐量与功率分割系数之间的函数关系。以实际最大吞吐量的最优为目标建立优化问题，采用最优化算法，得到最优的功率分割系数和最优的实际最大吞吐量。

Description

基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法。

背景技术

射频信号不但携带要传输的信息，而且其自身也具有能量。在无线通信系统中，如果可以在使用射频信号传输信息的同时传输能量，就可以很大程度上地延长无线网络系统的使用寿命。射频信号信息和能量同时传输的技术被称为信能同传技术，也被称为SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer)技术，该项技术的研究对无线传输网络的发展具有重大意义。

信息和能量同时传输，关键在于接收机的设计，现有接收机的接收策略，主要有时间分割(TS)、功率分割(PS)以及TS和PS相结合等几种方式。

SWIPT技术可以有效提升网络的频谱利用率、减小延迟、降低功耗，因此，不少学者考虑将SWIPT技术应用于中继通信系统。单向中继传输过程中，可以增加网络传输的距离，但是需要以耗费更多的时间资源作为代价，双向中继传输方式就可以很好地解决这个弊端。现有的SWIPT双向传输系统中大部分对最大吞吐量的研究都是偏向于理想化，本发明公开了基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法，其中，无源中继采用PS接收策略。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法。本发明考虑基于功率分割(PS)策略的SWIPT双向传输中继系统，其中，两个源节点为有源，中继节点为无源，结构框图在图1中给出。

如图1所示，两个有源的源节点相互传输信息，但是两个源节点之间不能直接进行通信，信号必须经过中间的无源、但是具有射频能量收集能力的中继节点才能到达另一个源节点。因此，中继节点在整个通信过程中不仅需要对两边的源节点发出的信息进行转发，还要从其中的一个源节点所发射的射频信号中获取能量，来保证整个通信系统的正常运行。整个通信系统采用限制延时中继(LDR)策略。LDR策略是指在接收端节点和发送端节点必须保证严格的时间同步，也就是接收速率要一直与发送速率相等，如果单条信道的信道增益不能满足通信条件，那么整个通信系统的通信都中断。

如图1所示，在基于PS策略的SWIPT双向传输中继模型中，包括两个有源的源节点U₁、U₂和一个能源受限的中继节点

h表示源节点U₁与中继节点

之间的信道增益，g表示源节点U₂与中继节点

之间的信道增益，P₁表示源节点U₁的发射功率，P₂表示源节点U₂的发射功率。ρ表示在中继节点收集能量的功率分割系数，ρ∈[0，1]，无源的中继节点以

的比例将接收的电磁波信号分别送入能量收集模块(EH)和信息处理模块(IT)，即分别用于获取所需能量和接收信息。

此模型满足以下条件：(1)整个通信信道为准静态瑞利衰减信道。源节点U₁与中继节点

之间的信道增益概率密度函数为

源节点U₂与中继节点

之间的信道增益概率密度函数为

其中，λ_h和λ_g分别为两个信道增益的指数随机变量的均值；相应地，两条信道增益的概率分布函数分别为

和

(2)中继节点选择放大-转发(AF)策略；(3)忽略中继节点对信号处理所消耗的功率，当传输距离足够大、且将收集的能量作为消耗的主要来源时，这种忽略是合理的；(4)中继节点中设置一个无限容量的能源储存装置；(5)两个源节点分别与中继节点之间的信道增益的大小关系是已知的(例如，通过两个源节点同时向中继发送一个检测信号)，因此中继节点可以判断出从哪一个源节点获取能量可以使能量收集效率以及通信效率更高。为了表述本专利，中继节点从源节点U₁收集能量。

图2为基于PS策略的中继节点内部结构，n_A表示在接收信号时天线所产生的噪声，n_A是圆对称复高斯随机变量，即

表示n_A(t)服从复高斯分布，均值为0，方差为

n_B表示信息处理时引入的噪声，且有

定义

能量收集效率因子记为η。

n_d表示来自源节点的天线以及转换模块产生的噪声，且有

中继节点收集能量和传输信息的时间分配关系如图3所示，T表示一段完整的时间块，中继节点利用T/2时间收集能量和接收两个源节点发来的信息，然后再利用T/2时间将接收的信息分别转发到另一端的源节点，从而完成通信。因此，基于PS的TDR策略(简称PS-TDR)的通信过程可以分为三个部分：中继节点获取能量部分；中继节点接收信息部分(信息上行部分)；中继节点转发信息部分(信息下行部分)。

源节点U₁向中继节点

传输信息，再由中继节点

转发到源节点U₂的通信过程称为链路L₁；同理，源节点U₂向中继节点

传输信息，再由中继节点

转发到源节点U₁的通信过程称为链路L₂。链路L₁的中断概率记为p_out1，链路L₂的中断概率记为p_out2。

定义信噪比阈值γ₀为满足通信条件而不发生中断的最小信噪比。在信道的信噪比等于γ₀条件下的信息传输速率，记为R₀。由香农定理得到

当通信系统的信噪比大于信噪比阈值γ₀时，两个源节点的发送信息速率和中继节点转发信息速率都为R₀＝log₂(1+γ₀)，在这种情况下，就可以减小中断概率，从而增加实际最大吞吐量。

结合上面的介绍，可以将基于PS-LDR策略下的实际最大吞吐量τ表示为

τ＝(1-p_out)R₀

式中，p_out是整个通信系统的中断概率。

因为两条信道是相互独立的，所以在PS-LDR策略下整个通信系统的中断概率p_out可以表示为

p_out＝p_out1+p_out2-p_out1·p_out2

通过理论推导可以得到实际最大吞吐量τ的表达式为

τ＝(1-p_out1-p_out2+p_out1·p_out2)log₂(1+γ₀)

式中，

式中，

以实际最大吞吐量的最优为目标建立优化问题P：

s.t. 0≤ρ≤1

在λ_h、λ_g、γ₀、η、P₁、P₂、

和

给定的情况下，采用最优化算法，例如黄金分割法，得到最优的功率分割系数和最优的实际最大吞吐量。将最优的实际最大吞吐量记为τ*；将最优的实际最大吞吐量所对应的功率分割系数，定义为最优的功率分割系数，记为ρ*。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统模型；

图2是本发明提供的基于PS策略的中继节点内部结构；

图3是本发明提供的基于PS策略的中继节点收集能量和传输信息的时间分配关系；

图4是实际最大吞吐量τ与功率分割系数ρ的关系；

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的主旨是提出基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法，使得系统获得最优的实际最大吞吐量。两个源节点为有源，中继节点为无源，结构框图在图1中给出。其中，无源中继采用PS接收策略。

如图1所示，两个有源的源节点相互传输信息，但是两个源节点之间不能直接进行通信，信号必须经过中间的无源、但是具有射频能量收集能力的中继节点才能到达另一个源节点。因此，中继节点在整个通信过程中不仅需要对两边的源节点发出的信息进行转发，还要从其中的一个源节点所发射的射频信号中获取能量，来保证整个通信系统的正常运行。整个通信系统采用限制延时中继(LDR)策略。LDR策略是指在接收端节点和发送端节点必须保证严格的时间同步，也就是接收速率要一直与发送速率相等，如果单条信道的信道增益不能满足通信条件，那么整个通信系统的通信都中断。

如图1所示，在基于PS策略的SWIPT双向传输中继模型中，包括两个有源的源节点U₁、U₂和一个能源受限的中继节点

h表示源节点U₁与中继节点

之间的信道增益，g表示源节点U₂与中继节点

之间的信道增益，P₁表示源节点U₁的发射功率，P₂表示源节点U₂的发射功率。ρ表示在中继节点收集能量的功率分割系数，ρ∈[0，1]，无源的中继节点以

的比例将接收的电磁波信号分别送入能量收集模块(EH)和信息处理模块(IT)，即分别用于获取所需能量和接收信息。

此模型满足以下条件：(1)整个通信信道为准静态瑞利衰减信道。源节点U₁与中继节点

之间的信道增益概率密度函数为

源节点U₂与中继节点

之间的信道增益概率密度函数为

其中，λ_h和λ_g分别为两个信道增益的指数随机变量的均值；相应地，两条信道增益的概率分布函数分别为

和

(2)中继节点选择放大-转发(AF)策略；(3)忽略中继节点对信号处理所消耗的功率，当传输距离足够大、且将收集的能量作为消耗的主要来源时，这种忽略是合理的；(4)中继节点中设置一个无限容量的能源储存装置；(5)两个源节点分别与中继节点之间的信道增益的大小关系是已知的(例如，通过两个源节点同时向中继发送一个检测信号)，因此中继节点可以判断出从哪一个源节点获取能量可以使能量收集效率以及通信效率更高。为了表述本专利，中继节点从源节点U₁收集能量。

图2为基于PS策略的中继节点内部结构，n_A表示在接收信号时天线所产生的噪声，n_A是圆对称复高斯随机变量，即

表示n_A(t)服从复高斯分布，均值为0，方差为

y_r，i(t)表示接收源节点发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号，其中，下标i＝1或2表示源节点序号，即y_r1(t)表示接收源节点U₁发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号，y_r2(t)表示接收源节点U₂发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号。n_B表示信息处理时引入的噪声，且有

定义

y_r(t)表示中继节点接收两个源节点发送的信号、并经过基带信号处理后的信号。s_r，i(t)表示中继节点放大转发的信号，其中，下标i＝1或2表示源节点序号，即s_r1(t)表示中继节点放大来自源节点U₁的信号、并向源节点U₂转发的信号，s_r2(t)表示中继节点放大来自源节点U₂的信号、并向源节点U₁转发的信号。

中继节点收集能量和传输信息的时间分配关系如图3所示，T表示一段完整的时间块，中继节点利用T/2时间收集能量和接收两个源节点发来的信息，然后再利用T/2时间将接收的信息分别转发到另一端的源节点，从而完成通信。因此，基于PS的TDR策略(简称PS-TDR)的通信过程可以分为三个部分：中继节点获取能量部分；中继节点接收信息部分(信息上行部分)；中继节点转发信息部分(信息下行部分)。

为了下面的公式推导以及介绍的方便，源节点U₁向中继节点

传输信息，再由中继节点

转发到源节点U₂的通信过程称为链路L₁；同理，源节点U₂向中继节点

传输信息，再由中继节点

转发到源节点U₁的通信过程称为链路L₂。

在实际的通信过程中，信息传输的整个过程都会掺杂着一些干扰因素，例如干扰信号和噪声等，如果这些影响因素过大，那么就会使得接收端无法正确解码信号的有效部分。按照LDR策略，当两个源节点与中继节点组成的两个信道条件不同，如果其中的一条信道不足以完成信息传输任务，那么就会导致整个通信系统的完全中断。判断系统是否中断的标准是信噪比(SNR)，即当实际信号传输信噪比小于信噪比阈值时，那么就判定整个系统不足以完成传输信息的任务，即通信中断。

根据上面的介绍，链路L₁的中断概率p_out1和链路L₂的中断概率p_out2可以分别表示为

式中，

表示链路L₁接收端接收信号的信噪比，

表示链路L₂接收端接收信号的信噪比，γ₀表示信噪比阈值，即信噪比阈值γ₀为满足通信条件而不发生中断的最小信噪比。在信道的信噪比等于γ₀条件下的信息传输速率，记为R₀。由香农定理得到

因为两条信道是相互独立的，所以在PS-LDR策略下整个通信系统的中断概率p_out可以表示为

p_out＝p_out1+p_out2-p_out1·p_out2 (3)

当通信系统的信噪比大于信噪比阈值γ₀时，两个源节点的发送信息速率和中继节点转发信息速率都为R₀＝log₂(1+γ₀)，在这种情况下，就可以减小中断概率，从而增加实际最大吞吐量。结合上面的介绍，可以将在PS-LDR策略下的实际最大吞吐量τ表示为

式中，分子(2(1-p_out)R₀t)是在整个T时间块下通信系统传输信息的总量，t为整个通信系统有效传输信息时间，在PS-LDR策略下，t＝T/2。

为了探究实际最大吞吐量与功率分割系数ρ的关系，整个通信系统的分析将分为三个部分依次介绍。

(1)中继节点获取能量部分

中继节点可以通过接收两个源节点发送的检测信号来获取两条信道的信道状态信息(CSI)，中继节点就可以判断哪个信道条件更好，从而利用更好信道条件的信道获取能量。在本实施例中，中继节点总是从源节点U₁获取能量。

在链路L₁中，中继节点接收源节点U₁发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号y_r1(t)可以表示为

式中，x₁(t)表示从源节点U₁发送的信号，并且有E[|x₁(t)|²]＝1，其中E[·]表示取期望，|·|表示取模值。中继节点接收天线产生的噪声n_A，1(t)是圆对称复高斯随机变量，即

表示n_A，1(t)服从复高斯分布，均值为0，方差为σ_A，1 ²。中继节点收集的能量E_h可以表示为

式中，η是能量收集效率因子，η∈[0，1]。中继节点完成转发信息所需要的能量E_c可以表示为

式中，P_R表示中继节点向两个源节点转发信息所需的放大转发功率。如果功率分割系数ρ增大，收集的能量增多，但是收集的有效信号的信噪比减小；如果ρ减小，收集的能量不足以支撑全部信号的转发；这两种情况都会导致整个通信系统传输效率的下降。为了得到最优的功率分割系数，使得整个通信系统传输效率达到最优值，要求收集的能量全部用于中继节点转发有效信息，即

E_h＝E_c (8)

将式(6)、式(7)代入式(8)中，可以得到放大转发功率P_R与功率分割系数ρ的关系为

P_R＝ηρP₁|h|² (9)

(2)中继节点接收信息部分(信息上行部分)

与式(5)原理相同，在链路L₂中，中继节点接收源节点U₂发出的信号后、被分配到信息处理模块的信号y_r2(t)可以表示为

式中，x₂(t)表示源节点U₂发送的信号，且有E[|x₂(t)|²]＝1，n_A，2(t)是由于中继节点的接收天线产生的圆对称复高斯随机变量，且有

根据式(5)和式(10)可知，中继节点接收两个源节点发送的信号、并经过基带信号处理后的信号y_r(t)可以表示为

式中，n_A(t)是中继节点的接收天线产生的总噪声，

n_B(t)表示中继节点对接收的信号进行信号处理时产生的噪声，且有

(3)中继节点转发信息部分(信息下行部分)

将链路L₁与链路L₂分别进行分析，最后进行整合。

①链路L₁

在链路L₁中，中继节点放大接收源节点U₁发出的信号、并向源节点U₂转发的信号s_r1(t)可以表示为

式中，

源节点U₂所接收的信号y_d1(t)为

y_d1(t)＝gs_r1(t)+n_d(t) (13)

式中，n_d是来自源节点的天线以及转换模块产生的噪声，且有

将式(11)和式(12)依次代入式(13)中，可以获得源节点U₂所接收信号的整体表达式为

式中，

由于自干扰消除，式(14)中的x₂(t)项被消除，经过消除后的源节点U₂所接收信号的表达式为

由式(15)以及信噪比公式可以得到链路L₁上的源节点U₂所接收信号的信噪比

表达式为

为了得到实际最大吞吐量与功率分割系数ρ的关系，需要将式(3)中的p_out用功率分割系数ρ表示出来，因此将式(16)代入式(1)的中，并利用式(9)，可得到链路L₁的中断概率p_out1为

式中，为了方便表示，进行了如下简化：

因为在式(17)中|g|²的系数正负没有确定，需要按照a₁|h|⁴和b₁|h|²的大小关系进行分类讨论，可得

在式(18)中，当|h|²＜b₁/a₁时，不等式左侧平方项(|g|²)一定是大于零，而不等式右侧的分子(c₁|h|²+d₁)大于零，根据分段函数的边界值可知分母(a₁|h|⁴-b₁|h|²)小于零，那么不等式右侧一定小于零，所以不等式恒成立，所以它的概率为1。

由于信道条件为准静态瑞利衰减信道，源节点U₁与中继节点

之间的信道增益概率密度函数为

源节点U₂与中继节点

之间的信道增益概率密度函数为

式中，λ_h、λ_g分别为两个信道增益的指数随机变量的均值。相应地，两条信道增益的概率分布函数分别为

F_h(z)＝p(|h|²＜z)＝1-exp(-z/λ_h) (21)

F_g(z)＝p(|g|²＜z)＝1-exp(-z/λ_g) (22)

将式(19)至式(22)代入式(18)的分段函数中，可以得到p_out1的关于独立变量z的积分表达式为

②链路L₂

链路L₂的分析过程与链路L₁基本相同，在链路L₂中，中继节点放大来自源节点U₂的信号、并向源节点U₁转发的信号s_r2(t)可以表示为

源节点U₁所接收的信号y_d2(t)为

y_d2(t)＝hs_r2(t)+n_d(t) (25)

将式(11)和式(24)依次代入式(25)中，由于自干扰消除，源节点U₁所接收的信号y_d2(t)为

那么，链路L₂上的源节点U₁所接收信号的信噪比

为

同理，将式(27)代入式(2)中，并利用式(9)，可得链路L₂的信道中断概率p_out2为

式中，

在式(28)中|h|⁴的系数正负没有确定，需要按照a₂|g|²和b₂的大小关系进行分类讨论，可得

在式(29)中，当|g|²＜b₂/a₂时，不等式左侧4次方项(|h|⁴)一定是大于零，而不等式右侧的分子(c₂|g|²+d₂)大于零，根据分段函数的边界值可知分母(a₂|g|²-b₂)小于零，那么不等式右侧一定小于零，所以不等式恒成立，所以它的概率为1。

将式(19)至式(22)代入式(29)的分段函数中，可以得到p_out2的关于独立变量z的积分表达式为

至此，两条链路L₁和L₂的中断概率p_out1和p_out2都计算出来之后，就可以利用式(3)和式(4)计算实际最大吞吐量τ，其表达式为

τ＝(1-p_out1-p_out2+p_out1·p_out2)log₂(1+γ₀) (31)

以实际最大吞吐量的最优为目标建立优化问题P：

在λ_h、λ_g、γ₀、η、P₁、P₂、

和

给定的情况下，采用最优化算法，例如黄金分割法，得到最优的功率分割系数和最优的实际最大吞吐量。将最优的实际最大吞吐量记为τ*；将最优的实际最大吞吐量所对应的功率分割系数，定义为最优的功率分割系数，记为ρ*。

当采用黄金分割法对式(32)的优化问题P进行求解，求出最优的功率分割系数ρ*和最优的实际最大吞吐量τ*，其步骤为：

第1步：给定初始化ρ的取值区间[a，b]和精度e；

第2步：求解区间黄金分割点a1＝a+(1-0.618)(b-a)，a2＝a+0.618×(b-a)；

第3步：分别求解a1和a2所对应的实际最大吞吐量τ(a1)和τ(a2)；如果实际最大吞吐量τ(a1)＜τ(a2)，跳到第4步，否则跳到第5步；

第4步：如果a2-a1＜e，停止迭代，输出最优解ρ*＝a2，输出最优的实际最大吞吐量τ*＝τ(a2)；否则，令a＝a1，a1＝a2，a2＝a+0.618×(b-a)，跳到第3步；

第5步：如果a2-a1＜e，停止迭代，输出最优解ρ*＝a2，输出最优的实际最大吞吐量τ*＝τ(a2)；否则，令b＝a2，a2＝a1，a1＝a+(1-0.618)(b-a)，跳到第3步。

下面结合具体实验仿真对本发明所提供的技术方案做进一步说明。

本发明对基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法进行仿真验证，使用参数设置如下：能量收集效率因子η＝1，两个源节点发射功率P₁＝P₂＝1，信道增益指数随机变量h和g的均值λ_h和λ_g分别设为1，中继节点接收信息时产生的噪声功率

和源节点接收信息时产生的噪声功率

都设置为0.01，信噪比的阈值γ₀设置为3.92。

参见图4，当ρ*＝0.58时，得到最优的实际最大吞吐量τ*＝1.1444。根据仿真图可以得出结论，当ρ偏小时或者偏大时，实际最大吞吐量都小于最优的实际最大吞吐量。

综上所述，本发明公开了基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法，使得系统获得最优的实际最大吞吐量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.基于PS策略的SWIPT双向传输中继系统中限制延时传输方法，其特征在于，包括：

信能同传(SWIPT)双向传输中继系统包括两个有源的源节点U₁、U₂和一个无源的中继节点

中继节点具有射频能量收集能力，并且采用功率分割(PS)策略；两个源节点之间不能直接进行通信，信号必须经过中间的中继节点才能到达另一个源节点；源节点U₁与中继节点

之间的信道增益为h，源节点U₂与中继节点

之间的信道增益为g；源节点U₁的发射功率为P₁，源节点U₂的发射功率为P₂；中继节点收集能量的功率分割系数为ρ，ρ∈[0，1]，即无源的中继节点以

的比例将接收的电磁波信号分别用于获取所需能量和接收信息；

SWIPT双向传输中继系统采用限制延时中继(LDR)策略，LDR策略是指在接收端节点和发送端节点必须保证严格的时间同步，也就是接收速率要一直与发送速率相等，如果单条信道的信道增益不能满足通信条件，那么整个通信系统的通信都中断；

SWIPT双向传输中继系统满足以下条件：(1)整个通信信道为准静态瑞利衰减信道；源节点U₁与中继节点

之间的信道增益概率密度函数为

源节点U₂与中继节点

之间的信道增益概率密度函数为

其中，λ_h和λ_g分别为两个信道增益的指数随机变量的均值；(2)中继节点选择放大-转发(AF)策略；(3)忽略中继节点对信号处理所消耗的功率，当传输距离足够大、且将收集的能量作为消耗的主要来源时，这种忽略是合理的；(4)中继节点中设置一个无限容量的能源储存装置；(5)两个源节点分别与中继节点之间的信道增益的大小关系是已知的(例如，通过两个源节点同时向中继发送一个检测信号)，因此中继节点可以判断出从哪一个源节点获取能量，可以使能量收集效率以及通信效率更高；为了表述本专利，中继节点从源节点U₁收集能量；

在中继节点内部结构中，n_A表示在接收信号时天线所产生的噪声，n_A是圆对称复高斯随机变量，即

表示n_A(t)服从复高斯分布，均值为0，方差为

n_B表示信息处理时引入的噪声，且有

定义

能量收集效率因子记为η；

n_d表示来自源节点的天线以及转换模块产生的噪声，且有

在一段完整的时间块T，中继节点利用T/2时间收集能量和接收两个源节点发来的信息，然后再利用T/2时间将接收的信息分别转发到另一端的源节点，从而完成通信；因此，基于PS的LDR策略的通信过程可以分为三个部分：中继节点获取能量部分；中继节点接收信息部分(信息上行部分)；中继节点转发信息部分(信息下行部分)；

源节点U₁向中继节点

传输信息，再由中继节点

转发到源节点U₂的通信过程称为链路L₁；同理，源节点U₂向中继节点

传输信息，再由中继节点

转发到源节点U₁的通信过程称为链路L₂；链路L₁的中断概率记为p_out1，链路L₂的中断概率记为p_out2；

定义信噪比阈值γ₀为满足通信条件而不发生中断的最小信噪比；在信道的信噪比等于γ₀条件下的信息传输速率，记为R₀；由香农定理得到

当通信系统的信噪比大于信噪比阈值γ₀时，两个源节点的发送信息速率和中继节点转发信息速率都为R₀＝log₂(1+γ₀)，在这种情况下，就可以减小中断概率，从而增加实际最大吞吐量；

基于PS的LDR策略下的实际最大吞吐量τ的表达式为

τ＝(1-p_out1-p_out2+p_out1·p_out2)log₂(1+γ₀)

式中，

式中，

以实际最大吞吐量的最优为目标建立优化问题P：

s.t.0≤ρ≤1

在λ_h、λ_g、γ₀、η、P₁、P₂、

和

给定的情况下，采用最优化算法，得到最优的功率分割系数和最优的实际最大吞吐量。

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